Hướng bức xạ của anten là yếu tố quan trọng trong thiết kế và lắp đặt anten vô tuyến, hoặc thậm chí trong việc sử dụng chúng trong các hệ thống truyền thông không dây quy mô nhỏ hoặc hệ thống truyền thông di động. Một số anten có bức xạ thẳng đứng, một số có bức xạ ngang, và các loại anten khác có hướng bức xạ khác nhau. Trong thiết kế anten, việc lựa chọn hình dạng anten là rất quan trọng. Điều cần thiết là phải hiểu hướng phân cực của anten. Một anten vô tuyến chỉ có một loại phân cực sẽ không thể thu sóng điện từ có các phân cực khác một cách hiệu quả.

Tuy nhiên, nhiều hệ thống điện thoại không dây và di động dựa trên thực tế là thường có nhiều phản xạ giữa bộ phát và bộ thu, điều này khiến tín hiệu có hướng phân cực cụ thể khi đến bộ thu. Mặc dù vậy, hướng phân cực của anten vẫn rất quan trọng.

Các nguyên lý cơ bản về phân cực anten

Đối với sóng điện từ, phân cực là mặt phẳng mà trên đó sóng điện từ dao động. Điều này rất quan trọng khi xem xét các ăng-ten vì ăng-ten nhạy cảm với sự phân cực và nói chung chỉ có thể thu hoặc phát tín hiệu với các phân cực cụ thể.

Đối với hầu hết các loại anten, việc xác định hướng phân cực rất đơn giản; nó dựa trên cùng mặt phẳng với các thành phần của anten. Do đó, một anten thẳng đứng (tức là anten có các thành phần thẳng đứng) sẽ thu tín hiệu phân cực theo chiều dọc tốt nhất, và tương tự, một anten nằm ngang sẽ thu tín hiệu phân cực theo chiều ngang tốt nhất.

Việc căn chỉnh hướng phân cực của anten RF sao cho phù hợp với hướng phân cực của tín hiệu đến là rất quan trọng để đạt được cường độ tín hiệu tối đa. Nếu hướng phân cực của anten RF không phù hợp với tín hiệu, mức tín hiệu sẽ giảm, và mức giảm này tỷ lệ thuận với cosin của góc giữa hướng phân cực của anten RF và tín hiệu.

Do đó, hướng phân cực của các anten trong không gian tự do rất quan trọng, và rõ ràng là chúng phải nằm trên cùng một mặt phẳng để thu được tín hiệu tốt nhất. Nếu các anten vuông góc với nhau (ví dụ: phân cực chéo), về mặt lý thuyết, sẽ không thu được tín hiệu nào.

Đối với các ứng dụng truyền thông vô tuyến mặt đất, hướng phân cực của tín hiệu truyền đi thường không đổi. Tuy nhiên, sự phản xạ từ các vật thể dọc theo đường truyền có thể làm thay đổi hướng phân cực. Vì tín hiệu nhận được là tổng của tín hiệu trực tiếp và nhiều tín hiệu phản xạ, nên hướng phân cực tổng thể của tín hiệu có thể thay đổi một chút, mặc dù vẫn có thể tương đối giống nhau.

Các loại phân cực

Sóng điện từ có độ phân cực khác nhau sẽ lan truyền theo những cách hơi khác nhau trong một số điều kiện nhất định.

Điều này có nghĩa là đối với một số hình thức phát thanh, truyền thông vô tuyến hoặc hệ thống không dây, có thể sử dụng các kiểu phân cực khác nhau.

Nhìn chung, ưu điểm và nhược điểm của các kiểu phân cực khác nhau tương đối nhỏ, nhưng đối với phát thanh, kết nối không dây, truyền thông vô tuyến hoặc một số hệ thống truyền thông di động nhất định, những khác biệt tưởng chừng nhỏ này lại có thể gây ra tác động đáng kể.

Có nhiều loại phân cực, và mỗi loại lại có nhiều loại phụ. Hơn nữa, các ăng-ten liên quan cũng có các phân cực tương ứng.

