Учет поляризационных характеристик антенн и сигналов
В дальней зоне излучения фронт электромагнитной волны становится плоским, а плоская волна является поляризованной. Поляризация электромагнитной волны определяется траекторией и направлением движения во времени конца вектора напряженности электрического поля Е в фиксированной плоскости, перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны, если смотреть на плоскость в направлении распространения. В общем случае электромагнитная волна для гармонического излучения является эллиптически поляризованной. Если, как это представлено на рис. 10.6, электромагнитная волна распространяется вдоль оси z, а плоскость x0y перпендикулярна направлению распространения, то конец вектора Е в этой плоскости относительно точки 0 будет описывать эллипс. В зависимости от направления вращения вектора Е различают правостороннюю и левостороннюю эллиптические поляризации. Если вектор Е вращается по часовой стрелке, то имеет место правосторонняя эллиптическая поляризация. Если вектор Е вращается против часовой стрелки, то имеет место левосторонняя эллиптическая поляризация. Круговая и линейная поляризации являются частными случаями эллиптической поляризации.
Форма эллипса описывается коэффициентом эллиптичности r, где
,
которому приписывают знак «плюс» при правосторонней поляризации и знак «минус» при левосторонней поляризации (–1 ≤ r ≤ 1).
Можно ввести угол эллиптичности
α = arctg(r), (–π/4 ≤ α ≤ π/4),
и угол ориентации β между осью 0x и большой полуосью эллипса (0 ≤ β ≤ π). Углы α и β полностью определяют состояние поляризации.
Состояния поляризации можно отобразить точками на сфере, которую принято называть сферой Пуанкаре, если в качестве долготы и широты точки, определяющей состояние поляризации, взять углы 2β и 2α, соответственно (рис. 10.7). Каждому состоянию поляризации соответствует точка на сфере Пуанкаре, и, обратно, каждой точке на сфере Пуанкаре соответствует определенное состояние поляризации. Для круговой поляризации значение β не определено, и ей соответствуют полюса сферы, в которых не определена долгота. Точки, расположенные на экваторе, соответствуют разным видам линейной поляризации, а все остальные точки сферы отображают различные виды эллиптической поляризации. Северная полусфера представляет правостороннюю поляризацию, а южная – левостороннюю.
Параметры, определяющие форму и положение эллипса поляризации, могут иметь определения, отличающиеся от приведенных выше. Например, в стандарте США [42] коэффициент эллиптичности r определяется как отношение большой оси эллипса поляризации к малой, а угол эллиптичности α как минус arcctg(r). Коэффициент эллиптичности по-прежнему имеет знак плюс для правосторонней и минус для левосторонней поляризации. Это приводит к тому, что коэффициент эллиптичности изменяется в интервале от единицы до бесконечности с соответствующим знаком, а полусферы сферы Пуанкаре, представляющие правостороннюю и левостороннюю поляризации,
 |
меняются местами.
Если на сфере Пуанкаре рассмотреть две точки М и М1, одна из которых соответствует поляризационному состоянию приемной антенны, а другая поляризации падающей электромагнитной волны, то э.д.с. на зажимах антенны можно рассчитать, используя выражение:
e = Ehд cos(
MM1/2), (10.9)
где e – э.д.с. на зажимах антенны, В; E – напряженность поля в месте размещения антенны, В/м; hд – действующая высота антенны, м; MM1 – угол между точками на сфере Пуанкаре, определяющими поляризационные состояния антенны и приходящей электромагнитной волны
Ослабление n из-за несовпадения поляризаций поступающего сигнала и приемной антенны, выраженное в децибелах, имеет вид:
n = 20 lg (cos(MM1/2)), (10.10)
Если MM1 = 180°, то, как следует из (10.9) и (10.10), e = 0 и n = – ¥. Поляризации такого вида называются ортогональными. Ортогональными, в частности, являются горизонтальная и вертикальная поляризации, левая и правая круговые поляризации и, вообще, две любые поляризации, соответствующие точкам на сфере Пуанкаре, которые лежат на противоположных концах диаметра сферы. Таким образом, теоретически сигналы, имеющие ортогональную поляризацию, не создают друг другу помех, поскольку э.д.с., возникающая на выходах антенн, не предназначенных для приема этих сигналов, будет равна нулю, или, что то же самое, антенны обеспечивают бесконечное подавление ортогональных сигналов.
