Как анализировать свойства поляризации в микрополосах и слот-антеннах для конкретных случаев использования

Введение в анализ поляризации в микрополосах и слот-антеннах

Анализ поляризующих свойств микрополосы и слот-антенны является критическим аспектом конструкции антенны, который непосредственно влияет на производительность системы в различных приложениях. От спутниковой связи и радиолокационных систем до беспроводных сетей и инфраструктуры 5G, понимание и оптимизация характеристик поляризации обеспечивает надежную передачу сигнала, минимизирует помехи и максимизирует общую эффективность. В этом всеобъемлющем руководстве рассматриваются фундаментальные концепции, аналитические методы, методы измерения и практические соображения для оценки поляризации в этих широко используемых конфигурациях антенн.

Поляризация представляет собой одно из самых фундаментальных электромагнитных волновых свойств, описывающее ориентацию и поведение вектора электрического поля при распространении в пространстве.Для микрополосы и слот-антенны, которые стали повсеместными в современных беспроводных системах из-за их низкого профиля, легкой конструкции и простоты интеграции с плоскими цепями, правильный анализ поляризации необходим для соответствия характеристик антенн конкретным требованиям применения.

Понимание основ поляризации антенн

Что такое поляризация антенн?

Поляризация относится к ориентации и изменяющему время поведению вектора электрического поля электромагнитной волны. В антенных системах поляризация описывает, как электрическое поле колеблется, когда волна излучается от передающей антенны или поступает в приемную антенну. Это свойство имеет решающее значение, поскольку несоответствие поляризации между передающей и принимающей антеннами может привести к значительной потере сигнала, даже когда антенны идеально выровнены в других отношениях.

Поляризация антенны определяется физической структурой излучающего элемента и методом возбуждения.Для антенн микрополосы, состоящих из металлического пластыря на диэлектрической подложке над плоскостью земли, на поляризацию в первую очередь влияют геометрия пластыря, расположение корма и техника подачи. Прямоугольная микрополосатая антенна обычно излучает линейно поляризованную волну с усилением около 6-7 дБи на широкой стороне.

Слотовые антенны, являющиеся комплементарными к дипольным антеннам структурами по принципу Бабине, проявляют поляризованные характеристики перпендикулярно ориентации слота. Волны линейно поляризованы перпендикулярно оси слота. Эта фундаментальная связь между геометрией слота и поляризацией обеспечивает конструкторам предсказуемый контроль над ориентацией излучаемого поля.

Типы поляризации в микрополосах и слот-антеннах

Поляризация антенны может быть разделена на три основных типа, каждый из которых имеет различные характеристики и приложения:

Линейная поляризация

Линейная поляризация происходит, когда вектор электрического поля колеблется вдоль фиксированной плоскости по мере распространения волны. Это наиболее распространенный тип поляризации для базовых конфигураций микрополосы и слот-антенны. Поляризация слот-антенны является линейной. Линейная поляризация может быть ориентирована вертикально, горизонтально или под любым углом между ними, в зависимости от физической ориентации и конструкции антенны.

Для антенн микрополосок линейная поляризация естественным образом достигается с прямоугольными или квадратными патчами, подаваемыми в соответствующих местах. Электрическое поле выравнивается с направлением потока тока на патче, создавая предсказуемую ориентацию поляризации. Линейная поляризация является предпочтительной в приложениях, где выравнивание антенны может контролироваться и поддерживаться, таких как линии связи между точками и стационарные беспроводные установки.

Круговая поляризация

Круговая поляризация представляет собой более сложное состояние поляризации, в котором вектор электрического поля вращается по мере распространения волны, прослеживая круговой или спиральный путь через пространство. Это вращение может происходить в двух направлениях: правая круговая поляризация (RHCP) или левая круговая поляризация (LHCP). Двойная круговая поляризация - это генерация как RHCP (правая круговая поляризация), так и LHCP (левая поляризация) с использованием одной и той же антенны для повторного использования частоты или многообразия приложений.

Круговая поляризация выгодна, поскольку текущие и будущие коммерческие и военные приложения требуют дополнительной свободы проектирования, не требующей выравнивания вектора электрического поля в местах приема и передачи.Это делает круговую поляризацию особенно ценной для спутниковой связи, систем GPS и мобильных приложений, где поддержание точной ориентации антенны нецелесообразно.

Для достижения круговой поляризации в микрополосатых антеннах требуется генерирование двух ортогональных компонентов электрического поля одинаковой величины с разностью фаз 90 градусов. Для кругового поляризационного излучения пластырь должен поддерживать ортогональные поля одинаковой величины, но в фазовой квадратуре. Это может быть достигнуто с помощью различных методов проектирования, включая усечение угла, вставку слота или конфигурации с двумя кормами.

Эллиптическая поляризация

Эллиптическая поляризация представляет собой промежуточное состояние между линейной и круговой поляризацией, где вектор электрического поля прослеживает эллиптический путь по мере распространения волны.Это происходит, когда два компонента ортогонального поля имеют неравные величины или когда их разность фаз отклоняется от идеальных 90 градусов, необходимых для круговой поляризации. Большинство практических антенн, предназначенных для круговой поляризации, фактически производят эллиптическую поляризацию на большей части своей рабочей полосы пропускания, приближаясь к истинной круговой поляризации только на определенных частотах.

