Поляризация волны
Поляризация — направление, в котором колеблется электрическое поле волны. При линейной поляризации поле колеблется в одной плоскости: вертикальной, горизонтальной или наклонной. При круговой — вектор поля вращается, делая оборот за период: по часовой стрелке или против, если смотреть вслед волне. Две ортогональные поляризации — вертикальная и горизонтальная или левая и правая круговая — не мешают друг другу, и по ним можно передавать два независимых сигнала на одной частоте.
Поляризатор превращает линейную поляризацию в круговую и обратно. Селектор поляризации, или ортомодовый переход (OMT), разделяет две ортогональные поляризации на разные порты. Вместе они позволяют одной антенне работать на двух поляризациях — вдвое больше каналов на той же частоте.
Поляризатор задерживает одну из составляющих поля на четверть периода; OMT забирает каждую поляризацию в свой порт.
Как работает поляризатор
Линейно поляризованную волну можно разложить на две составляющие под ±45°. Если одну из них задержать на четверть периода — 90° по фазе, — сумма станет вращаться: получится круговая поляризация. Поляризатор делает именно это: внутри круглого или квадратного волновода стоит элемент, замедляющий волну только в одной плоскости.
С диэлектрической пластиной
Пластина из диэлектрика вдоль волновода замедляет составляющую поля, параллельную ей. Длину подбирают так, чтобы набежал сдвиг 90°. Конструкция простая и работает в полосе до 12 %; в каталоге такие поляризаторы есть от 2,1 до 116 ГГц.
Со ступенчатыми диафрагмами
Вместо пластины в волноводе ставят металлические выступы — диафрагмы или штыри — в одной плоскости. Они тоже создают разницу скоростей. Такие поляризаторы выдерживают большую мощность, чем диэлектрические, и часто имеют коаксиальный вход — удобно для облучателей с коаксиальным трактом.
Широкополосные
Для широкой полосы — до 45–67 % — применяют многоступенчатые конструкции с несколькими секциями. Чем шире полоса, тем хуже эллиптичность на краях: у широкополосных поляризаторов каталога она доходит до 4–5 дБ, у узкополосных — меньше 1 дБ.
Эллиптичность
Реальная круговая поляризация немного вытянута в эллипс. Отношение большой оси к малой в децибелах называют эллиптичностью или коэффициентом эллиптичности. Чем он ближе к нулю, тем чище круговая поляризация и тем лучше развязка между левой и правой:
Значения эллиптичности — из таблиц поляризаторов и облучателей каталога; развязка между левой и правой поляризацией посчитана по формуле XPD = 20·lg((r+1)/(r−1)).
| Эллиптичность, дБ | Отношение осей | Развязка поляризаций, дБ |
|---|---|---|
| 0,5 | 1,059 | 30,8 |
| 1 | 1,122 | 24,8 |
| 1,5 | 1,189 | 21,3 |
| 2 | 1,259 | 18,8 |
| 3 | 1,413 | 15,3 |
| 5 | 1,778 | 11,1 |
Отсюда требования: чтобы держать развязку поляризаций 30 дБ, как в спутниковой связи, эллиптичность облучателя должна быть около 0,5 дБ. Поляризатор с эллиптичностью 3 дБ даёт всего около 15 дБ развязки — достаточно для приёма одной поляризации, но мало для работы на двух. Эллиптичность облучателя в сборе складывается из эллиптичности поляризатора, рупора и отражений в тракте, поэтому у каждого узла она должна быть заметно лучше итоговой.
Селектор поляризации (OMT)
OMT имеет общий порт — круглый или квадратный волновод, где живут обе поляризации, — и два выходных порта прямоугольного волновода, каждый для своей поляризации. Один выход обычно прямой, по оси, второй — боковой, через щель в стенке. Главные параметры — развязка между выходами и согласование обоих портов.
| Модель | Частоты, ГГц | Развязка, дБ | Полоса |
|---|---|---|---|
| СП-WR112-27,788-К | 7,0-10,0 | 30 | ≤8% |
| СП-WR137-32,537-К | 5,8-8,4 | 30 | ≤8% |
| СП-WR159-38,1-К | 4,9-7,0 | 30 | ≤10% |
| СП-WR187-44,45-К | 4,0-5,8 | 30 | ≤10% |
| СП-Ø11 | 17-31 | 35 | ≤58% |
| СП-Ø15,8 | 12-18 | 35 | ≤40% |
| СП-Ø178 | 1,2-1,8 | 35 | ≤40 |
| СП-Ø23,825 | 8-12 | 35 | ≤40% |
Узкополосные OMT квадратного волновода дают развязку 30 дБ в полосе 8–10 %, широкополосные с круглым волноводом — 35 дБ в полосе до 40–58 %. Приёмопередающие OMT для спутниковых станций совмещают разделение поляризаций с разделением приёма и передачи и держат кроссполяризационную развязку не менее 35 дБ.
Круглый или квадратный общий порт — вопрос совместимости с рупором и поляризатором. Круглый волновод удобен для конических рупоров и поляризаторов с пластиной, квадратный — для пирамидальных рупоров и компактных облучателей. Широкополосные OMT строят по симметричной схеме с четырьмя боковыми выходами, попарно сложенными мостами: симметрия не даёт возбуждаться высшим типам волн, и полоса расширяется до полуоктавы и больше.
