Die Polarisation ist eine der grundlegenden Eigenschaften von Antennen. Zunächst müssen wir die Polarisation ebener Wellen verstehen. Anschließend können wir die wichtigsten Arten der Antennenpolarisation diskutieren.
lineare Polarisation
Wir werden beginnen, die Polarisation einer ebenen elektromagnetischen Welle zu verstehen.
Eine planare elektromagnetische (EM) Welle weist mehrere Eigenschaften auf. Erstens bewegt sich die Leistung in eine Richtung (keine Feldänderungen in zwei orthogonalen Richtungen). Zweitens stehen das elektrische und das magnetische Feld senkrecht und orthogonal zueinander. Elektrische und magnetische Felder verlaufen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der ebenen Welle. Betrachten wir beispielsweise ein einfrequentes elektrisches Feld (E-Feld) gemäß Gleichung (1). Das elektromagnetische Feld bewegt sich in +z-Richtung. Das elektrische Feld ist in +x-Richtung gerichtet. Das magnetische Feld ist in +y-Richtung gerichtet.
Beachten Sie in Gleichung (1) die Notation: . Dies ist ein Einheitsvektor (ein Längenvektor), der besagt, dass der elektrische Feldpunkt in x-Richtung liegt. Die ebene Welle ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Grafische Darstellung des elektrischen Felds, das sich in +z-Richtung ausbreitet.
Polarisation beschreibt den Verlauf und die Ausbreitungsform (Kontur) eines elektrischen Feldes. Betrachten wir als Beispiel die Gleichung (1) für ein elektrisches Feld mit ebener Welle. Wir betrachten die Position des elektrischen Feldes (X,Y,Z) = (0,0,0) als Funktion der Zeit. Die Amplitude dieses Feldes ist in Abbildung 2 zu verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. Das Feld oszilliert mit der Frequenz „F“.
Abbildung 2. Beobachten Sie das elektrische Feld (X, Y, Z) = (0,0,0) zu verschiedenen Zeiten.
Das elektrische Feld wird am Ursprung beobachtet und oszilliert in seiner Amplitude hin und her. Das elektrische Feld verläuft stets entlang der angegebenen x-Achse. Da das elektrische Feld entlang einer einzelnen Linie verläuft, spricht man von linearer Polarisation. Verläuft die x-Achse parallel zum Boden, spricht man von horizontaler Polarisation. Verläuft das Feld entlang der y-Achse, spricht man von vertikaler Polarisation.
Linear polarisierte Wellen müssen nicht entlang einer horizontalen oder vertikalen Achse ausgerichtet sein. Beispielsweise wäre eine elektrische Feldwelle mit einer Einschränkung entlang einer Linie, wie in Abbildung 3 dargestellt, ebenfalls linear polarisiert.
Bild 3. Die elektrische Feldamplitude einer linear polarisierten Welle, deren Flugbahn ein Winkel ist.
Das elektrische Feld in Abbildung 3 lässt sich durch Gleichung (2) beschreiben. Es gibt eine x- und eine y-Komponente des elektrischen Feldes. Beide Komponenten sind gleich groß.
Zu beachten ist bei Gleichung (2) die xy-Komponente und die elektronischen Felder in der zweiten Stufe. Das bedeutet, dass beide Komponenten stets die gleiche Amplitude haben.
Zirkularpolarisation
Nehmen wir nun an, dass das elektrische Feld einer ebenen Welle durch Gleichung (3) gegeben ist:
In diesem Fall sind die X- und Y-Elemente um 90 Grad phasenverschoben. Wenn das Feld wie zuvor als (X, Y, Z) = (0,0,0) betrachtet wird, sieht die Kurve des elektrischen Felds über der Zeit wie unten in Abbildung 4 dargestellt aus.
Abbildung 4. Elektrische Feldstärke (X, Y, Z) = (0,0,0) EQ-Domäne. (3).
Das elektrische Feld in Abbildung 4 rotiert kreisförmig. Diese Art von Feld wird als zirkular polarisierte Welle bezeichnet. Für die zirkulare Polarisation müssen folgende Kriterien erfüllt sein:
- Standard für zirkulare Polarisation
- Das elektrische Feld muss zwei orthogonale (senkrechte) Komponenten haben.
- Die orthogonalen Komponenten des elektrischen Feldes müssen gleiche Amplituden haben.
- Die Quadraturkomponenten müssen um 90 Grad phasenverschoben sein.
Bei der Bewegung auf dem Wave Figure 4-Bildschirm spricht man von einer gegen den Uhrzeigersinn drehenden und rechtszirkular polarisierten Feldrotation (RHCP). Dreht sich das Feld im Uhrzeigersinn, ist es linkszirkular polarisiert (LHCP).
