Ciò che è polarizzazione di Antenna e perché si opprime per i collegamenti wireless

Ogni collegamento wireless dipende dalla propagazione delle onde elettromagnetiche tra un trasmettitore e un ricevitore. L'orientamento del componente del campo elettrico di quell'onda è chiamato polarizzazione di antenna diantenna]. I tre tipi di polarizzazione primaria sono lineari] [verticale o orizzontale]]

La scelta della polarizzazione ha un impatto diretto sul bilancio del collegamento, l'immunità delle interferenze e la tolleranza multipath. Quando la polarizzazione dell'onda trasmessa corrisponde alla polarizzazione dell'antenna ricevente, si verifica il trasferimento di potenza massimo.

Comprendere la diversità di polarizzazione: Principi fondamentali e Meccanismi

La diversità di polarizzazione è una tecnica di diversità spaziale che sfrutta il fatto che i segnali che arrivano a un ricevitore dopo diversi percorsi di propagazione spesso espongono diversi stati di polarizzazione. Con l'implementazione di due o più antenne con polarizzazioni ortogonali (ad esempio, verticali e orizzontali, o di sinistra e destra), il sistema può passare alla migliore polarizzazione o combinare i segnali per migliorare la qualità del collegamento generale.

Ci sono due principali approcci di attuazione:

  • Switched Diversità:[] Il ricevitore monitora la forza del segnale su ogni polarizzazione e seleziona quella con il più alto tasso di errore istantaneo o inferiore.
  • Rapporto massimo che combina (MRC):[] Entrambe le polarizzazioni sono contemporaneamente ricevute, ponderate dai loro guadagni complessi del canale, e combinate per massimizzare l'uscita SNR. MRC fornisce un guadagno di diversità teorica fino a 3 dB rispetto alla diversità di selezione.

La diversità di polarizzazione è spesso combinata con altre forme di diversità, come la diversità di frequenza o la diversità spaziale, per migliorare ulteriormente la robustezza.A differenza della diversità spaziale, che richiede separazione fisica tra antenne (tipicamente metà lunghezza d'onda o più), la diversità di polarizzazione può essere realizzata all'interno di un unico contenitore compatto utilizzando antenne a patch bipolari o array cross-dipole.

Metrica chiave: Diversità guadagno e correlazione coefficiente

Il miglioramento della diversità polarizzata richiede due parametri: guadagno di diversità e coefficiente di correlazione di evasione (ECC). Il guadagno di diversità è il miglioramento della media SNR o la riduzione del margine di fade rispetto ad un sistema di monoantenna ad una determinata probabilità cumulativa (1% faing rami).

Come la diversità di polarizzazione migliora l'affidabilità del collegamento

Il vantaggio principale della diversità di polarizzazione è ]la probabilità di deperimento]. In un canale sbiadito, la probabilità che entrambi i rami di polarizzazione contemporaneamente sperimentino una dissolvenza profonda è estremamente bassa. Per un canale di dissolvenza Rayleigh, la probabilità che il segnale combinato scende sotto una soglia può essere ridotta da ordini di magnitudine rispetto ad un singolo ramo.

Oltre a attenuare la dissolvenza, la diversità di polarizzazione aiuta anche a combattere la polarizzazione maltratta causata da disallineamento dell'antenna o da condizioni ambientali mutevoli. Ad esempio, un collegamento a microonde a punto può sperimentare la rotazione del vento di un'antenna di piatto, degradando la polarizzazione verticale.

Mitigazione multipatica e di riflessione

In ambienti interni, i segnali rimbalzano su pareti, pavimenti e superfici metalliche, spesso di ribaltamento o di polarizzazione rotante. Un segnale polarizzato orizzontalmente può arrivare al ricevitore con componenti orizzontali e verticali dopo una riflessione.

Confrontando la diversità di polarizzazione ad altre tecniche di diversità

Gli ingegneri hanno diversi strumenti per migliorare l'affidabilità del collegamento. Capire dove la diversità di polarizzazione si adatta rispetto alla diversità spaziale, alla diversità di frequenza e alla diversità del tempo aiuta nella progettazione del sistema.