Развязка OMT и развязка антенны. Итоговая развязка поляризаций антенны хуже развязки OMT: к ней добавляются кроссполяризация рупора и зеркала. Выбирайте OMT с запасом 5–10 дБ к требованию.
Поляризатор плюс OMT
Поставив поляризатор перед OMT, получают разделение левой и правой круговой поляризации: поляризатор превращает левую и правую круговые в две ортогональные линейные, а OMT разводит их по портам. Так устроены облучатели двойной круговой поляризации: один порт — левая, другой — правая. Поворот поляризатора на 45° относительно OMT переключает облучатель между линейной и круговой поляризацией — на этом строятся облучатели с переключаемой поляризацией.
Как измеряют эллиптичность
Поляризатор или облучатель облучают линейно поляризованной антенной и медленно её поворачивают, записывая принимаемый уровень. Для идеальной круговой поляризации уровень не меняется при повороте, для реальной — колеблется между максимумом и минимумом. Разница максимума и минимума в дБ и есть эллиптичность. Метод простой и работает на антенном полигоне с опорно-поворотным устройством, где поляризационная ось вращает измерительную антенну.
Две поляризации в радиорелейной линии
Радиорелейные станции передают два независимых потока на вертикальной и горизонтальной поляризациях одной частоты. Для этого нужна развязка поляризаций по всему тракту: OMT, антенны на обоих концах и сама трасса. В дождь и при отражениях часть энергии перетекает из одной поляризации в другую, и развязка ухудшается. Современные модемы компенсируют это цифровым подавлением кроссполяризационных помех, но начинается всё с хорошего OMT с развязкой 30–35 дБ.
Поляризация и дождь
Капли дождя сплюснуты и ориентированы примерно горизонтально, поэтому по-разному ослабляют вертикальную и горизонтальную составляющие. Для круговой поляризации это превращается в деполяризацию — эллипс вытягивается, и развязка левой и правой падает. Эффект растёт с частотой и особенно заметен в Ku- и Ka-диапазонах. Поэтому запас по развязке поляризаций закладывают уже на уровне облучателя.
Мощность и материалы
Диэлектрические поляризаторы ограничены нагревом и пробоем пластины, поэтому для передающих трактов предпочитают металлические диафрагмы и штыри. OMT — полностью металлические узлы и выдерживают мощность волновода: сотни ватт и больше. Для миллиметрового диапазона узлы делают из меди, для крупных сечений — из алюминия; точность изготовления прямо влияет на эллиптичность и развязку.
Круговая поляризация для подвижных объектов
Если антенна на беспилотнике, ракете или судне поворачивается, линейная поляризация то совпадает с поляризацией наземной антенны, то становится ей перпендикулярной — сигнал пропадает. Круговая поляризация от поворота не зависит: обе антенны остаются согласованными по поляризации при любом крене. Поэтому телеметрия, навигация и связь с подвижными объектами работают на круговой поляризации, а наземные антенны сопровождения оснащают поляризаторами.
Где применяют
- Спутниковые станции: две поляризации и круговая поляризация спутников.
- Радиорелейные линии: удвоение пропускной способности на двух поляризациях.
- Радары и метеорадары: двухполяризационные измерения формы капель и осадков.
- Антенные измерения: смена поляризации измерительной антенны без её поворота.
- Телеметрия и связь с подвижными объектами: круговая поляризация не зависит от поворота объекта.
Типичные ошибки
- Ставят широкополосный поляризатор там, где нужна развязка поляризаций 30 дБ.
- Не учитывают кроссполяризацию рупора и зеркала при расчёте итоговой развязки.
- Путают направление вращения: левая и правая круговые меняются местами при отражении от зеркала.
- Поворачивают поляризатор относительно OMT не на тот угол и получают эллипс вместо круга.
- Ставят диэлектрический поляризатор в мощный тракт передатчика и перегревают пластину.
- Не герметизируют узлы на улице: влага внутри портит эллиптичность и развязку.
Как выбрать
- Задача: круговая поляризация — поляризатор; две поляризации — OMT; двойная круговая — оба.
- Полоса: узкая с высокой чистотой поляризации или широкая с худшей эллиптичностью.
- Эллиптичность и развязка поляризаций — по требованию к системе с запасом.
- Сечение волновода: круглое или квадратное общего порта, выходы — под тракт.
- Мощность: для передачи — конструкции с диафрагмами или металлическими элементами.
- Вход: волноводный или коаксиальный.
- Совместимость общего порта с рупором: круглый или квадратный волновод и его диаметр.
Модели KADAMM
Поляризаторы и селекторы поляризации — в разделе KADAMM.
| Частоты | 2,1 – 116 ГГц |
| Моделей | 20 |
| Частоты | 1,76 – 29,1 ГГц |
| Моделей | 14 |
| Частоты | 1,2 – 40 ГГц |
| Моделей | 6 |
| Частоты | 3,3 – 27 ГГц |
| Моделей | 10 |