Однако на практике идеально ортогональных сигналов не существует. Взаимное расположение антенн, условия распространения и сама среда распространения приводят к тому, что (MM1/2) становится меньше 90°. В результате вместо бесконечного ослабления ортогонального сигнала в антенне происходит лишь частичное его подавление. Так, например, если вместо 90° (MM1/2) = 85°, то вместо бесконечного ослабления
n = 20 lg (cos(85°)) = –20 дБ.
Учитывая это обстоятельство, при оценке ЭМС РЭС, использующих ортогональные сигналы, ослабление таких сигналов всегда берут конечное, чаще всего в интервале –16…–25 дБ, в зависимости от коэффициента усиления антенн и вида радиослужбы. Например, станции фиксированной службы или базовые станций наземной подвижной службы часто работают с сигналами, которые являются ортогонально поляризованными по отношению к сигналам телевизионного (ТВ) вещания. Первые используют вертикальную поляризацию, а телевидение использует горизонтальную поляризацию. При оценке помех, создаваемых такими станциями приему ТВ вещания, Рекомендация МСЭ-Р SM.851-1 [41] предлагает использовать значение ослабления мешающих сигналов –16 дБ для 50 % мест обслуживания и значение –10 дБ для 90 % мест обслуживания станции ТВ вещания. Для базовых станций с сигналами, имеющими вертикальную поляризацию, подавление антеннами излучений станций радиовещания, имеющих горизонтальную поляризацию, рекомендовано брать –18 дБ.
В общем случае ослабление ортогональных сигналов при оценке ЭМС выбирают либо, следуя рекомендациям МСЭ, либо, исходя из результатов практических измерений, либо на основании теоретических оценок при принятых гипотезах о нарушении ортогональности. Если информация о подавлении ортогональной поляризации отсутствует, можно использовать данные, приведенные в табл.10.3 для наиболее часто используемых на практике видов поляризаций. Данные представлены в децибелах.
Таблица 10.3
Ослабление мешающих сигналов при несовпадении поляризации
с приемной антенной
| Поляризация антенны приемника | Поляризация антенны источника помехи | ||||||
| Горизонтальная | Вертикальная | Круговая | |||||
| G0<10дБ | G0>10дБ | G0<10дБ | G0>10дБ | левая | правая | ||
| Горизонтальная | G0<10дБ | –16 | –16 | –3 | –3 | ||
| G0>10дБ | –16 | –20 | –3 | –3 | |||
| Вертикальная | G0<10дБ | –16 | –16 | –3 | –3 | ||
| G0>10дБ | –16 | –20 | –3 | –3 | |||
| Круговая | левая | –3 | –3 | –3 | –3 | –16 | |
| правая | –3 | –3 | –3 | –3 | –16 |
Можно заметить, что если одна из антенн, например источника помехи, имеет круговую поляризацию, а другая, например приемника, имеет линейную поляризацию, то ослабление мешающего сигнала приемной антенной из-за различия поляризаций, представленное в табл. 10.3, получено непосредственно из выражения (10.10). Действительно, в этом случае MM1 = 90° и
n = 20 lg [cos(45°)] = –10 lg (2) = –3дБ
Приведенная оценка потерь на рассогласование поляризаций относится к главному лепестку ДНА и рабочему диапазону частот антенны. В области боковых лепестков, особенно у направленных антенн, поляризация может быть совершенно иной, чем поляризация по главному лепестку. На практике потери на рассогласование поляризаций в области боковых лепестков в диапазоне рабочих частот и за его пределами не рассматривают, поскольку уровень боковых лепестков, используемый в модели ДНА, обычно связан со статистическими параметрами усиления антенны по боковым лепесткам, которые, как указывалось выше, слабо зависят от частоты и поляризации сигналов. Потери на рассогласование поляризаций не рассматривают также в ближней зоне, где ДНА еще не сформировалась и связь между магнитной и электрической составляющими электромагнитной волны носит сложный характер.