✦ Phân cực tuyến tính: Phân cực tuyến tính là dạng phân cực phổ biến nhất của anten. Đặc điểm của nó là tất cả các bức xạ phát ra đều nằm trên cùng một mặt phẳng, do đó có tên gọi là "tuyến tính".

• Phân cực ngang: Loại phân cực anten này có một phần tử nằm ngang. Nó thu và phát các tín hiệu phân cực ngang, tức là sóng điện từ có điện trường trong mặt phẳng ngang.
• Phân cực dọc: Loại anten này được đặc trưng bởi việc có một phần tử thẳng đứng bên trong anten, có thể là một phần tử thẳng đứng duy nhất. Một lý do để sử dụng phân cực dọc là anten chỉ gồm một phần tử thẳng đứng có thể bức xạ đều hơn xung quanh nó trên mặt phẳng ngang. Anten phân cực dọc thường có góc phát xạ thấp, cho phép chúng bức xạ phần lớn năng lượng ở một góc gần với bề mặt Trái đất. Anten phân cực dọc cũng rất tiện lợi cho các ứng dụng trong ô tô.
• Phân cực nghiêng: Đây là một dạng phân cực của ăng-ten vô tuyến, trong đó ăng-ten được nghiêng so với mặt phẳng ngang hoặc dọc. Bằng cách này, cả ăng-ten phân cực dọc và ngang đều có thể thu tín hiệu.

✦ Phân cực tròn: Loại phân cực này có một số ưu điểm, chẳng hạn như trong các ứng dụng vệ tinh, nơi nó giảm thiểu ảnh hưởng của các sai lệch truyền tín hiệu, phản xạ mặt đất và ảnh hưởng của chuyển động của vệ tinh. Phân cực tròn khó hình dung hơn phân cực tuyến tính; tuy nhiên, có thể hình dung nó bằng cách tưởng tượng tín hiệu lan truyền từ một ăng-ten RF đang quay. Các đầu của vectơ trường điện xuất hiện dưới dạng hình xoắn ốc hoặc hình xoắn khi chúng di chuyển ra xa ăng-ten.

• Phân cực tròn phải: Trong kiểu phân cực này, vectơ được xoay sang phải.
• Phân cực tròn trái: Trong kiểu phân cực này, vectơ quay theo hướng trái, tức là ngược hướng với hướng phải.

✦ Phân cực elip: Một dạng phân cực khác, được gọi là phân cực elip, xảy ra khi kết hợp các thành phần phân cực tuyến tính và phân cực tròn. Có thể hình dung như hình trên, trong đó các đầu của vectơ điện trường tạo thành một đường xoắn ốc elip.

Ăng-ten phân cực tuyến tính có thể thu tín hiệu phân cực tròn và ngược lại. Cường độ tín hiệu sẽ như nhau bất kể ăng-ten phân cực tuyến tính được lắp đặt theo chiều dọc, chiều ngang hay trên bất kỳ mặt phẳng nào khác, miễn là nó hướng về phía tín hiệu được phát.

Chất lượng tín hiệu sẽ bị suy giảm nhẹ vì mức tín hiệu sẽ thấp hơn 3 decibel so với khi sử dụng ăng-ten phân cực tròn có cùng hướng. Tình huống tương tự cũng xảy ra khi ăng-ten phân cực tròn nhận tín hiệu phân cực tuyến tính.

Ứng dụng cho các loại phân cực anten khác nhau.

Các loại phân cực khác nhau được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Để tận dụng ưu điểm của từng loại, các kiểu phân cực khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau:

✦ Truyền thông vô tuyến nói chung: Phân cực tuyến tính là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho hầu hết các ứng dụng truyền thông vô tuyến, vì ăng-ten vô tuyến nhìn chung đơn giản và dễ chế tạo hơn.

