Особенности приема сигналов с круговой поляризацией

Антенны эллептической поляризации.

Любая антенна, к примеру, «BOF-5xxx + Отражатель» имеет некий сектор излучения. Распространяясь в этом секторе, часть электро-магнитной энергии уходит в космос, не достигая антенны приёмника. Часть энергии, излучённая ниже уровня горизонта, попадает на поверхность земли. При этом энергия частично поглощается поверхностью, а частично отражается от земли. Этот, отражённый сигнал, так же попадает в приёмную антенну. Суммируясь в приёмной антенне с некоторым временным опозданием и со случайной фазой по отношению к основному сигналу, отражённый сигнал является значительной помехой.

Рис.1. Отражение от земли сигнала с линейной поляризацией и его приём абонентом. Пришедший на приёмную антенну отражённый сигнал является паразитным по отношению к основному сигналу.

Полностью избавиться от паразитного сигнала практически невозможно. Т.к. всегда какая-то часть отраженного от земли и окружающих предметов сигнала будет попадать в приёмную антенну. На поверхности земли всегда происходит многолучевое распространение радиосигнала.

Особенностью радиоволн с эллиптической поляризацией является то, что при отражении сигнала, меняется вектор его вращения на противоположный.

Рис.2. Изменение направления вращения при отражении эллиптически поляризованной волны.

Излучённый сигнал с правосторонним вращением после отражения будет вращаться влево. При линейной поляризации сигнал при отражении сохраняет свой вектор поляризации.

Рис.3. Изменение вектора поляризации при отражении радиоволны, имеющей эллиптическую поляризацию.

Антенны круговой поляризации не принимают сигнал противоположного вращения.

И поэтому на приёмной антенне, отражённый сигнал, теперь в противоположной поляризации, Э.Д.С не наведёт. Приёмная антенна просто не «увидит» этот сигнал.

При построении беспроводных каналов связи на антеннах круговой поляризации, следует учитывать особенность отражения сигнала в зеркальных антеннах. Применяя в такой антенне активный элемент, излучающий с правостороннем вращением поляризации (например, облучатель BOF-2xxx RHCP), от антенны Вы получите сигнал с левосторонним вектором вращения (LHCP).

Рис.4. Волна с круговой поляризацией меняет вектор направленности при отражении от параболического рефлектора.

Заметьте, что сменить поляризацию простым поворотом антенн на 90°, как Вы это могли делать с антеннами линейной поляризации, не получится. Вектор поляризации задается в процессе производства антенн и не может быть изменен пользователем.

А потому, продумайте конфигурацию Вашей сети и возможное её дальнейшее развитие (расширение) перед заказом оборудования.

Если сами затрудняетесь определиться какое оборудование Вам нужно — обратитесь к нам. Мы подберем Вам только нужное оборудование, работающее друг с другом. Минимальный набор оптимальных товаров, без «втирания» ненужного хлама.

Другое преимущество использования антенн с круговой поляризацией

В идеальных условиях, когда сигнал распространяется без препятствий, нет никакой разницы в том, как ориентирован в пространстве вектор поляризации сигнала.

В реальной же ситуации, существует масса препятствий, преград на пути распространения радиосигнала. Часть препятствий сигнал свободно проходит, на некоторых частично ослабляется, на третьих — полностью или частично отражается или безвозвратно поглощается.

На рисунке 5 наглядно показано распространение радиоволн с линейной поляризацией, на пути которых встречаются препятствия в виде ряда параллельных металлических стержней, расположенных вертикально и горизонтально.

Рис.5. Прохождение сигнала линейной поляризации через ряд параллельных металлических преград.

Радиоволны, имеющие вертикальную поляризацию полностью отражаются от вертикально ориентированных проводящих препятствий. Но при этом сигнал, имеющий горизонтальную поляризацию, практически без ослабления преодолевает это препятствие.

Напротив радиоволна, имеющая горизонтальную поляризацию, беспрепятственно проникает сквозь ряд вертикальных металлических преград.

Всего лишь одно препятствие, расположенное под углом в 45 градусов, наполовину ослабляет уровень сигнала. Причем это справедливо и для вертикальной, и для горизонтальной поляризации. (См. рис.6)

Рис. 6. Влияние на распространение сигнала помехи, расположенной под углом в 45 градусов.

В реальной практике преодолеть ряд вертикально и горизонтально ориентированных препятствий линейно поляризованная волна не может.

Ситуация хотя и кажется «лабораторной», искусственно созданной, на практике является самой распространенной. Причем эти самые препятствия чаще не бывают строго ортогональными, а наоборот имеют гамму вариаций.

Рисунок 6 наглядно иллюстрирует изменения линейно поляризованного сигнал после прохождения сквозь всего лишь одного дерева:

Рис.6. Прохождение сигнала с линейной поляризацией сквозь крону всего одного дерева.

Обратите внимание на принимающую сторону. Сигнал на антенну приходит ослабленный; одновременно приходит переотраженный сигнал, причем не в фазе основного сигнала

Происходит не только многократные отражения сигнала, причём в разных направлениях, его рассеивание в пространстве, но и искажение вектора поляризации при отражении.

