Elektronikingenieure wissen, dass Antennen Signale in Form von Wellen elektromagnetischer (EM) Energie senden und empfangen, die durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben werden. Wie bei vielen Themen können diese Gleichungen und die Ausbreitungseigenschaften des Elektromagnetismus auf verschiedenen Ebenen untersucht werden, von relativ qualitativen Begriffen bis hin zu komplexen Gleichungen.
Es gibt viele Aspekte bei der Ausbreitung elektromagnetischer Energie, darunter die Polarisation, die in unterschiedlichem Maße Auswirkungen oder Bedenken bei Anwendungen und deren Antennendesigns haben kann. Die Grundprinzipien der Polarisation gelten für alle elektromagnetische Strahlung, einschließlich HF/drahtloser und optischer Energie, und werden häufig in optischen Anwendungen eingesetzt.
Was ist Antennenpolarisation?
Bevor wir die Polarisation verstehen, müssen wir zunächst die Grundprinzipien elektromagnetischer Wellen verstehen. Diese Wellen bestehen aus elektrischen Feldern (E-Feldern) und magnetischen Feldern (H-Feldern) und bewegen sich in eine Richtung. Die E- und H-Felder stehen senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung der ebenen Welle.
Polarisation bezieht sich auf die E-Feldebene aus Sicht des Signalsenders: Bei horizontaler Polarisation bewegt sich das elektrische Feld seitwärts in der horizontalen Ebene, während bei vertikaler Polarisation das elektrische Feld in der vertikalen Ebene auf und ab schwingt.( Abbildung 1).
Abbildung 1: Elektromagnetische Energiewellen bestehen aus zueinander senkrechten E- und H-Feldkomponenten
Lineare Polarisation und zirkulare Polarisation
Zu den Polarisationsmodi gehören:
Bei der grundlegenden linearen Polarisation sind die beiden möglichen Polarisationen orthogonal (senkrecht) zueinander (Abbildung 2). Theoretisch „sieht“ eine horizontal polarisierte Empfangsantenne das Signal einer vertikal polarisierten Antenne nicht und umgekehrt, selbst wenn beide auf derselben Frequenz arbeiten. Je besser sie ausgerichtet sind, desto mehr Signale werden erfasst und die Energieübertragung wird maximiert, wenn die Polarisationen übereinstimmen.
Abbildung 2: Die lineare Polarisation bietet zwei Polarisationsmöglichkeiten im rechten Winkel zueinander
Die schräge Polarisation der Antenne ist eine Art lineare Polarisation. Wie die grundlegende horizontale und vertikale Polarisation ist diese Polarisation nur in einer terrestrischen Umgebung sinnvoll. Die schräge Polarisation liegt in einem Winkel von ±45 Grad zur horizontalen Referenzebene. Obwohl es sich eigentlich nur um eine andere Form der linearen Polarisation handelt, bezieht sich der Begriff „linear“ normalerweise nur auf horizontal oder vertikal polarisierte Antennen.
Trotz einiger Verluste sind von einer Diagonalantenne gesendete (oder empfangene) Signale nur mit horizontal oder vertikal polarisierten Antennen möglich. Schräg polarisierte Antennen sind nützlich, wenn die Polarisation einer oder beider Antennen unbekannt ist oder sich während des Gebrauchs ändert.
Zirkularpolarisation (CP) ist komplexer als lineare Polarisation. In diesem Modus dreht sich die durch den E-Feldvektor dargestellte Polarisation mit der Signalausbreitung. Bei einer Drehung nach rechts (vom Sender aus gesehen) wird die Zirkularpolarisation als rechtshändige Zirkularpolarisation (RHCP) bezeichnet. bei Drehung nach links linkszirkulare Polarisation (LHCP) (Abbildung 3)
Abbildung 3: Bei zirkularer Polarisation dreht sich der E-Feldvektor einer elektromagnetischen Welle; Diese Drehung kann rechts- oder linksdrehend erfolgen
Ein CP-Signal besteht aus zwei orthogonalen Wellen, die phasenverschoben sind. Zur Erzeugung eines CP-Signals sind drei Bedingungen erforderlich. Das E-Feld muss aus zwei orthogonalen Komponenten bestehen; Die beiden Komponenten müssen um 90 Grad phasenverschoben und in der Amplitude gleich sein. Eine einfache Möglichkeit, CP zu erzeugen, ist die Verwendung einer Wendelantenne.
Die elliptische Polarisation (EP) ist eine Form der CP. Elliptisch polarisierte Wellen sind die Verstärkung, die von zwei linear polarisierten Wellen erzeugt wird, wie z. B. CP-Wellen. Wenn zwei zueinander senkrechte linear polarisierte Wellen mit ungleichen Amplituden kombiniert werden, entsteht eine elliptisch polarisierte Welle.