Ключевые параметры и метрики поляризации

Для количественной оценки поляризации требуется понимание нескольких критических параметров, характеризующих, насколько хорошо антенна достигает своего предполагаемого состояния поляризации.Эти показатели обеспечивают объективные меры для сравнения конструкций и обеспечения соответствия системным требованиям.

осевое отношение

Осевое отношение (AR) является наиболее важной метрической величиной для характеристики чистоты круговой поляризации. Оно представляет собой отношение главной оси к малой оси эллипса поляризации, прослеженное вектором электрического поля. Для идеальной круговой поляризации осевое отношение равно 1 (или 0 дБ при выраженной логарифмически). На практике круговая поляризация считается приемлемой, когда осевое отношение составляет 3 дБ или менее, то есть главная ось не более чем в два раза длиннее малой оси.

Местоположение корма и способ подачи определяют пропускную способность импеданса и осевое отношение, которое представляет собой отношение малой и большой оси поляризационного круга или эллипса, и оно должно быть менее 3 дБ, решает поляризацию.Осевое отношение изменяется с частотой и углом наблюдения, поэтому его необходимо оценивать по всей рабочей полосе пропускания и представляющей интерес модели излучения.

Ширина полосы осевого отношения (ARBW) определяет диапазон частот, в котором антенна поддерживает приемлемые характеристики круговой поляризации. Полезная полоса пропускания - это перекрытие полосы пропускания осевого отношения и полосы пропускания импеданса. Это перекрытие определяет практический рабочий диапазон, в котором антенна одновременно достигает хорошего соответствия импедансу и чистоты поляризации.

Межполярная дискриминация

Дискриминация по кросс-поляризации (XPD) или уровень кросс-поляризации измеряет количество нежелательного компонента поляризации относительно желаемой поляризации. Кросс-поляризация - нежелательная поляризация антенны. Кросс-поляризованный компонент электрического поля перпендикулярен ко-поляризованному компоненту. Высокие уровни кросс-поляризации могут вызывать помехи, уменьшать емкость системы и ухудшать качество сигнала.

Разница между совместной и кроссполяризацией называется поляризованной изоляцией. Лучшая поляризованная изоляция указывает на превосходную производительность антенны, при типичных требованиях в диапазоне от 15 дБ до 30 дБ в зависимости от приложения. Продвинутые конструкции могут достичь еще лучшей производительности, при измеренном XPD в дальнем обзоре антенны превышает 25,6 дБ во всех плоскостях для высокопроизводительных реализаций слот-решетки.

Поперечная поляризация — мера поляризации чистоты кольцевой поляризованной антенны.Для поляризованных кольцевых антенн кросс-поляризация представляет собой противоположную по отношению к кольцевой поляризации компонент, который следует минимизировать для предотвращения деградации сигнала и помех.

Поляризация Tilt Angle

Для линейно поляризованных антенн угол наклона поляризации описывает ориентацию вектора электрического поля относительно оси отсчета, как правило, горизонтальной или вертикальной. Этот параметр имеет решающее значение для обеспечения правильного выравнивания передающих и принимающих антенн. Даже небольшие отклонения от предполагаемого угла поляризации могут привести к потере несоответствия поляризации.

В некоторых приложениях для достижения конкретных системных целей используется преднамеренный наклон поляризации. Например, наклонная поляризация при 45 градусах иногда используется в сотовых базовых станциях для обеспечения равной связи как с вертикально, так и с горизонтально поляризованными мобильными устройствами. Антенна достигает надежной линейной 45° поляризации в заданном диапазоне частот, поддерживая AR не менее 24,4 дБ.

Возвратная потеря и совпадение импеданса

Хотя это не является строго параметром поляризации, обратная потеря (или коэффициент отражения S11) тесно связана с производительностью поляризации. Плохое соответствие импеданса может искажать распределение тока на антенне, влияя на поляризацию излучаемого поля. Возвратная потеря ниже -10 дБ обычно требуется для приемлемой работы антенны, гарантируя, что по меньшей мере 90% входной мощности излучается, а не отражается.

Для поляризованных по кругу конструкций достижение хорошего соответствия импеданса по той же полосе пропускания, что и спецификация осевого отношения, представляет собой значительную проблему проектирования. ширина полосы пропускания импеданса и осевого отношения должна перекрываться, чтобы создать пригодный для использования рабочий диапазон, где оба параметра соответствуют их спецификациям одновременно.

Методы анализа поляризации на основе моделирования

Современная конструкция антенн в значительной степени опирается на инструменты электромагнитного моделирования, которые позволяют проводить детальный анализ поляризации перед физическим прототипированием. Эти вычислительные методы дают представление о поведении антенн, которое было бы трудно или невозможно получить только путем измерения.

Полноволновое электромагнитное моделирование

Полноволновые электромагнитные симуляторы решают уравнения Максвелла численно, чтобы предсказать производительность антенны с высокой точностью.Популярные коммерческие инструменты включают ANSYS HFSS, CST Microwave Studio и MATLAB Antenna Toolbox, каждый из которых использует различные численные методы, такие как метод конечных элементов (FEM), метод конечной интеграции (FIT) или метод моментов (MoM).