В итоге на приёмную антенну попадает многолучевой сигнал разнородный по уровню сигнала и по поляризации; имеющий случайную фазу и время задержки из-за разного пройденного расстояния.

Все сигналы, попавшие в приёмную антенну с опозданием от основного сигнала, становятся помехой (шумом).

Нередко в таких случаях, при очень высоком уровне принимаемого сигнала, устанавливается низкая канальная скорость. Вызвано это тем, что только простые виды модуляции могут безошибочно детектироваться в условиях многолучевого интерференционного приёма.

Можно ли как-то с этим бороться?

Единственное, что реально работает в подобных условиях — антенны с эллиптической поляризацией.

Их «дальнобойность и пробиваемость» объясняется особенностью прохождения радиоволн с вращающимся вектором поляризации сквозь препятствия.

Рис.7. Прохождение сигнала эллиптической поляризации через ряд преград. Наш «лабораторный» пример.

Мы видим, что при прохождении параллельно ориентированных препятствий, сигнал эллиптической поляризации теряет только половину своей энергии на отражение, причём абсолютно независимо от расположения этих препятствий. На практике сигнал эллиптической поляризации, как штопор сквозь пробку, проникает через «сложные» препятствия там, где линейная поляризация бессильна.

Рассмотрим на примере как будет проходить сигнал с эллиптической поляризацией сквозь то же самое дерево (что и в примере выше). И как этот сигнал будет восприниматься приёмной антенной.

Очевидно, что вне зависимости от вектора поляризации, переотражаться сигнал будет одинаково.

Т.е. на выходе из кроны мы увидим примерно одинаковую картину, как в случае с линейной поляризацией (см. рис.6), так и в случае с эллиптической поляризацией.

В распространении радиоволн эллиптической поляризации наблюдается точно такая же интерференция сигнала, как и в случае с линейно поляризованным сигналом. Однако, отраженные сигналы эллиптической поляризации приходят на антенну в противоположной поляризации, практически не оказывая никакого влияния на уровень основного сигнала, т.к. с ним не суммируются.

А все сигналы, пришедшие в одной поляризации с основным, суммируются, повышая общий уровень принятого сигнала. Они имеют разную временн у ю задержку, т.е. фазу (угол вхождения сигнала в антенну). На выходе антенны будет регистрироваться один сигнал с задержкой, определяемой векторным сложением. Причем этот выходной сигнал будет «гулять» только по уровню и по временной задержке.

Этими особенностями и обусловлена такая высокая «проникаемость» эллиптически поляризованного сигнала.

В реальных условиях системы MIMO «УМЕЮТ» ЛУЧШЕ развязывать каналы именно на эллиптической поляризации. А значит, в таких системах при работе на антеннах с круговой поляризацией выше скорость и стабильнее связь.

Главные преимущества антенн с эллиптической поляризацией:

  • Такие антенны предпочтительны в отсутствие прямой видимости. Очевидно, что сквозь металлический подземный бункер сигнал не пробьётся, но через растительность, решетки на окнах и т.п. пройдет с незначительным ослаблением.
  • Сигнал антенн с эллиптической поляризацией способен проникать как сквозь вертикальные, так и горизонтальные препятствия (и их «производные» под разными углами) с минимальными потерями уровня сигнала.
  • Переотраженный сигнал не оказывает практически никакого влияния на приём основного сигнала за счет смены поляризации при отражении от препятствий. Для приемной антенны отраженного сигнала просто не существует.
  • Но самым замечательным свойством антенн эллиптической поляризации является то, что все пришедшие сигналы суммируются по вектору. То есть антенна просуммирует все составляющие компоненты многолучевого сигнала с какой бы фазовой задержкой они не пришли на антенну.

Сравнивая на выходе линейную и эллиптическую поляризацию, мы увидим, что в эллиптической поляризации качение, величина задержки и скорость изменений будут меньше. Соответственно, меньше будет и скорость изменения уровня сигнала Это благоприятно сказывается на работе детекторов приёмника. Что на практике позволяет работать сетевым устройствам с большей скоростью и с меньшим количеством ошибок при передаче сигнала и при детектировании полезного сигнала в общем электромагнитном потоке

Несколько рекомендаций по применению антенн с эллиптической поляризацией:

1. Антенны с эллиптической поляризацией предпочтительно используйте только с аналогичными антеннами (с эллиптической поляризацией). Принимая сигнал антеннами линейной поляризации, Вы потеряете 3 dB. Но при этом антенна линейной поляризации может устанавливаться произвольно.
2. Используйте антенны с одинаковой поляризацией: или только с левосторонней (LHCP), или только с правосторонней (RHCP).
3. В зеркальных антеннах, необходим облучатель с противоположной поляризацией (см. рис.3).
4. В сильно зашумленном эфире, где велико количество беспроводных сетей и они создают взаимные помехи, целесообразно создавать новые сети именно на антеннах с эллиптической поляризацией. Чужие сети Вам будут мешать на 3 dB меньше, и Вы будете создавать им помехи на 3 dB меньше.