Die Polarisationsfehlanpassung zwischen Antennen wird durch den Polarisationsverlustfaktor (PLF) beschrieben. Dieser Parameter wird in Dezibel (dB) ausgedrückt und ist eine Funktion des Unterschieds im Polarisationswinkel zwischen Sende- und Empfangsantenne. Theoretisch kann der PLF von 0 dB (kein Verlust) für eine perfekt ausgerichtete Antenne bis zu unendlich dB (unendlicher Verlust) für eine perfekt orthogonale Antenne reichen.
In Wirklichkeit ist die Ausrichtung (oder Fehlausrichtung) der Polarisation jedoch nicht perfekt, da die mechanische Position der Antenne, das Benutzerverhalten, Kanalverzerrungen, Mehrwegereflexionen und andere Phänomene zu einer gewissen Winkelverzerrung des übertragenen elektromagnetischen Feldes führen können. Anfänglich wird es 10–30 dB oder mehr Signal-Kreuzpolarisations-„Leckverluste“ aus der orthogonalen Polarisation geben, was in manchen Fällen ausreichen kann, um die Wiederherstellung des gewünschten Signals zu beeinträchtigen.
Im Gegensatz dazu kann der tatsächliche PLF für zwei ausgerichtete Antennen mit idealer Polarisation je nach den Umständen 10 dB, 20 dB oder mehr betragen und die Signalwiederherstellung behindern. Mit anderen Worten: Unbeabsichtigte Kreuzpolarisation und PLF können in beide Richtungen wirken, indem sie das gewünschte Signal stören oder die gewünschte Signalstärke verringern.
Warum sollte man sich um Polarisierung kümmern?
Die Polarisation funktioniert auf zwei Arten: Je besser zwei Antennen ausgerichtet sind und die gleiche Polarisation haben, desto besser ist die Stärke des empfangenen Signals. Umgekehrt erschwert eine schlechte Polarisationsausrichtung es Empfängern, ob beabsichtigt oder unbefriedigt, ausreichend vom interessierenden Signal zu erfassen. In vielen Fällen verzerrt der „Kanal“ die gesendete Polarisation oder eine oder beide Antennen sind nicht in einer festen statischen Richtung ausgerichtet.
Die Wahl der zu verwendenden Polarisation wird normalerweise durch die Installation oder die atmosphärischen Bedingungen bestimmt. Beispielsweise wird eine horizontal polarisierte Antenne eine bessere Leistung erbringen und ihre Polarisation beibehalten, wenn sie in der Nähe der Decke installiert wird. Im Gegensatz dazu wird eine vertikal polarisierte Antenne eine bessere Leistung erbringen und ihre Polarisationsleistung beibehalten, wenn sie in der Nähe einer Seitenwand installiert wird.
Die weit verbreitete Dipolantenne (einfach oder gefaltet) ist in ihrer „normalen“ Montageausrichtung horizontal polarisiert (Abbildung 4) und wird häufig um 90 Grad gedreht, um bei Bedarf eine vertikale Polarisation anzunehmen oder einen bevorzugten Polarisationsmodus zu unterstützen (Abbildung 5).
Abbildung 4: Eine Dipolantenne wird normalerweise horizontal an ihrem Mast montiert, um eine horizontale Polarisation zu gewährleisten
Abbildung 5: Für Anwendungen, die eine vertikale Polarisation erfordern, kann die Dipolantenne entsprechend dort montiert werden, wo die Antenne einfängt
Vertikale Polarisation wird üblicherweise für Handfunkgeräte verwendet, wie sie beispielsweise von Ersthelfern verwendet werden, da viele vertikal polarisierte Funkantennenkonstruktionen auch ein omnidirektionales Strahlungsmuster bieten. Daher müssen solche Antennen nicht neu ausgerichtet werden, selbst wenn sich die Richtung des Radios und der Antenne ändert.
3–30-MHz-Hochfrequenzantennen (HF) bestehen typischerweise aus einfachen langen Drähten, die horizontal zwischen Halterungen aneinandergereiht sind. Seine Länge wird durch die Wellenlänge bestimmt (10 - 100 m). Dieser Antennentyp ist von Natur aus horizontal polarisiert.
Es ist erwähnenswert, dass die Bezeichnung dieses Bandes als „Hochfrequenz“ schon vor Jahrzehnten begann, als 30 MHz tatsächlich eine Hochfrequenz war. Obwohl diese Bezeichnung inzwischen veraltet zu sein scheint, handelt es sich um eine offizielle Bezeichnung der Internationalen Fernmeldeunion, die immer noch weit verbreitet ist.
