Поляризация радиоволны - это ориентация вектора электрического поля в пространстве по отношению к направлению распространения. На практике от неё зависит больше, чем кажется начинающему радиоинженеру: от того, как повёрнут вибратор приёмной антенны, до глубины замираний на трассе и самой возможности принять сигнал. Десятки децибел запаса в энергетике линии можно потерять простым поворотом антенны на девяносто градусов, а можно, наоборот, выиграть дополнительный канал связи, воспользовавшись двумя ортогональными поляризациями на одной несущей. Ниже разобраны виды поляризации, физика её преобразования в ионосфере и при отражениях, а также практические решения, применяемые в вещании, спутниковых системах и сотовых сетях.
Вертикальная и горизонтальная линейная поляризация
Линейная поляризация означает, что вектор напряжённости электрического поля колеблется в одной неподвижной плоскости. Если эта плоскость перпендикулярна земной поверхности, говорят о вертикальной поляризации, если параллельна - о горизонтальной. Название всегда привязано к электрической составляющей волны. Простейшая антенна линейной поляризации - полуволновый вибратор: поставленный вертикально, он излучает вертикально поляризованную волну. Приёмный вибратор эффективен, когда его ось совпадает с направлением вектора поля: наведённая электродвижущая сила пропорциональна косинусу угла между ними.
Выбор между вертикальной и горизонтальной поляризацией в наземных системах диктуют несколько соображений:
- Для подвижных объектов с хаотичной ориентацией антенны (автомобили, портативные приёмники) вертикальная поляризация удобнее: штырь всегда стоит вертикально, а диаграмма направленности в горизонтальной плоскости круговая.
- Горизонтальная поляризация меньше страдает от помех промышленного происхождения, которые преимущественно вертикально поляризованы, и при определённых условиях выгоднее по распространению над землёй на метровых и дециметровых волнах.
- Вертушки, логопериодические антенны и волновые каналы проще монтировать горизонтально на мачтах, что исторически закрепило горизонтальную поляризацию за телевещанием.
- На длинных и средних волнах вертикальная поляризация обязательна: только она эффективно возбуждает земную волну, горизонтальная у поверхности проводящей земли сильно ослабляется.
Круговая и эллиптическая поляризация
Если вектор электрического поля не просто колеблется, а равномерно вращается в плоскости, перпендикулярной распространению, поляризация называется круговой. Практически её получают двумя взаимно перпендикулярными вибраторами, питаемыми токами равной амплитуды с фазовым сдвигом девяносто градусов. Суммарное поле двух таких вибраторов имеет постоянный модуль и вращается с частотой несущей. То же дают спиральные антенны и патч-антенны с двумя точками возбуждения через фазовращатель.
Направление вращения различают: правая круговая поляризация и левая круговая поляризация. Они ортогональны друг другу - антенна, настроенная на правое вращение, теоретически не принимает волну левого вращения и наоборот. Это свойство активно используют для частотного повторного использования спектра на спутниках.
В реальности идеальной круговой поляризации не бывает: амплитуды двух компонент всегда немного не равны, фазовый сдвиг отличается от девяноста градусов. Вектор поля описывает эллипс, и поляризация называется эллиптической. Мерой качества служит осевое отношение - отношение большой полуоси эллипса к малой, обычно в децибелах. Для идеальной круговой волны оно равно нулю децибел; хорошие спиральные антенны дают осевое отношение один-три децибела, патчи с упрощённым питанием - три-шесть децибел. Чем хуже осевое отношение, тем заметнее полезный сигнал просачивается в ортогональный канал и тем больше потери при работе на круговую антенну.
Важный практический случай - приём волны круговой поляризации на линейную антенну. Поскольку вращающийся вектор проходит через любое линейное направление, линейная антенна принимает такую волну, но лишь половину её мощности: потери составляют три децибела при любом повороте линейной антенны вокруг оси распространения. Это удобно там, где ориентация приёмника непредсказуема.
Потери при несовпадении поляризаций
Рассогласование поляризаций передающей и приёмной антенн вводит дополнительное затухание, которое для линейных поляризаций подчиняется закону косинуса в квадрате от угла между ними. Расхождение на десять градусов стоит около одной десятой децибела, на тридцать градусов - уже примерно 1,25 децибела, на сорок пять градусов - ровно три децибела, на шестьдесят градусов - шесть децибел. При полном перпендикулярном рассогласовании, когда вибраторы строго ортогональны, теоретическая потеря стремится к бесконечности: проекция поля на ось приёмной антенны равна нулю. На практике бесконечного подавления не бывает, потому что идеальных антенн не существует.