Эти тренажеры могут вычислять полную трехмерную картину излучения, включая характеристики поляризации под любым углом наблюдения. Они вычисляют как сополяризованные, так и кроссполяризованные компоненты поля, что позволяет напрямую оценивать чистоту поляризации, осевое соотношение и перекрестную поляризацию по всей радиационной сфере.

Для кругового поляризованного анализа антенн инструменты моделирования могут генерировать модели осевого отношения, показывающие, как чистота поляризации изменяется с углом наблюдения. В этой статье предлагается новая техника анализа, которая демонстрирует 3D-образец осевого отношения для генерации CP в направлении с широкой стороны, обеспечивая всестороннюю визуализацию производительности поляризации во всей области покрытия антенны.

Параметрический анализ и оптимизация

Инструменты моделирования позволяют проводить параметрические исследования, в которых конструктивные переменные систематически изменяются, чтобы понять их влияние на производительность поляризации.Для антенн микрополосы критические параметры включают размеры патчей, толщину подложки и проницаемость, местоположение подачи и любые элементы возмущения, используемые для достижения круговой поляризации.

Алгоритмы оптимизации могут автоматически регулировать эти параметры для достижения желаемых характеристик поляризации при сохранении других требований к производительности.Многообъективная оптимизация может одновременно оптимизировать полосу пропускания осевого соотношения, полосу пропускания импеданса, коэффициент усиления и эффективность, находя дизайнерские решения, которые уравновешивают конкурирующие требования.

Текущий дистрибутивный анализ

Изучение распределения поверхностного тока на элементах антенны дает ценную информацию о поведении поляризации. Для круговой поляризации распределение тока должно демонстрировать два ортогональных режима с равной амплитудой и 90-градусной разницей фаз. Визуализация величины тока и фазы в разные моменты времени показывает, успешно ли антенна генерирует шаблон вращающегося поля, необходимый для круговой поляризации.

Анализ распределения тока также помогает идентифицировать источники кросс-поляризации. Асимметрии в текущем образце или нежелательные компоненты тока могут указывать на конструктивные недостатки, которые ухудшают чистоту поляризации. Эта информация направляет изменения дизайна для повышения производительности.

Анализ ближнего и дальнего полей

Электромагнитные тренажеры могут вычислять как ближние, так и дальние распределения. Анализ ближнего поля выявляет структуру поля в непосредственной близости от антенны, что полезно для понимания механизмов связи и поведения питающей сети. Анализ дальнего поля обеспечивает картину излучения и поляризацию характеристик, определяющих производительность антенны в системах связи.

Связь между поляризацией ближнего и дальнего полей может быть сложной, особенно для антенн с суперстратами или другими структурами, которые изменяют излучаемое поле.Моделирование позволяет исследовать, как поляризация развивается от поверхности антенны до области дальнего поля, обеспечивая достижение желаемой поляризации там, где это имеет наибольшее значение.

Методы измерения характеристик поляризации

Хотя моделирование дает ценные прогнозы, экспериментальные измерения по-прежнему необходимы для проверки производительности антенн и характеристики изготовленных прототипов. Несколько подходов к измерениям могут характеризовать свойства поляризации с различными уровнями сложности и точности.

Вращающийся метод линейной поляризации

Метод вращающейся линейной поляризации представляет собой один из самых простых подходов к измерению поляризации. Тогда мы будем использовать линейно поляризованную антенну (обычно полуволновую дипольную антенну) в качестве приемной антенны. Линейно поляризованная приемная антенна будет вращаться, а принятая мощность записываться как функция угла приемной антенны.

Для этого измерения испытываемая антенна служит передатчиком, а линейно поляризованная опорная антенна выступает в качестве приемника. Опорная антенна вращается на 360 градусов при записи принятой мощности в каждом угловом положении. Полученный рисунок выявляет поляризующие характеристики тестовой антенны.

Для линейно поляризованной антенны принятая мощность демонстрирует четкий максимум, когда эталонная антенна выравнивается с поляризацией тестовой антенны и минимумом (в идеале нулевым) при ортогональной ориентации. Соотношение между максимальной и минимальной мощностью указывает на чистоту поляризации. Для поляризованных по кругу антенн принятая мощность должна оставаться относительно постоянной при повороте эталонной антенны с вариациями, указывающими отклонение от идеальной круговой поляризации.

Измерение поляризации трех антенн

Метод трёх антенн обеспечивает более полную поляризацию, измеряя реакцию антенны на три ортогональных поляризационного состояния, при этом данная методика может полностью охарактеризовать эллипс поляризации, определяя как осевое соотношение, так и ориентацию главной оси.

Измерение требует записи амплитуды и фазы принятого сигнала для трех различных состояний поляризации передающей антенны (или трех различных ориентаций линейно поляризованной опорной антенны). Математическая обработка этих трех измерений дает полное состояние поляризации, включая осевое отношение, угол наклона и ощущение вращения для эллиптической или круговой поляризации.