Читайте также  Что такое ток?

Особенности приема сигналов с круговой поляризацией

До появления проекта НТВ-Плюс российским энтузиастам спутникового телевидения редко приходилось сталкиваться с круговой поляризацией — наибольший интерес для индивидуального приема представляют европейские спутники с линейно поляризованным излучением. Однако особенности приема сигналов с круговой поляризацией ярко проявились с началом цифрового вещания НТВ-Плюс. При приеме сигнала со спутника BONUM-1 на ту же антенну, что используется для приема европейских спутников (с конвертором без деполяризатора), картинка «рассыпается» даже при очень большом уровне сигнала.

При приеме сигналов «старых» спутников ГАЛС, TDF-2 и Hot Bird на одну подвижную антенну деполяризатор был не нужен. Во-первых, сигнал ГАЛСов намного мощнее сигнала спутников Hot Bird и, даже с потерями 3 дБ, принимался не хуже. Во-вторых, несущие частоты транспондеров ГАЛСов и TDF-2 разнесены довольно далеко, не менее чем на 36 МГц (11767 LZ и 11803 RZ). Это больше, чем ширина полосы пропускания приемника (27 МГц), поэтому даже при одновременном приеме сигналов в обеих поляризациях без развязки они не перекрывались по частоте. Эта особенность позиции 36 градусов В.Д. успешно использовалась при коллективном приеме — для одновременного приема сигналов с правой и левой поляризацией использовалась антенна с запасом усиления 3 дБ (диаметр примерно в 1,5 раза больше минимально необходимого) и штатный конвертор НТВ-Плюс, из которого намеренно удалялся деполяризатор. Отпадала необходимость использовать спаренные конверторы, разделители поляризаций, мультисвитчинги и т. д.

Транспондеры спутника BONUM-1 расположены «вплотную». Центральные частоты транспондеров с разной поляризацией разнесены всего на 19 МГц. При приеме сигнала, например, с правой круговой поляризацией часть мощности сигнала соседнего по частоте транспондера с левой круговой поляризацией попадет в полосу пропускания приемника. Такой сигнал не является полезным сигналом, следовательно, его можно рассматривать, как шум. Увеличение диаметра антенны в данном случае не улучшает качество приема, так как уровень шума растет пропорционально уровню сигнала.

У волны с круговой поляризацией вектор электрического поля имеет постоянную величину, но изменяет направление (вращается), делая один оборот на 360 градусов за один период несущей частоты. Можно представить волну с круговой поляризацией как сумму двух линейно поляризованных волн, векторы Е’ и E» которых расположены ортогонально, а фаза колебаний отличается на 90° (правая круговая поляризация) или на 270° (левая круговая поляризация).

На рис. 1 показан один период волны с круговой поляризацией. Вектор E’ расположен вертикально, а вектор E» — горизонтально. Из рисунка видно, что суммарный вектор Eкр постоянно изменяет свое направление, делая полный оборот за один период. Теперь предположим, что сигнал с круговой поляризацией будет приниматься на переключаемый конвертор. Так как его штыри расположены ортогонально (под углом 90 градусов), можно расположить векторы составляющих E’ и E» параллельно «вертикальному» и «горизонтальному» штырям конвертора соответственно. Нетрудно догадаться, что сигнал будет приниматься на оба штыря одинаково, составляющая E’ будет возбуждать штырь вертикальной поляризации, составляющая E» — штырь горизонтальной поляризации . Амплитуда каждого из векторов E’ и E» будет меньше амплитуды вектора Eкр в корень квадратный из 2 раз, т. е. потери по мощности составят 3 дБ (мощность сигнала разделится поровну между двумя штырями).

Чтобы избежать потерь при приеме сигнала с круговой поляризацией, используются устройства — деполяризаторы. Наиболее простой деполяризатор — диэлектрический. Он представляет собой секцию круглого волновода с диэлектрической пластиной внутри (рис. 2). Допустим, что в таком волноводе распространяется волна с круговой поляризацией. Разложим ее на две составляющих, направив вектор E’ параллельно пластине деполяризатора, а вектор E» — перпендикулярно ей. Фазовая скорость составляющей, вектор E’ которой направлен параллельно пластине, не изменится и останется равной скорости света С. Скорость же волны, вектор E» которой перпендикулярен пластине, будет больше или меньше скорости света, это зависит от размеров волновода, толщины и диэлектрической проницаемости материала пластины. Соответственно длина волны будет больше или меньше, чем длина волны в свободном пространстве. Необходимо задержать или ускорить составляющую E» таким образом, чтобы к концу секции деполяризатора обе составляющих E’ и E» отличались по фазе на 0 или на 180°. В этом случае на выходе деполяризатора они окажутся в фазе или в противофазе, и суммарный вектор будет иметь постоянное направление (45° по отношению к каждой составляющей, см. рис 2).