Elliptische Polarisation
Besitzt das elektrische Feld zwei senkrecht zueinander stehende Komponenten, die um 90 Grad phasenverschoben, aber gleich groß sind, ist das Feld elliptisch polarisiert. Betrachtet man das elektrische Feld einer ebenen Welle in +z-Richtung, beschrieben durch Gleichung (4):
Der Ort des Punktes, an dem die Spitze des elektrischen Feldvektors annimmt, ist in Abbildung 5 angegeben
Abbildung 5. Elektrisches Feld einer sofortigen elliptischen Polarisationswelle. (4).
Das Feld in Abbildung 5, das sich gegen den Uhrzeigersinn bewegt, wäre rechtshändig elliptisch, wenn es aus dem Schirm herausläuft. Dreht sich der elektrische Feldvektor in die entgegengesetzte Richtung, wäre das Feld linkshändig elliptisch polarisiert.
Darüber hinaus bezieht sich die elliptische Polarisation auf ihre Exzentrizität. Das Verhältnis der Exzentrizität zur Amplitude der Haupt- und Nebenachse. Beispielsweise beträgt die Wellenexzentrizität aus Gleichung (4) 1/0,3 = 3,33. Elliptisch polarisierte Wellen werden ferner durch die Richtung der Hauptachse beschrieben. Die Wellengleichung (4) hat eine Achse, die hauptsächlich aus der x-Achse besteht. Beachten Sie, dass die Hauptachse in jedem beliebigen ebenen Winkel stehen kann. Der Winkel muss nicht zur x-, y- oder z-Achse passen. Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass sowohl die zirkulare als auch die lineare Polarisation Sonderfälle der elliptischen Polarisation sind. Eine 1,0 exzentrische elliptisch polarisierte Welle ist eine zirkular polarisierte Welle. Elliptisch polarisierte Wellen mit unendlicher Exzentrizität. Linear polarisierte Wellen.
Antennenpolarisation
Da wir nun polarisierte elektromagnetische Felder ebener Wellen kennen, lässt sich die Polarisation einer Antenne einfach definieren.
Antennenpolarisation: Eine Antennen-Fernfeldbewertung, die Polarisation des resultierenden Strahlungsfeldes. Daher werden Antennen oft als „linear polarisierte“ oder „rechtszirkular polarisierte Antennen“ bezeichnet.
Dieses einfache Konzept ist für die Antennenkommunikation wichtig. Erstens kann eine horizontal polarisierte Antenne nicht mit einer vertikal polarisierten Antenne kommunizieren. Aufgrund des Reziprozitätstheorems sendet und empfängt die Antenne auf genau dieselbe Weise. Daher senden und empfangen vertikal polarisierte Antennen vertikal polarisierte Felder. Wenn Sie also versuchen, eine vertikal polarisierte Antenne horizontal zu übertragen, ist kein Empfang möglich.
Im allgemeinen Fall wird bei zwei linear polarisierten Antennen, die relativ zueinander um einen Winkel ( ) gedreht sind, der Leistungsverlust aufgrund dieser Polarisationsfehlanpassung durch den Polarisationsverlustfaktor (PLF) beschrieben:
Wenn also zwei Antennen die gleiche Polarisation haben, ist der Winkel zwischen ihren strahlenden Elektronenfeldern Null und es entsteht kein Leistungsverlust durch Polarisationsfehlanpassung. Ist eine Antenne vertikal und die andere horizontal polarisiert, beträgt der Winkel 90 Grad und es wird keine Leistung übertragen.
HINWEIS: Wenn Sie das Telefon über Ihren Kopf in verschiedene Winkel halten, kann der Empfang manchmal verbessert werden. Handyantennen sind in der Regel linear polarisiert. Durch Drehen des Telefons lässt sich die Polarisation oft anpassen und so der Empfang verbessern.
Zirkulare Polarisation ist eine wünschenswerte Eigenschaft vieler Antennen. Beide Antennen sind zirkular polarisiert und weisen keinen Signalverlust durch Polarisationsfehlanpassung auf. Die in GPS-Systemen verwendeten Antennen sind rechtszirkular polarisiert.
Nehmen wir nun an, dass eine linear polarisierte Antenne zirkular polarisierte Wellen empfängt. Nehmen wir entsprechend an, dass eine zirkular polarisierte Antenne versucht, linear polarisierte Wellen zu empfangen. Wie hoch ist der resultierende Polarisationsverlustfaktor?
Zur Erinnerung: Zirkularpolarisation besteht eigentlich aus zwei orthogonalen, linear polarisierten Wellen, die um 90 Grad phasenverschoben sind. Daher empfängt eine linear polarisierte (LP) Antenne nur die Phasenkomponente der zirkular polarisierten (CP) Welle. Die LP-Antenne weist daher einen Polarisationsfehlanpassungsverlust von 0,5 (-3 dB) auf. Dies gilt unabhängig vom Drehwinkel der LP-Antenne. Daher:
Der Polarisationsverlustfaktor wird manchmal auch als Polarisationseffizienz, Antennenfehlanpassungsfaktor oder Antennenempfangsfaktor bezeichnet. Alle diese Namen beziehen sich auf dasselbe Konzept.
Veröffentlichungszeit: 22. Dezember 2023