Анехические измерения камеры

Профессиональная характеристика антенны обычно происходит в безэховых камерах - специально спроектированных помещениях с радиопоглощающим материалом на всех поверхностях для устранения отражений и создания контролируемой электромагнитной среды. Эти средства позволяют точно измерять образцы излучения и характеристики поляризации без помех от внешних сигналов или многолучевых отражений.

Современные безэховые камеры часто включают автоматизированные системы позиционирования, которые могут вращать антенну, подвергающуюся испытанию, через полный сферический рисунок при записи полевых компонентов.Двуполяризованные опорные антенны могут одновременно измерять оба компонента поляризации, что позволяет эффективно охарактеризовать полный образец поляризации.

Для поляризованных по кругу антенн измерения обычно используют поляризованные по кругу опорные антенны как правого, так и левого толка.Отношение принимаемой мощности для двух чувств напрямую указывает на осевое отношение и поляризованную чистоту испытываемой антенны.

Анализатор измерений сети векторов

Анализаторы векторных сетей (ВНА) измеряют как величину, так и фазу передаваемых и отражённых сигналов, обеспечивая полную характеристику параметров импеданса и рассеяния антенн. Для поляризационного анализа измерения ВНА могут характеризовать связь между ортогональными портами в двухполяризованных антеннах или измерять фазовую зависимость между точками подачи в круговополяризованных конструкциях.

Измерения изоляции портов показывают, насколько хорошо ортогональные поляризации разделены в двухполяризованных антенных системах. Высокая изоляция (обычно лучше, чем 20-30 дБ) указывает на хорошую чистоту поляризации и минимальную связь между каналами поляризации. Изоляция составляет менее -15 дБ в пределах рабочей полосы пропускания.

Техники проектирования для круговой поляризации в антеннах микрополосы

Достижение круговой поляризации в микрополосатых антеннах требует тщательной разработки для создания двух ортогональных полевых компонентов с одинаковой величиной и 90-градусной разницей фаз. Несколько проверенных методов достигают этой цели, каждый из которых имеет различные преимущества и компромиссы.

Метод усечения углов

Усечение углов представляет собой один из самых популярных однокормовых методов генерации круговой поляризации в микрополосатых патч-антеннах. Этот метод предполагает удаление небольших треугольных или изогнутых участков из двух противоположных углов квадратного или почти квадратного патча. Усеченные углы микрополосатой патч-антенны являются лучшим выбором для малого осевого соотношения с узкоосевым отношением полосы пропускания, что делает его подходящим для приложений, где компактные размеры и простота являются приоритетами.

Угловое усечение возмущает геометрию пластыря, расщепляя вырожденные ортогональные режимы квадратного пластыря и внося разницу фаз между ними.Тщательно выбирая размер усечения и местоположение корма, конструкторы могут добиться требуемой 90-градусной разности фаз и равной амплитуды для двух режимов, что приводит к круговой поляризации.

Основным преимуществом углового усечения является его простота - он требует только одной точки подачи и может быть реализован с помощью простых процессов изготовления. Однако метод обычно обеспечивает относительно узкую полосу пропускания осевого соотношения по сравнению с более сложными подходами, ограничивая его использование в широкополосных приложениях.

Слот-ориентированные техники

Включение слотов в геометрию пластыря предлагает еще один эффективный подход для достижения круговой поляризации. Кросс-формированные щели дают круговую поляризацию с хорошей полосой осевого соотношения (Nasimuddin и Qing 2012). Кросс-формированные щели дают круговую поляризацию с хорошей полосой осевого соотношения, демонстрируя эффективность этой техники для широкополосных приложений.

Исследованы различные конфигурации слотов, в том числе кросс-образные слоты, диагональные слоты, I-образные слоты и более сложные геометрии. Размеры слотов, ориентация и положение на патче определяют связь между ортогональными режимами и результирующими поляризованными характеристиками. Слоты обеспечивают гибкость конструкции и могут достигать более широкой полосы пропускания осевого отношения, чем простое усечение угла.

Для самих слот-антенн круговая поляризация может быть достигнута с помощью аналогичных методов возмущения. Свойство круговой поляризации (CP) может быть достигнуто путем введения соответствующей индуктивности под определенным углом через кольцевой слот. Это демонстрирует, как реактивная нагрузка может изменять характеристики поляризации слот-антенны.

Техника двойной подачи

В двухкормовых конфигурациях используются две отдельные точки подачи, расположенные для возбуждения ортогональных режимов пластыря. 90-градусный гибридный соединитель или другая фазово-сменная сеть обеспечивает требуемую четырехугольную фазовую связь между двумя каналами. Такой подход обеспечивает превосходный контроль над поляризацией характеристик и может достигать широкой полосы пропускания осевого отношения.

Основным недостатком технологий двойного питания является повышенная сложность по сравнению с однокормовыми конструкциями. Сеть подачи требует дополнительного пространства и вносит потери, снижающие эффективность антенны. Однако для приложений, требующих превосходной поляризации производительности или поляризации реконфигурируемости, добавленная сложность часто оправдана.