Таким образом, длина пластины подбирается с таким расчетом, чтобы задержка составляющей E» составляла 90°, т. е. количество длин волн составляющих E’ и E», укладывающихся на длине пластины L, должно отличаться на Л/4. В конверторе Cambridge AE37 (штатный конвертор НТВ-Плюс) используется пластина из полистирола толщиной 1 мм и длиной 46 мм. Пластина располагается в волноводе таким образом, чтобы угол между плоскостью пластины и плоскостью, в которой расположен «вертикальный» штырь конвертора, составлял 45°. При таком расположении пластины деполяризатор преобразует волну с правой круговой поляризацией в волну с линейной вертикальной поляризацией, а волну с левой круговой — в волну с линейной горизонтальной.

Нетрудно убедиться, что деполяризатор — обратимое устройство. Если на входе секции деполяризатора присутствует линейно поляризованная волна, вектор Eл которой расположен под углом 45° к диэлектрической пластине, то на выходе секции волна приобретает круговую поляризацию. Как принимается сигнал с круговой поляризацией на переключаемый конвертор с двумя штырями, уже рассматривалось выше. Таким образом, если линейно поляризованный сигнал (например, со спутников Hot Bird) принимать на конвертор с деполяризатором, потери по мощности составят не менее 3 дБ, и сигналы обеих поляризаций (и вертикальной и горизонтальной) будут приниматься одинаково на оба штыря, мешая приему друг друга.

Заметим, что если диэлектрическую пластину расположить параллельно или перпендикулярно направлению вектора Е линейно поляризованной волны, она будет вносить минимальное затухание, не изменяя при этом направление поляризации. Значит, деполяризатор можно «отключить» на время приема спутника с линейной поляризацией, установив пластину параллельно штырю вертикальной поляризации (или перпендикулярно ему). Это можно сделать с помощью комбинации устройств «диэлектрический деполяризатор + механический или магнитный поляризатор». При первоначальной настройке пластина деполяризатора устанавливается по направлению вектора Е вертикально поляризованной волны. Для приема сигналов с линейной поляризацией механическим поляризатором приемный штырь разворачивается параллельно или перпендикулярно пластине. Для приема сигналов с круговой поляризацией штырь устанавливается таким образом, чтобы угол между ним и плоскостью пластины составлял 45° в ту или иную сторону. Если используется магнитный поляризатор, штырь конвертора остается неподвижным, а направление поляризации линейно поляризованной волны (прошедшей параллельно или перпендикулярно пластине деполяризатора или сформированной из волны с круговой поляризацией) приводится магнитным поляризатором в плоскость штыря.

Использование обоих этих устройств связано с некоторыми ограничениями.

  • Для управления как магнитным, так и механическим поляризатором ресивер должен иметь соответствующий интерфейс. У цифровых ресиверов, за редкими исключениями (например, PRAXIS DVB9800 ADP), такого интерфейса нет. Для управления магнитным поляризатором в упрощенном варианте можно использовать выход ресивера 0 / 12 В с некоторыми доработками.
  • И тот и другой поляризаторы рассчитаны на работу с конверторами без переключения поляризации (с прямоугольным фланцем). Как правило, если такой конвертор двухдиапазонный, то гетеродины верхнего и нижнего диапазона переключаются напряжением питания 13 / 18 В. У большинства цифровых ресиверов этот управляющий сигнал используется только для переключения поляризации. Это обстоятельство сильно усложняет программирование ресивера.
  • Оба эти устройства вносят собственные потери от 0,2 до 0,5 дБ, уменьшая добротность приемной установки в целом.

В большинстве случаев выгоднее использовать для приема спутников в позиции 36,0 В.Д. отдельную антенну или отдельный конвертор. Все без исключения цифровые ресиверы поддерживают протокол DiSEqC, поэтому проблем с коммутацией антенн не возникнет.

Другие статьи по профессиональным ресиверам читайте тут — САТПРО

Устройство и схемотехника спутникового приемного комплекта. Часть 3 — Поляризатор и деполяризатор

Глава 1 из книги C. Л. Корякина-Черняка «Справочник по ремонту и настройке спутникового оборудования»

Продолжение

Начало читайте здесь:

Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства

1.5. Поляризатор и деполяризатор

Поляризация электромагнитных волн

Различают два вида поляризации электромагнитных волн:

Можно сказать, что в конвертере имеется две антенны, каждая из которых принимает сигнал только одно поляризации: либо вертикальную, либо горизонтальную (рис. 1.23).

Если прием осуществляется более на Восток или на Запад, то из-за кривизны поверхности Земли плоскость поляризации больше наклонена относительно ее поверхности.

В соответствии с этим поляризатор размешается под большим или меньшим углом к поверхности Земли. Причины необходимости подстройки конвертера в зависимости от географического положения приемной антенны показаны на рис. 1.24.

Особенности выбора вещателем поляризации

Если внимательно посмотреть на таблицы спутниковых каналов, окажется:

Может последовать логичный вопрос: есть ли конкретная причина, почему поляризации были распределены таким образом? Причина на самом деле существует. Но необходимо сказать пару слов о поляризации в целом, и вспомнить школьный курс физики.