Die bevorzugte Polarisation kann auf zwei Arten bestimmt werden: entweder mithilfe von Bodenwellen für eine stärkere Nahbereichssignalisierung durch Rundfunkgeräte, die das 300-kHz-3-MHz-Mittelwellenband (MW) verwenden, oder mithilfe von Himmelswellen für längere Entfernungen durch den Ionosphärenlink. Im Allgemeinen haben vertikal polarisierte Antennen eine bessere Ausbreitung von Bodenwellen, während horizontal polarisierte Antennen eine bessere Leistung von Himmelswellen haben.
Zirkularpolarisation wird häufig für Satelliten verwendet, da sich die Ausrichtung des Satelliten relativ zu Bodenstationen und anderen Satelliten ständig ändert. Der Wirkungsgrad zwischen Sende- und Empfangsantennen ist am größten, wenn beide zirkular polarisiert sind. Mit CP-Antennen können jedoch linear polarisierte Antennen verwendet werden, obwohl ein Polarisationsverlustfaktor auftritt.
Auch für 5G-Systeme ist die Polarisation wichtig. Einige 5G-Antennenarrays mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) erzielen einen höheren Durchsatz, indem sie die Polarisation nutzen, um das verfügbare Spektrum effizienter zu nutzen. Dies wird durch eine Kombination verschiedener Signalpolarisationen und räumliches Multiplexing der Antennen (Space Diversity) erreicht.
Das System kann zwei Datenströme übertragen, da die Datenströme durch unabhängige orthogonal polarisierte Antennen verbunden sind und unabhängig voneinander wiederhergestellt werden können. Selbst wenn aufgrund von Pfad- und Kanalverzerrungen, Reflexionen, Mehrwegewegen und anderen Unzulänglichkeiten eine gewisse Kreuzpolarisation vorliegt, verwendet der Empfänger ausgefeilte Algorithmen, um jedes Originalsignal wiederherzustellen, was zu niedrigen Bitfehlerraten (BER) und letztlich zu einer verbesserten Spektrumsnutzung führt.
abschließend
Polarisation ist eine wichtige Antenneneigenschaft, die oft übersehen wird. Lineare (einschließlich horizontaler und vertikaler) Polarisation, schräge Polarisation, zirkulare Polarisation und elliptische Polarisation werden für verschiedene Anwendungen verwendet. Der Bereich der durchgängigen HF-Leistung, die eine Antenne erreichen kann, hängt von ihrer relativen Ausrichtung und Ausrichtung ab. Standardantennen haben unterschiedliche Polarisationen und eignen sich für verschiedene Teile des Spektrums, sodass sie die bevorzugte Polarisation für die Zielanwendung bereitstellen.
Empfohlene Produkte:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parameter | Typisch | Einheiten |
| Frequenzbereich | 20-30 | GHz |
| Gewinnen | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. | |
| Polarisation | Dual Linear | |
| Kreuzpol. Isolierung | 60 Typ. | dB |
| Port-Isolierung | 70 Typ. | dB |
| Stecker | SMA-Fweiblich | |
| Material | Al | |
| Abschluss | Malen | |
| Größe(L*B*H) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Gewicht | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Artikel | Spezifikation | Einheit |
| Frequenzbereich | 1-18 | GHz |
| Gewinnen | 10 Typ. | dBi |
| VSWR | 1,5 Typ. | |
| Polarisation | Linear | |
| Cross Po. Isolierung | 30 Typ. | dB |
| Stecker | SMA-Buchse | |
| Abschluss | Pnicht | |
| Material | Al | |
| Größe(L*B*H) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Gewicht | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parameter | Typisch | Einheiten |
| Frequenzbereich | 2-18 | GHz |
| Gewinnen | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1,5 Typ. |
|
| Polarisation | Dual Linear |
|
| Kreuzpol. Isolierung | 40 | dB |
| Port-Isolierung | 40 | dB |
| Stecker | SMA-F |
|
| Oberflächenbehandlung | Pnicht |
|
| Größe(L*B*H) | 276*147*147(±5) | mm |
| Gewicht | 0,945 | kg |
| Material | Al |
|
| Betriebstemperatur | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parameter | Typisch | Einheiten |
| Frequenzbereich | 93-95 | GHz |
| Gewinnen | 22 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. |
|
| Polarisation | Dual Linear |
|
| Kreuzpol. Isolierung | 60 Typ. | dB |
| Port-Isolierung | 67 Typ. | dB |
| Stecker | WR10 |
|
| Material | Cu |
|
| Abschluss | Golden |
|
| Größe(L*B*H) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Gewicht | 0,015 | kg |
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 11. April 2024