  • Diversità spaziale:[[] Richiede antenne multiple separate da almeno mezza lunghezza d'onda per ottenere una bassa correlazione. Fornisce un guadagno eccellente della diversità ma consuma lo spazio fisico. La diversità di polarizzazione può essere implementata in molto meno spazio.
  • La diversità di frequenza:[] Utilizza più vettori o canali per evitare profonde dissolvenze. Forte contro la dissolvenza selettiva della frequenza, ma consuma risorse spettrali e può richiedere modem più complessi.
  • Diversità del tempo:[] Si basa sulle ritrasmissioni o sull'interleaving per combattere la lenta dissolvenza.
  • La diversità di polemizzazione:[] Offre un buon equilibrio di efficienza spaziale, bassa latenza e guadagno significativo della diversità, soprattutto in scenari di dispersione o disallineamento ricchi.

Molti moderni standard wireless, tra cui 802.11n/ac/ax (Wi‐Fi), 4G LTE e 5G NR, incorporano la diversità di polarizzazione come parte delle loro architetture multi-uscita (MIMO) a più ingressi. Ad esempio, un sistema MIMO 2×2 utilizza spesso due antenne con polarizzazioni ortogonali per raggiungere sia i guadagni di molteplicità che di spazio.

Pratico attuazione passi per la diversità di polarizzazione

La diffusione di un sistema di diversità di polarizzazione comporta un'attenta pianificazione e test. Seguire queste linee guida per massimizzare i vantaggi:

Selezionare le antenne giuste

Le antenne circolari a doppia polarizzazione sono ampiamente disponibili per varie bande di frequenza. Per diversità di polarizzazione lineare, scegliere le antenne con i modelli di radiazione verticale e orizzontale.

Configurare l'apparecchiatura radio

Molte radio moderne includono due catene RF che possono essere configurate per la diversità di polarizzazione. In una configurazione tipica, una catena è assegnata alla polarizzazione verticale e l'altra a orizzontale. Il processore della banda di base implementa quindi la diversità combinando l'algoritmo. Assicurarsi che le impostazioni del firmware o del software consentano la diversità di modalità piuttosto che di flussi spaziali separati (MIMO).

Luogo di Orientamento e Orientamento dell'antenna

L'orientamento fisico è importante nonostante la diversità. Montare l'antenna bipolarizzata in modo che la sua polarizzazione di riferimento si allinei con il percorso di propagazione dominante previsto. Per i collegamenti esterni, considerare l'effetto della struttura di montaggio sul modello di radiazione. Evitare di posizionare le antenne vicino a grandi oggetti metallici che potrebbero bloccare una polarizzazione più di un altro.

Test e ottimizzazione

Dopo l'installazione, eseguire test di prestazione del collegamento in varie condizioni: linea chiara di vista, ostruita, e durante diversi periodi del giorno. Utilizzare un analizzatore di spettro o registri RSSI incorporati per confrontare i livelli di segnale su ogni ramo di polarizzazione. Idealmente, entrambi i rami dovrebbero mostrare una potenza media simile (nel 3-5 dB) per garantire la combinazione quasi ottimale. Se un ramo è rami di posizionamento dell'antenna costantemente più debole, controllare per danni fisici di inclinazione ostruttivi o antenna.

Case study: Migliorare un collegamento rurale

Considerare un provider di servizi Internet rurale che impiega un collegamento punto-punto 5.8 GHz che spazia a 10 km sul terreno rotabile. Il collegamento ha subito interruzioni intermittenti durante i giorni venti, causati da vibrazioni di albero e antenna. Sostituendo il piatto di illustrazione singola esistente con un corno di alimentazione a doppio polarizzazione e consentendo la diversità di polarizzazione a entrambe le estremità, il fornitore ha raggiunto una disponibilità di collegamento del 99,99% (precedentemente il 99 %.