Читайте также  Демонстрационный вв генератор

Электромагнитная волна состоит из электрической и магнитной составляющих. Они всегда возникают одновременно. Вектор электрического поля перпендикулярен вектору поля магнитного, и оба они перпендикулярны направлению распространения волны (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Проекция электромагнитной волны

Если между электрическим и магнитным векторами не существует сдвига фазы, то это линейная поляризация. Вертикальной или горизонтальной она называется в зависимости от ориентации электрического вектора по отношению к плоскости экватора.

Сдвиг на 90° (положительный или отрицательный) означает, что когда электрическое поле достигает максимума, магнитное поле равно нулю, или наоборот.

В зависимости от знака перед 90°, поляризация будет правой круговой или левой круговой.

Исходя из вышеизложенного материала, напрашивается простой вывод: намного проще выпустить качественный конвертер для линейной поляризации, чем для круговой поляризации.

Одним из известных недостатков линейной поляризации можно назвать необходимость точной подстройки угла крепления конвертера в зависимости от географического местоположения приемной антенны. В случае с круговой поляризацией никакой подстройки конвертера не требуется – достаточно установить его в фокус антенны.

Менее известна, но гораздо более значима чувствительность сигналов с линейной поляризацией к ротации Фарадея, вызываемой магнитным полем Земли.

Однако, эффект Фарадея значительно уменьшается с ростом частоты, и поэтому в отличие от C-диапазона, в Ku-диапазоне практически незаметен. Именно поэтому использование линейной поляризации в C-диапазоне можно назвать рискованным.

Значимость данного фактора возрастает многократно при необходимости обеспечить сигналом территории, находящиеся вблизи магнитных полюсов Земли. Вещатели выбирают сами, какую территорию они хотят покрыть своим сигналом.

Уже отмечалось, что C-диапазон менее чувствителен к осадкам, в отличие от Ku-диапазона. А поскольку, наоборот, C-диапазон более чувствителен к эффекту Фарадея, круговая поляризация представляется лучшим вариантом (по материалам статей с интересного сайта http://www.pskovsat.ru/).

Устройство и работа поляризатора

Т. е. поляризатор является устройством, которое обеспечивает выбор необходимого вида поляризации принимаемой радиоволны (рис. 1.26).

При сборке производителю важно обеспечить герметичность соединения. Так, например, резиновые прокладки должны точно располагаться в металлических пазах и не иметь перекосов.

В ходе развития спутникового оборудования создавались различные поляризаторы, отличающиеся по принципу действия:

  • механические, в состав которых входили петлеподобный или штыревой проводник (элемент связи с электрическим трактом конвертера) и исполнительный механизм;
  • поляризаторы с магнитным управлением, которые позволяли плавно изменять плоскость поляризации;
  • электромеханические поляризаторы, в которых поляризационный зонд передвигался механизмом. Для управления этим механизмом к поляризатору посылалась последовательность импульсов, длина которых несла информацию о требуемом положении поляризатора.

Этап 1. Сначала рассмотрим механический поляризатор. В его состав входит элемент связи с электрическим трактом конвертера (петлеподобный или штыревой проводник) и исполнительный механизм (рис. 1.27). Элемент связи, как антенна, входит в электромагнитное поле волновода и преобразует его энергию в электрический ток.

Для того чтобы в элементе связи развивалась максимальная электродвижущая сила, которая в его проводнике создает наибольшее электрическое поле, необходимо придать зонду такое же положение, как и излучателю антенны на спутнике. Соответственно, приемная система должна отделять сигналы одной поляризации от другой и принимать их отдельно.

Рис. 1.27. Структурная схема механического поляризатора

В механических поляризаторах переход с одной поляризации на другую осуществляется повышением напряжения питания от 13 В (V поляризация) до 18 В (Н поляризация). Система с переключением позволяет получать два фиксированных значения поляризации, выбор которой происходит механическим перемещением – поворотом вокруг своей оси элемента связи с помощью шагового электродвигателя.

Этап 2. Рассмотрим электромеханические поляризаторы. В них плоскость поляризации меняется с небольшим шагом дискретизации. Но из-за наличия движущихся частей электромеханические поляризаторы менее надежны, чем магнитные, которые будут рассмотрены далее. Кроме того, электромеханические поляризаторы требуют трех управляющих сигналов от ресивера, в то время как магнитным поляризаторам нужны только два управляющих сигнала.

Преимуществом же электромеханических поляризаторов перед магнитными являются несколько меньшие потери сигнала. Сейчас электромеханические поляризаторы используются в основном в С/Ku-роторах.

Этап 3. Рассмотрим поляризатор с магнитным управлением (рис. 1.28). В нем выбор поляризации осуществляется изменением величины тока в катушке, намотанной на ферритовый сердечник.

Надежность такого поляризатора выше, так как отсутствуют подвижные механические детали. К тому же, поляризаторы с токовым управлением позволяют выполнять плавную подстройку поляризации.