Для перенастраиваемых поляризованных антенн используются переключающие элементы, такие как PIN-диоды или RF-MEMS-переключатели, которые динамически изменяют состояние поляризации. Используя только два PIN-диода, предлагаемая антенна может создавать однонаправленные пучки с различными поляризациями, включая линейно поляризованные (LP), лево- и правосторонние круговые поляризованные (LHCP, RHCP) режимы. Эта возможность позволяет адаптивным системам оптимизировать поляризацию для изменения условий канала или поддерживать несколько стандартов поляризации.

Кормление с близкой связью

Методы подачи с близкой связью могут повысить производительность полосы пропускания для поляризованных по кругу антенн микрополосы. Метод подачи с близкой связью используется для возбуждения предлагаемой антенны микрополосы, чтобы обеспечить большую полосу пропускания антенны -10 дБ, которая приближается к 10,8% (3,48-3,87 ГГц). Этот метод подачи уменьшает ложное излучение от сети подачи и обеспечивает лучшее соответствие импеданса по более широким полосам пропускания.

При близком соединении линия подачи расположена на отдельном слое подложки под излучающим пластырем, связывая энергию через диэлектрик, а не через прямое электрическое соединение.Эта конфигурация уменьшает нежелательное соединение с режимами более высокого порядка и обеспечивает дополнительную степень свободы для оптимизации как импеданса, так и пропускной способности осевого отношения.

Поляризация для Slot Antennas

Слот-антенны обладают поляризованными характеристиками, которые дополняют их дипольные аналоги по принципу Бабине.Понимание этих уникальных свойств имеет важное значение для эффективной конструкции и анализа слот-антенны.

Основной слот Antenna Polarization

Простая слот-антенна, разрезанная на плоскости земли, производит линейную поляризацию, перпендикулярную длинной оси слота. Поляризация слот-антенны является линейной. Это фундаментальное соотношение обеспечивает интуитивный контроль над ориентацией поляризации — вращая слот, вращает поляризацию соответственно.

Для волноводных слот-машин ориентация и положение слота относительно стенок волновода определяют как прочность соединения, так и поляризацию. Положение, форма и ориентация слотов будут определять, как (или если) они излучают. Слоты, расположенные для прерывания потока тока на стенках волновода, излучают эффективно, в то время как слоты, выровненные с потоком тока, производят минимальное излучение.

Круговая поляризация в слот-антеннах

Достижение круговой поляризации в слот-антеннах требует аналогичных принципов, как микрополосы, генерирующие два ортогональных компонента поля с одинаковой величиной и квадратурной фазой. Различные методы достигают этой цели, включая асимметричные формы слота, паразитные элементы и реактивную нагрузку.

Слоты кольцевых кольцевых каналов обеспечивают естественную геометрию для генерации круговой поляризации. Свойство круговой поляризации (CP) может быть достигнуто путем введения соответствующей индуктивности под определенным углом по кольцевому слоту. В конструкции два PIN-диода включены для обеспечения требуемой индуктивности, и в то же время поляризация антенны может быть переключена путем управления состоянием диодов. Этот подход обеспечивает реконфигурируемость поляризации с минимальной дополнительной сложностью.

Т-образные слоты и другие асимметричные конфигурации также могут генерировать круговую поляризацию. Асимметрия создает необходимую связь между ортогональными режимами, при этом степень асимметрии контролирует осевое соотношение и поляризацию. Излучающий элемент, показанный на рис.1, используется для получения правостороннего CP (RHCP). Для получения левостороннего кругового поляризации (LHCP) положение паразитного элемента должно зеркально отражаться относительно центральной оси активного слота.

Слот Array Polarization Performance

Слот-массивы могут достигать отличной поляризации производительности за счет тщательной разработки отдельных элементов и сети подачи массивов. Как показали экспериментальные и смоделированные результаты, существует 3-дБ осевое соотношение (AR) полосы пропускания и импедансная полоса пропускания 6,6%, охватывающая частотный диапазон от 58 до 62 ГГц. Таким образом, достигается эффективность до 90% и пиковый прирост 29,2 дБи. Эти результаты демонстрируют, что слот-массивы могут обеспечить высокую производительность для требовательных приложений.

Подавление кроссполяризации в слот-машинах выигрывает от присущей им симметрии хорошо спроектированных конфигураций массивов. Можно заметить, что антенна с массивом достигает кроссполяризации менее −35 дБ как в плоскостях xoz, так и в плоскостях yoz, при этом уровень боковой ширины удерживается на 15 дБ ниже, чем у основной доли. Такая исключительная производительность кроссполяризации обеспечивает минимальную помеху и высокое качество сигнала.

Требования к поляризации конкретных приложений

Различные приложения предъявляют различные требования к поляризации, основанные на их эксплуатационных характеристиках, среде распространения и архитектуре системы. Понимание этих требований направляет выбор антенн и оптимизацию конструкции.

Спутниковая связь

Системы спутниковой связи преимущественно используют круговую поляризацию из-за ряда непреодолимых преимуществ. Круговая поляризация устраняет необходимость точного выравнивания антенн между наземными станциями и спутниками, что особенно ценно, учитывая относительное движение между спутниками и наземными терминалами.Кроме того, круговая поляризация обеспечивает иммунитет к вращению Фарадея в ионосфере, что может вызвать значительное поляризованное вращение для линейно поляризованных сигналов.