Реальная изоляция между ортогональными поляризациями ограничена перекрёстной поляризацией - долей мощности, которую антенна излучает или принимает в ортогональной поляризации из-за несовершенства конструкции, облучателя и отражателя. Для качественных антенн уровень перекрёстной поляризации составляет минус двадцать - минус тридцать децибел относительно основной компоненты. Именно эта цифра, а не математический идеал, определяет фактическую развязку между двумя каналами, работающими на одной частоте в разных поляризациях. У дешёвых облучателей спутниковых конверторов перекрёстная развязка бывает и хуже двадцати децибел, что приходится учитывать при планировании частотного плана.
Стоит добавить, что деполяризация на трассе - дождь, град, опушка леса - дополнительно размывает исходную изоляцию. Гидрометеоры переносят часть энергии в ортогональную составляющую, и на сантиметровых волнах в ливень реальная кроссполяризационная развязка может проседать до десяти-пятнадцати децибел, что обязательно закладывают в бюджет линии.
Ионосфера и эффект Фарадея
Ионосфера - это магнитоактивная плазма: свободные электроны движутся в постоянном магнитном поле Земли. Линейно поляризованная волна, входящая в такую среду, раскладывается на две характеристические волны с круговой поляризацией противоположного вращения, которые распространяются с разными фазовыми скоростями. На выходе из ионосферы они складываются обратно в линейную поляризацию, но плоскость колебаний оказывается повёрнутой на некоторый угол. Это и есть эффект Фарадея - поворот плоскости поляризации в магнитоактивной плазме.
Угол поворота растёт с квадратом длины волны и с интегральным содержанием электронов на трассе, а также зависит от напряжённости магнитного поля и угла между полем и направлением распространения. На частотах коротковолнового диапазона, где ионосфера работает как основное зеркало, плоскость поляризации вращается хаотично и быстро, поэтому горизонтальная или вертикальная ориентация приёмной антенны теряет смысл, а замирания по поляризации становятся обычным явлением. На гигагерцовых частотах эффект слабее, но не исчезает: на полутора гигагерцах поворот может составлять десятки градусов и медленно меняться в течение суток вместе с состоянием ионосферы.
Именно поэтому спутниковые и космические линии на частотах ниже нескольких гигагерц предпочитают круговую поляризацию. Для приёма круговой волны антенной круговой поляризации абсолютный поворот плоскости неважен: вращающийся вектор остаётся вращающимся в ту же сторону, и энергетика линии не зависит от фарадеевского угла. Линейная же антенна на борту и на земле при непредсказуемом повороте плоскости давала бы глубокие поляризационные замирания, недопустимые для телеметрии и командных линий. Космические аппараты, к тому же, вращаются и не имеют стабильной ориентации относительно земли, что делает круговую поляризацию практически безальтернативной в навигационных системах и на низких орбитах.
Отражения от земли и многолучёвость
Отражение от земной поверхности меняет поляризацию, и меняет по-разному для разных её видов. Линейная поляризация при наклонном падении на шероховатую поверхность частично превращается в ортогональную: горизонтальная волна после отражения от склона или стены приобретает вертикальную составляющую. Коэффициенты отражения для горизонтальной и вертикальной компонент различаются по модулю и фазе, поэтому суммарное поле в точке приёма имеет поляризацию, отличную от исходной.
С круговой поляризацией происходит показательный эффект: при зеркальном отражении от достаточно гладкой поверхности знак вращения меняется на противоположный. Правая круговая волна после отражения становится левой, и антенна, настроенная на правое вращение, эту отражённую компоненту подавляет на величину собственного осевого отношения плюс качество отражателя. Это встроенный фильтр многолучёвости: в спутниковых линиях с круговой поляризацией отражения от земли и зданий ослабляются на десять-двадцать децибел без всякой дополнительной борьбы. Деградация неполная, потому что реальные поверхности не идеально зеркальны, а антенны имеют конечное осевое отношение, но выигрыш в подавлении эха ощутим и заметен на осциллограммах уровня сигнала при низких углах места.