Если прием осуществляется более на Восток или на Запад, то из-за кривизны поверхности Земли плоскость поляризации больше наклонена относительно ее поверхности.

Подобная проблема возникает в том случае, если антенну устанавливают с позиционированием на несколько спутников. Для каждого ИСЗ угол наклона свой, поэтому и необходима плавная токовая подстройка поляризации. Для каждого спутника выбирают свое значение управляющего тока и угол наклона плоскости поляризации к горизонту.

Устройство и работа деполяризатора

На европейских спутниках в основном используется линейная поляризация, а на российских спутниках традиционно используется круговая поляризация. Поэтому возникает необходимость преобразования круговой поляризации в линейную. Для приема круговых волн перед поляризатором устанавливают деполяризатор.

Деполяризатор, преобразующий один вид поляризации поля в волноводе круглого сечения в другой, представлен на рис. 1.29. Это отрезок волновода, в котором имеются продольные неоднородности в виде диэлектрических пластин (материал тефлон или др.) и металлических стержней (Н или V).

Это и есть поляризатор 3.14/2. Если в такой поляризатор поступает поле с круговой поляризацией, то оно преобразуется в поле с линейной поляризацией. В зависимости от положения диэлектрической пластины и штырей в волноводе осуществляется преобразование круговой поляризации в вертикальную или горизонтальную. Так, деполяризатор преобразует круговую поляризацию в линейную.
Это устройство представляет собой пластину из тефлона, текстолита стеклотекстолита, фторопласта, стекла или другого диэлектрического материала. Устанавливают пластину в облучатель на определенном расстоянии от антенн конвертера, под углом 45 градусов между ними (рис. 1.30).

а) б)

Рис. 1.30. Конвертеры с установленным деполяризатором:
a – C-диапазона; б – Ku-диапазона

Пластина может быть выполнена или из монолитного материала, или в виде решетки, вытравленной из фольгированного стеклотекстолита (рис. 1.31). Как утверждают разработчики этого изделия, благодаря такой форме и конструкции, увеличивается качество принимаемого сигнала (качество деполяризации сигнала) при приеме круговой поляризации сигналов С-диапазона.

В этом случае будет иметь место проигрыш 3 дБ в уровне кругового сигнала, что соответствует увеличению требуемого диаметра антенны в 1.4 раза.

Продолжение читайте здесь

Основы радиолокации

Поляризация электромагнитных волн

Рисунок 1. Радиолокатор станции наведения ракет зенитного ракетного комплекса С-75 («Fan Song E») .
Фото взято с сайта www.pvo.guns.ru

Поле, излучаемое антенной, состоит из электрических и магнитных силовых линий. В этом поле силовые линии электрического поля перпендикулярны силовым линиям магнитного поля. Направления обеих этих составляющих зависят от положения антенны относительно земной поверхности. Направление вектора электрической напряженности определяет направление поляризации электромагнитной волны. Различают линейную и круговую поляризацию.

Рисунок 2. Электрическое поле с вертикальной линейной поляризацией

Рисунок 2. Электрическое поле с вертикальной линейной поляризацией

Рисунок 3. Электрическое поле с горизонтальной линейной поляризацией

Линейная поляризация

Установленные горизонтально или вертикально антенны предназначены для излучения и приема, соответственно, горизонтально или вертикально поляризованных волн. В случае несовпадения поляризации волны и антенны будет меняться величина принимаемого сигнала, поскольку будет меняться величина проекции вектора поляризации волны на направление поляризации антенны.

Линейная поляризация имеет две основные формы:

  • в вертикально поляризованной волне электрические силовые линии лежат в вертикальной плоскости;
  • в горизонтально поляризованной волне электрические силовые линии лежат в горизонтальной плоскости.

Максимальный принятый сигнал соответствует ситуации, когда приемная антенна ориентирована в том же направлении, что и передающая.

Рисунок 4. Радиолокатор станции наведения ракет зенитного ракетного комплекса С-125 («Нева»).
Фото взято с сайта www.pvo.guns.ru

Конечно, в дополнении к горизонтальной и вертикальной поляризации, линейная поляризация может принимать и другие, промежуточные между этими двумя основными, направления. В частности, специально выделяются средние положения (под углом 45º):

  • с наклоном +45º и
  • с наклоном -45º.

При использовании проволочной одиночной антенны (штыревой антенны) максимальный принятый сигнал будет соответствовать ситуации, когда антенна ориентирована в пространстве так же, как и плоскость, в которой колеблется вектор электрической напряженности волны. Таким образом, вертикальная антенна используется для эффективного приема вертикально поляризованных волн, а горизонтальная – для приема горизонтально поляризованных.

Круговая поляризация

Рисунок 5. Формирование круговой поляризации.