Спутниковые системы часто используют как RHCP, так и LHCP для обеспечения повторного использования частоты — одна и та же полоса частот может нести два независимых канала с противоположными круговыми поляризациями. Изоляция между круговыми поляризациями противоположного чувства обеспечивает разделение каналов, необходимое для этой схемы повторного использования частоты. Типичные требования требуют осевого отношения лучше, чем 3 дБ по области покрытия и перекрестной поляризации, превышающей 20-25 дБ.

5G и беспроводные коммуникации

Современные системы беспроводной связи, включая сети 5G, все чаще используют передовые методы поляризации для повышения пропускной способности и производительности. Двуполяризованные антенны обеспечивают разнообразие поляризации и работу MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), умножая пропускную способность системы без необходимости дополнительного спектра.

В данной работе одноэлементная и микрополосатая антенна MIMO с двумя парами неравных щелей предлагается в качестве поляризованной по кругу антенны с незначительным обратным излучением для телефонов среднего диапазона 5G. Неравные пары щелей выгравированы на антенном патче, чтобы гарантировать наличие круговой поляризации (CP). Это демонстрирует, как круговая поляризация может быть интегрирована в компактные антенные конструкции для мобильных устройств.

Для антенн базовых станций перекрестная поляризация имеет решающее значение для минимизации помех между каналами поляризации. Требования обычно определяют XPD лучше, чем 15-20 дБ, для обеспечения надежной двухполяризованной работы. Поляризация должна оставаться стабильной по всей зоне покрытия антенны и рабочей полосе пропускания.

Радарные системы

Радарные приложения используют различные схемы поляризации в зависимости от конкретных требований миссии. Погодный радар часто использует двойную поляризацию для различения различных типов осадков и повышения точности измерений.Поляризирующие характеристики возвращаемых сигналов дают информацию о форме цели, ориентации и свойствах материала.

Системы радаров с синтетической апертурой (SAR) могут использовать несколько комбинаций поляризации (HH, VV, HV, VH) для извлечения максимальной информации из целевых сцен. Полариметрический SAR может различать различные типы местности, растительности и искусственных структур на основе их поляризованных сигнатур. Эти приложения требуют превосходной чистоты поляризации и точного контроля состояния поляризации.

GNSS и навигация

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), включая GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, используют правую круговую поляризацию для своих сигналов нисходящей линии связи. Поэтому приемники GNSS должны использовать антенны RHCP для максимального приема сигнала. Требование осевой пропорции обычно составляет 3 дБ или лучше по верхнему полушарию, чтобы обеспечить надежное получение сигнала со спутников на всех углах возвышения.

Отторжение по мультипатам представляет собой еще одно важное соображение для антенн GNSS. Сигналы, отраженные от земли или близлежащих структур, часто подвергаются развороту поляризации, становясь левосторонними круговыми поляризациями. Антенна с хорошим осевым отношением и высоким отторжением LHCP может подавлять эти многолучевые сигналы, улучшая точность позиционирования.

Передовые методы анализа поляризации

Помимо базовой поляризации, несколько передовых методов анализа обеспечивают более глубокое понимание поведения антенн и позволяют оптимизировать сложные конструкции.

Характерный анализ режима

Анализ характерного режима (CMA) разлагает распределение тока на антенной структуре на набор ортогональных режимов, каждый с различными резонансными частотными и радиационными характеристиками. Этот метод обеспечивает физическое понимание того, как различные части антенной структуры способствуют излучению и поляризации.

Для анализа поляризации CMA показывает, какие режимы способствуют желаемой поляризации и какие режимы генерируют нежелательную перекрестную поляризацию. Эта информация направляет модификации дизайна для улучшения желаемых режимов при подавлении проблемных. CMA особенно ценен для понимания сложных геометрий антенн, где интуитивные подходы к проектированию могут быть недостаточными.

Сфера Пуанкаре Представительство

Сфера Пуанкаре обеспечивает геометрическое представление состояний поляризации, отображая все возможные поляризации на поверхности сферы. Линейные поляризации лежат на экваторе, круговые поляризации на полюсах и эллиптические поляризации в других местах сферы. Эта визуализация помогает понять преобразования поляризации и взаимосвязь между различными состояниями поляризации.

Отслеживание того, как поляризация антенн движется по сфере Пуанкаре по мере изменения частоты, дает представление об ограничениях полосы пропускания и возможностях оптимизации.В идеале круговая поляризованная антенна должна поддерживать положение вблизи одного из полюсов по всей своей рабочей полосе пропускания, с отклонениями, указывающими на ухудшенное осевое отношение.

Анализ поляризации временных доменов

Хотя большинство поляризационного анализа происходит в частотной области, методы временной области могут обеспечить взаимодополняющие идеи. Изучение того, как вектор электрического поля развивается во времени, непосредственно раскрывает эллипс поляризации и может идентифицировать переходные эффекты, которые могут быть не очевидны в анализе частотной области.