В городе и в лесу картина сложнее. Многократные отражения от стен, крыш, деревьев рандомизируют поляризацию почти полностью: через десятки переотражений энергия распределяется между обеими линейными компонентами примерно поровну. Листва и хвоя на дециметровых волнах работают как рассеивающая среда, деполяризующая сигнал и добавляющая затухание, растущее с частотой. Именно деполяризацией объясняется, почему в заглублённой городской застройке сигнал принимается антенной любой ориентации, хотя по закону косинуса при чисто вертикальной поляризации горизонтальный телефон должен был бы молчать.
Поляризационное разнесение и MIMO
Ортогональность поляризаций - готовый ресурс для увеличения пропускной способности. На одной частоте и в одной точке пространства можно передавать два независимых потока: один в вертикальной поляризации, другой в горизонтальной, либо один с правым, другой с левым вращением. При кроссполяризационной развязке двадцать пять - тридцать децибел потоки разделяются приёмником практически без взаимных помех.
В системах MIMO сотовой связи поляризационное разнесение применяется повсеместно: панельные антенны базовых станций содержат пары излучателей, наклонённых под плюс и минус сорок пять градусов к вертикали. Такой наклон выбран, чтобы обе поляризации были одинаково удалены от вертикальной ориентации типичной абонентской трубки. Два логических канала формируются на одной антенной решётке без увеличения её поперечных размеров, что для мачт и арендной платы - существенная экономия. Деполяризация в городе здесь даже помогает: она выравнивает мощности в обоих поляризационных каналах и обеспечивает их частичную некоррелированность, нужную алгоритмам пространственного мультиплексирования.
Спутниковые системы используют частотное повторное использование по поляризациям: один и тот же частотный план обслуживает два комплекта транспондеров на ортогональных поляризациях, удваивая ёмкость ствола антенны земной станции. Цена вопроса - требования к кроссполяризационной чистоте облучателей и к компенсации деполяризации на трассе в дождь.
Практика применения в вещании и спутниковых системах
Сложившееся распределение поляризаций по службам легко объяснить перечисленными факторами. FM-вещание в диапазоне ультракоротких волн исторически идёт в вертикальной поляризации: аудитория в основном автомобильная и портативная, штыревые антенны стоят вертикально, а диаграмма передатчика в горизонтальной плоскости должна быть круговой. Наземное телевещание в метровом и дециметровом диапазонах традиционно горизонтальное: приёмные антенны типа волновой канал закреплены на крышах, горизонтальная установка конструктивно проще, а промышленных помех в этой поляризации меньше. Ортогональность поляризаций FM и ТВ дополнительно снижает взаимные помехи между службами при совмещении передающих центров на одной мачте.
Спутниковое телевидение применяет оба решения. В прямом вещании на частотах десять-двенадцать гигагерц, где фарадеевский поворот составляет доли градуса, работают два комплекта линейных поляризаций - вертикальную и горизонтальную, а конвертор переключает их электронно, выбирая нужный зонд. В диапазоне четырёх гигагерц и в системах для космических линий используют круговую поляризацию с правым и левым вращением именно из-за фарадеевского поворота плоскости в ионосфере: на этих частотах он измеряется уже градусами и десятками градусов и меняется во времени. Космические навигационные системы передают с правой круговой поляризацией, одновременно решая задачу невосприимчивости к ориентации абонентской антенны и частичного подавления отражений.
Практические выводы для радиоинженера сводятся к нескольким правилам. При проектировании линии всегда считают поляризационные потери худшего случая, а не номинальный ноль. Для трассы через ионосферу ниже нескольких гигагерц выбирают круговую поляризацию или закладывают запас на поляризационные замирания. При использовании линейной антенны на приём круговой волны в бюджет линии сразу вписывают три децибела. Перекрёстную развязку тракта принимают по паспортным минус двадцать - минус тридцать децибел, а не по теоретической бесконечности, и в дождливом климате резервируют ещё несколько децибел. Наконец, там, где нужно удвоить ёмкость без расширения полосы, ортогональные поляризации остаются самым дешёвым способом получить второй канал - сдвиг фазы на девяносто градусов между двумя вибраторами или вторая пара излучателей в решётке обходятся несравнимо дешевле дополнительного спектра.