Рисунок 5. Формирование круговой поляризации. Здесь имеется поясняющая анимация (50 кБайт). Для презентации в классе рекомендуется представление demonstrations.wolfram.com

При круговой поляризации силовые линии электрического поля вращаются на 360° с каждым циклом колебания высокочастотной энергии. Круговая поляризация возникает когда на две линейно поляризованные антенны, развернутые друг относительно друга на 90°, подаются два входных сигнала, сдвинутых по фазе на 90° друг относительно друга (Рисунок 5). Рассмотрение поляризации ведется по электрическому полю, поскольку интенсивность электромагнитной волны обычно измеряют в единицах напряженности электрического поля (вольт, милливольт или микровольт на метр). В некоторых случаях ориентация вектора электрической напряженности не остается постоянной, а вращается вместе с распространением волны в пространстве. В таких условиях существуют как горизонтальные, так и вертикальные компоненты поля, волна имеет эллиптическую поляризацию.

В зависимости от направления вращения вектора напряженности круговая поляризация может быть левой или правой. Волна с круговой поляризацией, отраженная дождевой каплей сферической формы, меняет направление поляризации на противоположное. Приемная антенна не пропускает волну с направлением поляризации, противоположным излученной, тем самым сводя к минимуму сигнал от дождевых капель. Отражение от самолета или другой реальной цели будет иметь существенно большую интенсивность, поскольку форма цели не является сферической.

Для наилучшего приема отраженных сигналов поляризации приемной и передающей антенн должны совпадать. В противном случае возникают значительные потери, на практике достигающие 20 … 30 дБ.

При возникновении сильных помех, вызванных отражениями от гидрометеоров, часто применяют круговую поляризацию (если такая возможность имеется). Это дает возможность снизить влияние маскирования полезного сигнала помехами.

Деполяризация

При рассеянии на цели электромагнитной волны ее поляризация может изменяться. В оптическом диапазоне деполяризацией называют изменения в степени поляризованности частично поляризованной волны при ее рассеянии. Например, рассеянная целью волна может иметь большую степень поляризации чем падающая на нее волна, в этом случае деполяризация имеет отрицательную величину.

Деполяризация также показывает пространственное или временное изменение степени поляризации для полностью поляризованной волны, что означает, что может меняться ориентация плоскости поляризации. В этом значении термин «деполяризация» используется, когда речь идет о когерентных высокочастотных волнах. Двухполяризационные метеорологические радиолокаторы имеют возможность излучать волны на двух ортогональных поляризациях (H или V) и принимать как на той же поляризации так и на кросс-поляризации (ортогональной). В таких случаях используют следующие обозначения приемных каналов:

  • HH — излучается и принимается горизонтальная поляризация;
  • VV — излучается и принимается вертикальная поляризация;
  • HV — излучается горизонтальная, а принимается вертикальная поляризация;
  • VH — излучается вертикальная, принимается горизонтальная поляризация.

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрей Музыченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

RCDetails Blog

О коптерах и не только

Антенна с круговой или с линейной поляризацией, что лучше для FPV?

Антенны можно разделить на категории по виду поляризации: линейная или круговая. В этой статье мы подробно рассмотрим различия между этими видами поляризации.

Виды поляризации

Поляризация определяет вид волн в пространстве. Этот термин очень часто употребляется при обсуждении FPV оборудования.

Линейная поляризация

В этом случае сигнал колеблется горизонтально или вертикально, но только в одной плоскости.

Большинство простых антенн дают линейную поляризацию сигнала: например, стоковые диполи (в комплекте с видео передатчиками и приемниками), или даже домашний Wifi.

Достоинства и недостатки линейной поляризации

Антенны линейной поляризации очень широко распространены благодаря простоте конструкции, что в самом примитивном виде дает просто кусок провода. Эти антенны имеют малый размер, низкую цену, их легко ремонтировать и собирать.

В общем и целом, линейная поляризация отлично подходит для больших расстояний, т.к. вся энергия будет сосредоточена в одной плоскости. Это преимущество не всегда проявляется из-за многолучевого распространения сигнала (многократные переотражения сигнала), но это мы обсудим чуть позже.

Для того чтобы получить максимальный уровень сигнала, антенны приемника и передатчика должны быть расположены параллельно (для максимального перекрытия излучения.

В самом крайнем случае, когда антенна приемника и антенна передатчика расположены под углом 90 градусов друг относительно друга — получаем наименьший уровень сигнала. Результат — потери сигнала в 30 дБ, это кросс поляризация.

Наши коптеры постоянно перемещаются в небе, поэтому невозможно держать антенны параллельно друг другу, следовательно, прием FPV сигнала будет не стабильным.

Круговая поляризация

При круговой поляризации сигнал распространяется в обоих плоскостях (в вертикальной и горизонтальной) со сдвигом фазы на 90 градусов, представить можно в виде штопора.

Посмотрим на наиболее часто используемые антенны для FPV.

Четырехлепестковый клевер (Skew-Planar Wheel antenna) — антенна круговой поляризации, имеет отличную устойчивость к отраженным сигналам. Обычно она используется там, где аэродинамическое сопротивление не критично. Как правило это антенна на приемнике, хотя и на передатчик ее тоже можно поставить.