Анализ временной области особенно ценен для понимания импульсных или сверхширокополосных систем, где поляризация может значительно различаться по полосе пропускания сигнала, а также может выявить искажения поляризации, вызванные дисперсными антенными структурами или сетями подачи.

Практические соображения дизайна и компромиссы

Проектирование микрополосы и слот-антенны с оптимальными поляризованными характеристиками требует балансировки нескольких конкурирующих требований и понимания практических ограничений.

Ограничения пропускной способности

Достижение широкой полосы пропускания как для соответствия импедансу, так и для чистоты поляризации представляет собой фундаментальную проблему в конструкции антенны. Для поляризованных по кругу антенн полоса пропускания осевого отношения часто более узкая, чем полоса пропускания импеданса, ограничивая пригодный для использования диапазон работы. Различные методы могут увеличить полосу пропускания, включая сложенные патчи, паразитные элементы и оптимизированные сети подачи, но эти подходы добавляют сложность и могут скомпрометировать другие аспекты производительности.

Свойства подложки существенно влияют на пропускную способность. Для хорошей работы антенны обычно желателен толстый диэлектрический подложку с низкой диэлектрической постоянной, поскольку она обеспечивает большую пропускную способность и хорошо заданный луч. Однако более толстые подложки могут возбуждать нежелательные поверхностные волны и увеличивать кроссполяризацию, требуя тщательной оптимизации.

Эффективность и соображения о выигрыше

Чистота поляризации и эффективность антенн взаимосвязаны. Методы, используемые для достижения круговой поляризации, такие как усечение углов или вставка слотов, могут влиять на текущее распределение и эффективность излучения. Кормовые сети для круговой поляризации с двойным питанием вносят потери, которые снижают общую эффективность.

Конфигурации массивов могут повышать как коэффициент усиления, так и поляризацию. Последовательное вращение элементов массива улучшает пропускную способность осевого соотношения и снижает кроссполяризацию. Однако сложность сети подачи увеличивается с размером массива, потенциально компенсируя некоторое повышение эффективности за счет увеличения потерь.

Производственные терпимости

Допуски к изготовлению могут существенно влиять на производительность поляризации, особенно для поляризованных по кругу конструкций, где требуется точный контроль амплитуды и фазового баланса.Изменения толщины подложки, диэлектрической постоянной, размеров проводника и позиционирования корма могут ухудшать осевое соотношение и увеличивать перекрестную поляризацию.

Надежные конструкции включают в себя достаточную маржу для учета ожидаемых производственных изменений. Анализ чувствительности на этапе проектирования определяет критические размеры, которые требуют жестких допусков и параметров, которые могут выдерживать большие изменения. Эта информация направляет процедуры выбора производственного процесса и контроля качества.

Экологические последствия

Факторы окружающей среды, включая температуру, влажность и механическое напряжение, могут влиять на поляризацию антенн. Свойства субстрата изменяются с температурой, потенциально смещая резонансные частоты и изменяя фазовое соотношение между ортогональными режимами. Поглощение влаги изменяет эффективную диэлектрическую постоянную, аналогичным образом влияя на производительность.

Для наружного применения радомы защищают антенны от непогоды, но могут вносить искажения поляризации, если не тщательно спроектированы.Радомированный материал и толщина должны быть выбраны для минимизации дифференциального фазового сдвига между ортогональными поляризациями, что ухудшит чистоту круговой поляризации.

Новые тенденции и будущие направления

Анализ и контроль поляризации продолжают развиваться с развитием технологий и новыми требованиями к приложениям. Несколько тенденций формируют будущее поляризованно-гибких антенных систем.

Реконфигурируемая поляризация

Поляризируемые реконфигурируемые антенны, которые могут динамически переключаться между различными состояниями поляризации, предлагают значительные преимущества для адаптивных систем связи.Эти антенны могут оптимизировать поляризацию для изменения условий канала, поддерживать несколько стандартов связи или реализовывать схемы поляризации разнообразия.

Активные элементы, такие как PIN-диоды, варактерные диоды или RF-MEMS-переключатели, обеспечивают реконфигурацию поляризации с минимальным воздействием на размер и вес антенны.Усовершенствованные конструкции могут переключаться между линейными, правыми круговыми и левыми круговыми поляризованными состояниями, обеспечивая максимальную гибкость для различных применений.

Метаповерхностный контроль поляризации

Метаповерхности — спроектированные поверхности с подволновыми периодическими структурами — предлагают мощные возможности для манипулирования поляризацией. Волна LP EM, излучаемая антенной-источником, первоначально была принята RMS, затем преобразована в волну CP, когда она проходила через LCPC MS, и в конечном итоге распространилась в космос. Этот подход позволяет линейно-кольцевое преобразование поляризации с широкой полосой пропускания и низким профилем.

Метаповерхностные суперстраты, размещенные над обычными антеннами, могут трансформировать свои поляризующие характеристики без изменения самого антенного элемента. Эта модульность упрощает конструкцию и позволяет реконфигурировать поляризацию путем переключения между различными конфигурациями метаповерхностей. Как показали измерения, антенна массива достигла полосы S11 60,5%, полосы AR 3 дБ 2,85 ГГц и пикового усиления 15,1 дБик, при этом сохраняя низкий профиль всего 0,09λ0.