Argomenti avanzati: Circolare vs. Diversità di polarizzazione lineare

La scelta tra la diversità di polarizzazione lineare e circolare dipende dall'ambiente di applicazione. La diversità di polarizzazione lineare è più semplice da implementare e si esibisce bene in ambienti in cui i diffusori dominanti (ad esempio, edifici, terra) producono quantità approssimativamente uguali di energia verticale e orizzontale. Tuttavia, in ambienti altamente rotanti (ad esempio, aerei, satelliti, telefoni cellulari), fasmatch di polarizzazione lineare rapido

Per la copertura wireless di costruzione, alcuni fornitori utilizzano [ agilità di polarizzazione[[] – la capacità di passare dinamicamente tra polarizzazione lineare e circolare basata sulle misurazioni dei canali in tempo reale.

Riduzione dell'interferenza e riutilizzo dello spettro

Oltre all'affidabilità, la diversità di polarizzazione può ridurre le interferenze co-canale. Nelle reti cellulari e Wi-Fi, le celle adiacenti o AP possono essere assegnate polarizzazioni ortogonali per ridurre le interferenze. Ad esempio, la cella A utilizza polarizzazione verticale per il downlink mentre la cella B utilizza orizzontale. Questo riutilizzo basato sulla polarizzazione può effettivamente raddoppiare la capacità nelle distribuzioni dense senza richiedere uno spettro aggiuntivo.

Limitazioni e considerazioni

La sua efficacia dipende dall'ambiente di propagazione sufficientemente ricco per decorare le polarizzazioni. In linea di linea altamente direzionale-di-sight collegamenti con nessun ostacolo, il guadagno della diversità può essere minimo perché le due polarizzazioni sono fortemente correlate - entrambi sbiadiscono insieme se il percorso è bloccato. In tali casi, la diversità spaziale o una combinazione di tecniche è più appropriata. Inoltre, la perdita di budget a doppia polarizzazione rispetto a singole complessità hanno spesso un inserimento più elevato

Un'altra considerazione è interferenze trapolari (XPI)]. Nei sistemi a doppia polarizzazione, i due porti non sono perfettamente isolati. Alcune energie dalle coppie di porta verticali trasmettono nella porta orizzontale ricevono e viceversa. L'alto XPI (basso accoppiamento) è auspicabile per impedire che un foglio corrutti l'altro.

Il futuro della diversità di polarizzazione nei sistemi wireless

Poiché le frequenze si muovono più in alto in bande di onde millimetriche (mmWave) orizzontali (GHz, 39 GHz, 60 GHz), la diversità di polarizzazione diventa ancora più critica perché la propagazione è altamente suscettibile di bloccare e di rotazione effetti. Molte stazioni di base di 5G mmWave utilizzano già array bipolari per mantenere la disponibilità del collegamento.

Per ora, la diversità di polarizzazione rimane uno dei modi più pratici e convenienti per migliorare l'affidabilità del collegamento wireless. Se si sta costruendo un backhaul fisso, una rete Wi‐Fi del campus, o un sistema privato 5G, l'integrazione di antenne a doppio polarizzazione e la trasformazione della diversità può ridurre significativamente gli outage e migliorare l'esperienza dell'utente.

La diversità di polarizzazione di Antenna è una tecnica matura e ben compresa che affronta alcune delle sfide più persistenti nelle comunicazioni wireless: dissolvenza, polarizzazione maltrattamento e interferenze multipath.

Quando si pianifica un nuovo collegamento wireless o una risoluzione dei problemi esistenti, si consideri se la diversità di polarizzazione può risolvere i problemi di affidabilità che si sta affrontando. Combinalo con altre forme di diversità come necessario. Con la scelta dell'antenna giusta, l'installazione corretta e la configurazione ponderata, la diversità di polarizzazione può trasformare un collegamento instabile in un canale di comunicazione robusto che soddisfa le esigenze delle applicazioni moderne.