✦ Điện thoại di động và truyền thông không dây tầm ngắn: Trong những năm gần đây, việc sử dụng điện thoại di động và truyền thông không dây tầm ngắn đã phát triển mạnh mẽ. Từ truyền thông di động đến Wi-Fi và nhiều tiêu chuẩn khác cho phép truyền thông không dây tầm ngắn, phân cực tuyến tính thường được sử dụng cho các thiết bị này vì ăng-ten phân cực tuyến tính dễ sản xuất hơn. Do đó, các trạm gốc phải có phân cực tương tự, mặc dù phân cực dọc thường được sử dụng, nhưng nhiều thiết bị, chẳng hạn như bộ định tuyến Wi-Fi, cũng có ăng-ten điều chỉnh được. Ngoài ra, vì đường truyền của các tín hiệu này thường phản xạ từ nhiều bề mặt khác nhau, nên sự phân cực đến được bộ thu tương đối ngẫu nhiên và do đó có thể ít gây ra vấn đề hơn.

✦ Hệ thống liên lạc vô tuyến hai chiều di động: Nhiều hệ thống liên lạc vô tuyến hai chiều di động truyền thống vẫn đang được sử dụng, từ các dịch vụ khẩn cấp đến nhiều ứng dụng vô tuyến di động cá nhân, trong đó các bộ thu phát được gắn trên xe.

Phân cực dọc thường được sử dụng cho các hệ thống liên lạc vô tuyến hai chiều di động này vì nhiều ăng-ten vô tuyến phân cực dọc có kiểu bức xạ đa hướng, có nghĩa là không cần phải điều chỉnh lại ăng-ten mỗi khi xe di chuyển, điều thường xảy ra với các hệ thống liên lạc vô tuyến di động thông thường.

✦ Truyền thông tần số cao tầm xa xuyên qua tầng điện ly: Sử dụng cả phân cực dọc và ngang:

• Phân cực ngang: Ăng-ten dây được sử dụng rộng rãi trong truyền thông tần số cao (HF). Chúng thường dễ lắp đặt hơn bằng cách sử dụng hai cột, với ăng-ten dây được treo giữa hai cột. Bằng cách này, ăng-ten được phân cực ngang.
  Đối với các ăng-ten đa phần tử lớn, các hạn chế về mặt cơ học khiến việc lắp đặt chúng trên mặt phẳng ngang dễ dàng hơn so với mặt phẳng thẳng đứng, vì các phần tử ăng-ten RF vuông góc với cột hoặc tháp thẳng đứng mà chúng được gắn trên đó. Do đó, việc sử dụng ăng-ten có các phần tử phân cực ngang sẽ giảm nhiễu vật lý và điện giữa hai bên.
• Phân cực dọc: Ăng-ten gồm một phần tử thẳng đứng duy nhất được sử dụng rộng rãi. Ăng-ten phân cực dọc cung cấp góc phát xạ thấp, cho phép truyền tín hiệu hiệu quả ở khoảng cách xa.

✦ Phát sóng tần số trung (MW): Các đài phát sóng tần số trung thường sử dụng phân cực dọc vì sóng mặt đất truyền đi tốt hơn nhiều với phân cực dọc, trong khi phân cực ngang chỉ cho thấy sự cải thiện nhỏ đối với liên lạc đường dài bằng cách sử dụng tầng điện ly.

Ăng-ten phân cực dọc có ưu điểm là bức xạ đều theo mọi hướng song song với bề mặt Trái đất, dẫn đến vùng phủ sóng tốt hơn. Hơn nữa, ăng-ten dọc chỉ cần một giá đỡ thẳng đứng, trong khi ăng-ten phân cực ngang cần hai giá đỡ.

✦ Truyền thông vệ tinh: Phân cực tròn đôi khi được sử dụng cho truyền thông vô tuyến qua vệ tinh vì nó có một số ưu điểm nhất định về khả năng truyền tín hiệu và khắc phục sự suy giảm tín hiệu do sự thay đổi hướng của vệ tinh.

Như có thể thấy, mỗi hướng đặt ăng-ten vô tuyến đều có những ưu điểm riêng, có thể được tận dụng trong nhiều tình huống khác nhau. Việc lựa chọn hướng đặt phù hợp có thể mang lại nhiều lợi ích và do đó rất quan trọng.