Машинное обучение для оптимизации поляризации

Алгоритмы машинного обучения все чаще применяются для оптимизации конструкции антенн, включая производительность поляризации. Нейронные сети могут изучать сложные взаимосвязи между параметрами проектирования и метриками поляризации, что позволяет быстро оптимизировать, что было бы непрактично с традиционными методами.

Генеративные подходы к проектированию используют машинное обучение для изучения обширных пространств проектирования и выявления новых конфигураций антенн с превосходными поляризованными характеристиками. Эти методы могут обнаружить неинтуитивные решения, которые могут игнорировать дизайнеры-люди, раздвигая границы достижимой производительности.

Интеграция с системами Миллиметр-Волна и Терагерц

По мере того, как системы связи переходят на миллиметровые волны и терагерцовые частоты, управление поляризацией становится более сложным и более критическим. Меньшие длины волн позволяют использовать компактные антенные решетки со сложными возможностями поляризации, но также налагают более жесткие допуски изготовления и повышают чувствительность к воздействию окружающей среды.

Передовые технологии изготовления, включая 3D-печать, микрообработку и обработку полупроводников, позволяют точно реализовать сложные антенные структуры на этих частотах. Технология волноводов Gap и другие методы передачи с низкими потерями помогают поддерживать эффективность, обеспечивая сети подачи, необходимые для управления поляризацией.

Лучшие практики для анализа поляризации

Успешный анализ и оптимизация поляризации требуют систематической методологии и внимания к деталям в процессе проектирования.

Установите четкие требования

Начните с четкого определения требований к поляризации на основе потребностей приложения. Укажите требуемый тип поляризации (линейный, круговой или эллиптический), пределы осевого отношения, перекрестную поляризацию, угловое покрытие и полосу частот. Понимание этих требований направляет проектные решения и предотвращает потраченные усилия по оптимизации параметров, которые не влияют на производительность системы.

Используйте дополнительные методы анализа

Совместите моделирование и измерение для проверки конструкций. Моделирование обеспечивает подробное понимание поведения антенн и позволяет быстро итерировать дизайн, в то время как измерение подтверждает, что изготовленные прототипы соответствуют спецификациям. Расхождения между моделированием и измерением часто выявляют ошибки моделирования, проблемы изготовления или экологические эффекты, которые требуют внимания.

Рассмотрим всю систему

Анализ поляризации должен учитывать всю антенную систему, включая сети подачи, соответствующие схемы и любые радомы или защитные структуры.Эти компоненты могут значительно влиять на производительность поляризации, а оптимизация одного только антенного элемента может не обеспечить успех на системном уровне.

Документ и валидат

Сохранение тщательной документации проектных решений, результатов анализа и данных измерений. Эта документация облегчает устранение неполадок, позволяет повторно использовать проект и обеспечивает базу знаний для будущих проектов. Проверка критических предположений посредством измерения или независимого анализа для обеспечения надежности проектирования.

Заключение

Анализ свойств поляризации в микрополосах и слот-антеннах представляет собой критический аспект современной антенной инженерии, который непосредственно влияет на производительность системы в различных приложениях.От фундаментальных концепций линейной, круговой и эллиптической поляризации до передовых методов анализа и новых технологий эта область продолжает развиваться с учетом передовых требований к связи и технологических возможностей.

Успех в анализе поляризации требует понимания теоретических основ, освоения как методов моделирования, так и методов измерения, а также оценки практических компромиссов, присущих конструкции антенны.Ключевые параметры, включая осевое соотношение, перекрестную поляризацию и наклон поляризации, должны быть тщательно оценены и оптимизированы для конкретных требований применения.

Современные инструменты и методы — от полноволнового электромагнитного моделирования до автоматизированных измерительных систем и оптимизации машинного обучения — предоставляют беспрецедентные возможности для проектирования антенн с точным контролем поляризации. Однако эти инструменты должны применяться с пониманием фундаментальных принципов и осознанием практических ограничений, включая ограничения пропускной способности, производственные допуски и воздействие на окружающую среду.

По мере того, как беспроводные системы будут продолжать продвигаться к более высоким частотам, более широким полосам пропускания и более сложной обработке сигналов, разнообразие поляризации и управление будут играть все более важную роль.Перенастраиваемая поляризация, манипулирование поляризацией на основе метаповерхностей и интеграция с системами MIMO представляют собой многообещающие направления для будущего развития.

Для инженеров и исследователей, работающих с микрополосами и слот-антеннами, развитие опыта в анализе поляризации обеспечивает необходимые возможности для создания высокопроизводительных антенных систем, которые отвечают требовательным требованиям приложений.Объединив теоретические знания, практический опыт и современные инструменты анализа, дизайнеры могут оптимизировать характеристики поляризации для достижения превосходной производительности системы в растущем диапазоне беспроводных приложений.

Для получения дополнительной информации о конструкции антенны и электромагнитном моделировании посетите документацию MATLAB Antenna Toolbox, изучите ресурсы на Antenna-Theory.com или обратитесь к IEEE Xplore Digital Library для последних исследований в области поляризации антенн и методов проектирования.