Vad är antennpolarisation och varför har det betydelse?

Polarisation är en viktig faktor för radiokommunikation i allmänhet och vid montering av antenner i synnerhet. Både antenner och elektromagnetiska vågor har en polarisation som beskriver hur vågorna svänger i luften. Antennpolarisation kan vara horisontell, vertikal, korspolariserad eller, vilket är ovanligare, cirkulär.

Oavsett om man arbetar med trådlös kommunikation via radio eller via mobilnäten är det viktigt att matcha antennens polarisation med den inkommande signalen, det är så maximal signalnivå kan erhållas. Om antennens polarisation inte matchar signalens kommer signalen att minskas, den kan då reduceras med upp till 21 dB, vilket är ganska mycket (läs gärna detta inlägg om antenndämpning).

Horisontell eller vertikal antennpolarisation

I olika system är det ofta bestämt att systemet använder vågor som enbart svänger horisontellt eller enbart vertikalt. Både sändare och mottagare skall ha antenner som använder samma polarisation, horisontell eller vertikal polarisation.

Det finns också antenner som är optimerade för både horisontell och vertikal antennpolarisation, till exempel sändare på fordon där man varken känner till polarisationstyp eller sändningsriktning. Dessa antenner är ofta vinklade i 45 graders vinkel från vertikalplanet.

Korspolarisation

I mobilnäten då man ofta använder MIMO, det vill säga dubbla antenner för att nå högre hastigheter, rekommenderas ofta dubbla antenner med montering med ±45 graders vinkel från vertikalplanet för bästa prestanda, denna polarisation kallas korspolarisation. Även antennerna på basstationen är i mobilnäten ofta monterade som ett kryss med ±45 graders vinkel från vertikalplanet. För mobila terminaler, routrar och modem rekommenderar vi att i första hand använda en avstämd MIMO-antenn vid installation som har dessa två antennelement monterade från början.

Hur monterar man antennen?

Att veta systemets polarisation är viktigt eftersom det avgör om antennen ska sitta monterad med antennspröten horisontellt eller vertikalt. Så redan på planeringsstadiet kan valet av antenn behöva styras av systemets polarisation eller omvänt bestämmas för att avgöra vilken polarisation systemet skall ha. Genom att utnyttja olika antennpolarisation kan frekvensspektrumet utnyttjas effektivare och system kan placeras närmare varandra utan att störa.

Både vertikal-, horisontell, och korspolarisation är linjärt polarisade system och här använder man ofta olika former dipolantenner eller yagiantenner. Antennerna monteras med spröten horisontellt vid horisontell polarisation och vertikal polarisation. Vid korspolarisation monteras en antenn 45 grader vriden från vertikalplanet och den andra antennen vriden 90 grader i förhållande till den första.

Cirkulär polarisation

Det förekommer även cirkulär polarisation där man vill kunna tränga igenom svårforcerad terräng. Cirkulär polarisation är lite svårare att visualisera än linjär polarisation men man kan jämföra det med signalen från en antenn som roterar. Spetsen på signalen kommer då att se ut som en spiral eller korkskruv som färdas genom luften. Cirkulär polarisation kan vara antingen höger- eller vänsterroterad beroende av rotationsriktningen sett från sändaren.

För cirkulär antennpolarisation rekommenderas specialtillverkade dipolantenner där antennelementen är vridna som en skruvfjäder, dessa antenner benämns ofta Helix-antenner.

Det är dock möjligt för linjärpolariserade antenner för att ta emot cirkulärpolariserade signaler och tvärt om. Det kommer dock att finnas viss minskning av signalen eftersom signalnivån kommer att minskas med 3 dB om en linjärt polarisad antenn används i ett cirkulärt polariserat system och tvärt om.

Reflektioner av signalen

När en signal har skickats ut av sändare kommer dess polarisation att förbli i stort sett densamma om det är fritt i luften, men reflektioner från föremål i vägen kan ändra polarisationen. Den mottagna signalen är därmed summan av den direkta signalen plus ett antal reflekterade signaler så den totala polarisationen av signalen kan ändras något längs vägen, ju fler hinder desto mer ändras den.

Vilken polarisation används och när?

Linjär polarisation är den i särklass mest använda polarisationen i de flesta radiokommunikationstillämpningar. Vertikal polarisation används ofta för mobil radiokommunikation vilket beror på antennerna är rundstrålande och dess funktion ofta blir bäst vid vertikal polarisation.

I fasta radioinstallation kan horisontell polarisation vara bättre. Detta beror på att antennelementen då är i rät vinkel mot antennmasten vilket skapar mindre fysisk och elektrisk interferens mellan antenn och mast. Även övrig interferens med andra antennsystem minskar då mycket av störningar i praktiken är vertikalt polariserade.

Slutsats:

Vi rekommenderar varmt att du monterar antennerna liggande, alltså med horisontella spröt om du bygger antennsystem för radiomodem. Denna enkla åtgärd minimerar risken för störningar från andra användare och är i många fall mycket effektivare än dyra filter.

Om du har en antenn monterad horisontellt och en antenn monterad vertikalt i samma system och försöker få kontakt mellan dessa stationer så lär du snart upptäcka att räckvidden inte är vad den borde. Detta beror på att när antennerna är monterade olika har de olika polarisation vilket dämpar signalen med upp till 21 dB, något som får en ganska stor inverkan på räckvidden.

Skall du använda två parallella frekvenser inom ett och samma område så kan du frångå denna princip. Du får med stor sannolikhet bäst kommunikation om du monterar antennerna på den ena frekvensen horisontellt och på den andra frekvensen vertikalt. Återigen är sättet att montera effektivare än att utrusta radionätet med dyra filter.

Skall du använda antenner för mobilnäten då rekommenderar vi att du utgår från att montera en antenn vriden -45° från vertikalplanet och den andra +45° från vertikalplanet. Eller använd en färdig MIMO-antenn med två antennelement.