Трехлепестковый клевер (The Cloverleaf antenna) — обычно используется на передатчиках. Можно комбинировать с четырехлепестковым клевером для увеличения радиуса приема и увеличения качества сигнала.

Достоинства и недостатки круговой поляризации

Сигнал с круговой поляризацией всегда попадает на антенну, т.е. вне зависимости от угла между антенной на квадрике и на приемнике. Именно поэтому антенны с круговой поляризацией — стандарт для FPV.

Еще одно достоинство антенн с круговой поляризацией — это возможность отсекать отраженный сигнал.

Многолучевое распространение сигнала — одна из главных причин плохого качества видео (изменение цвета, помехи, скрэмблированное изображение, двоение и т.п.). Так бывает, когда сигнал отражается от объектов и приходит с другой фазой, при этом смешиваясь с основным сигналом.

Круговая поляризация бывает, как левой (LHCP), так и правой (RHCP). На передатчике и приемнике должны быть антенны с одним и тем же направлением, иначе будет очень сильная потеря сигнала.

Круговая поляризация хорошо защищает от переотраженных сигналов, потому что, когда сигнал отражается от объекта, меняется направление поляризации. Т.е. антенна LHCP отсекает RHCP сигнал и наоборот (кросс поляризация).

Линейная поляризация и круговая, какая антенна лучше для квадрокоптера

Антенны для квадрокоптеров бывают 3 типов поляризации или простыми словами — 2 форм:

  • Поляризация линейная;
  • Поляризация эллиптическая;
  • Поляризация круговая.
  1. Что такое антенна?
  2. Типы поляризации
  3. Линейная поляризация
  4. Круговая поляризация
  5. Какой тип антенн использовать для квадрокоптера?
  6. Выводы

Что такое антенна?

Антенна — металлическое устройство, способное преобразовывать и отправлять энергию высокочастотного колебания от передатчика во внешнюю среду (радиоволны), а также принимать эти частоты и преобразовывать их в высокочастотные колебания.

В этой статье мы подробно опишем, как они устроены и как работают, а также сделаем выбор в пользу одной из поляризаций, с которой можно без проблем летать на квадрокоптере, не опасаясь, что пропадет сигнал.

Типы поляризации

Линейная поляризация

Линейная поляризация — сигнал колеблется только в одной плоскости и только в одном направлении: вертикально или горизонтально.

Как это выглядит? Схема ниже:

Линейная поляризация. Gif Википедия.

Могу с уверенностью сказать, что вы уже имели дело с антеннами, у которых линейная поляризация. Посмотрите на фото ниже:

Роутер с антеннами линейной поляризации

Видеопередатчик с линейной антенной

Если вы уже собирали квадрокоптер, то наверняка видели в комплекте с видеопередатчиками такие антенны.

По факту это просто кусок провода, и на хороший прием можно особо не рассчитывать. Таким образом, этот тип антенн хорош только при направленном действии, то есть передатчик и приемник должны быть в одном направлении, параллельны.

Круговая поляризация

Круговая поляризация — сигнал колеблется в одном из направлений, в вертикальном или горизонтальном, но при этом описывает окружность. Вращение может быть и в левую сторону, и в правую.

Выглядит это вот так:

Круговая поляризация. Gif Википедия.

Круговая поляризация. Фото Википедия.

А сами антенны — это хорошо знакомые вам «клеверы», или их еще называют «грибовидные» антенны, при условии, конечно, что вы уже собирали сами квадрокоптер или просто уже знаете о видах антенн для дрона:

Клевер, антенна

Строение такой антенны:

Строение антенны «клевер»

Какой тип антенн использовать для квадрокоптера?

Почему не рекомендуется использовать на квадрокоптерах антенны с линейной поляризацией? Все дело в физике. Как уже говорилось выше, линейная поляризация работает в одной плоскости, и чтобы сигнал всегда был сильным, приемник (квадрокоптер) и передатчик (пульт) всегда должны быть параллельны. Но это невозможно из-за специфики полетов дрона. Например, сигнал будет очень плохим, если антенны приемника и передатчика будут под углом 90° друг к другу.

Другое дело с круговой поляризацией, у нее охват гораздо шире, уровень сигнала всегда будет на приемлемом уровне, поэтому все пилоты всегда меняют стандартные антенны на «клевер». На большие дроны-долголеты, которым нужна частота 1.2Ггц, ставят большие клеверы:

Клевер 1.2Ггц

Антенны типа «клевер» бывают с 3 лепестками и 4 лепестками:

Антенна клевер: 3 лепестка и 4 лепестка

Антенна с 4 лепестками обычно используется в качестве принимающей, а 3-лепестковая является универсальной и используется в обоих случаях (прием и отправка).

Общий вид на 3 типа поляризации:

Выводы

Надеемся, мы смогли донести до вас эту информацию в простой форме. И запомните, для квадрокоптеров целесообразно использовать антенны с круговой поляризацией, типа «клевер». Если у вас остались вопросы, задавайте в комментариях.