Elektronikingenieure wissen, dass Antennen Signale in Form von elektromagnetischen Wellen senden und empfangen, die durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben werden. Wie bei vielen Themen lassen sich diese Gleichungen und die Ausbreitungseigenschaften des Elektromagnetismus auf verschiedenen Ebenen untersuchen, von relativ qualitativen Betrachtungen bis hin zu komplexen Gleichungen.
Die Ausbreitung elektromagnetischer Energie ist vielschichtig und umfasst unter anderem die Polarisation, die in verschiedenen Anwendungen und Antennendesigns unterschiedliche Auswirkungen haben kann. Die grundlegenden Prinzipien der Polarisation gelten für alle elektromagnetischen Strahlungen, einschließlich Hochfrequenz-/Funk- und optischer Energie, und finden häufig Anwendung in optischen Systemen.
Was ist Antennenpolarisation?
Bevor wir die Polarisation verstehen, müssen wir zunächst die Grundlagen elektromagnetischer Wellen verstehen. Diese Wellen bestehen aus elektrischen Feldern (E-Feldern) und magnetischen Feldern (H-Feldern) und breiten sich in eine Richtung aus. Die E- und H-Felder stehen senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung ebener Wellen.
Bei der Polarisation ist die E-Feld-Ebene aus der Perspektive des Signalsenders zu betrachten: Bei horizontaler Polarisation bewegt sich das elektrische Feld seitwärts in der horizontalen Ebene, während es bei vertikaler Polarisation in der vertikalen Ebene auf und ab oszilliert (Abbildung 1).
Abbildung 1: Elektromagnetische Energiewellen bestehen aus zueinander senkrechten E- und H-Feldkomponenten.
Lineare Polarisation und zirkulare Polarisation
Zu den Polarisationsmodi gehören folgende:
Bei linearer Grundpolarisation stehen die beiden möglichen Polarisationen orthogonal (senkrecht) zueinander (Abbildung 2). Theoretisch empfängt eine horizontal polarisierte Empfangsantenne kein Signal von einer vertikal polarisierten Antenne und umgekehrt, selbst wenn beide mit derselben Frequenz arbeiten. Je besser die Polarisationen aufeinander abgestimmt sind, desto mehr Signal wird empfangen, und die Energieübertragung ist maximal, wenn die Polarisationen übereinstimmen.
Abbildung 2: Lineare Polarisation bietet zwei Polarisationsoptionen, die im rechten Winkel zueinander stehen.
Die schräge Polarisation der Antenne ist eine Form der linearen Polarisation. Wie die grundlegende horizontale und vertikale Polarisation ist auch diese Polarisation nur in einer terrestrischen Umgebung sinnvoll. Die schräge Polarisation erfolgt in einem Winkel von ±45 Grad zur horizontalen Bezugsebene. Obwohl es sich im Grunde nur um eine weitere Form der linearen Polarisation handelt, bezieht sich der Begriff „linear“ üblicherweise nur auf horizontal oder vertikal polarisierte Antennen.
Trotz gewisser Verluste ist das Senden (oder Empfangen) von Signalen mit einer Diagonalantenne nur mit horizontal oder vertikal polarisierten Antennen möglich. Schräg polarisierte Antennen sind dann nützlich, wenn die Polarisation einer oder beider Antennen unbekannt ist oder sich während des Gebrauchs ändert.
Die zirkulare Polarisation (CP) ist komplexer als die lineare Polarisation. In diesem Modus dreht sich die durch den E-Feldvektor dargestellte Polarisation mit der Ausbreitung des Signals. Bei einer Drehung nach rechts (vom Sender aus gesehen) spricht man von rechtszirkularer Polarisation (RHCP), bei einer Drehung nach links von linkszirkularer Polarisation (LHCP) (Abbildung 3).
Abbildung 3: Bei zirkularer Polarisation dreht sich der E-Feldvektor einer elektromagnetischen Welle; diese Drehung kann rechts- oder linkshändig sein.
Ein zirkular polarisiertes Signal (CP-Signal) besteht aus zwei orthogonalen, phasenverschobenen Wellen. Drei Bedingungen müssen erfüllt sein, um ein CP-Signal zu erzeugen: Das elektrische Feld muss aus zwei orthogonalen Komponenten bestehen; diese beiden Komponenten müssen um 90 Grad phasenverschoben und gleich groß sein. Eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung von CP ist die Verwendung einer Helixantenne.
Elliptische Polarisation (EP) ist eine Art von zirkular polarisierten Wellen (CP). Elliptisch polarisierte Wellen entstehen durch die Überlagerung zweier linear polarisierter Wellen, ähnlich wie bei CP-Wellen. Werden zwei zueinander senkrechte, linear polarisierte Wellen mit ungleichen Amplituden überlagert, entsteht eine elliptisch polarisierte Welle.
Die Fehlanpassung der Polarisation zwischen Antennen wird durch den Polarisationsverlustfaktor (PLF) beschrieben. Dieser Parameter wird in Dezibel (dB) angegeben und ist eine Funktion der Differenz der Polarisationswinkel zwischen Sende- und Empfangsantenne. Theoretisch kann der PLF zwischen 0 dB (kein Verlust) für eine perfekt ausgerichtete Antenne und unendlich dB (unendlicher Verlust) für eine perfekt orthogonale Antenne liegen.
In der Realität ist die Ausrichtung (oder Fehlausrichtung) der Polarisation jedoch nicht perfekt, da die mechanische Position der Antenne, das Nutzerverhalten, Kanalverzerrungen, Mehrwegeausbreitung und andere Phänomene zu Winkelverzerrungen des gesendeten elektromagnetischen Feldes führen können. Anfänglich tritt eine Signalstreuung von 10 bis 30 dB oder mehr aufgrund der Kreuzpolarisation der orthogonalen Polarisation auf, die in manchen Fällen ausreichen kann, um die Wiederherstellung des gewünschten Signals zu beeinträchtigen.
Im Gegensatz dazu kann der tatsächliche PLF-Wert zweier ausgerichteter Antennen mit idealer Polarisation je nach den Umständen 10 dB, 20 dB oder mehr betragen und die Signalwiederherstellung beeinträchtigen. Anders ausgedrückt: Unbeabsichtigte Kreuzpolarisation und PLF können sich in beide Richtungen auswirken, indem sie das gewünschte Signal stören oder dessen Stärke verringern.
Warum sollte man sich um Polarisierung kümmern?
Die Polarisation wirkt in zweierlei Hinsicht: Je besser zwei Antennen ausgerichtet sind und die gleiche Polarisation aufweisen, desto stärker ist das empfangene Signal. Umgekehrt erschwert eine ungenaue Polarisation den Empfang des gewünschten Signals. Häufig wird die Sendepolarisation durch den Kanal verzerrt, oder eine bzw. beide Antennen sind nicht in einer festen Richtung ausgerichtet.
Die Wahl der Polarisationsrichtung hängt üblicherweise von den Installations- oder atmosphärischen Bedingungen ab. Beispielsweise erzielt eine horizontal polarisierte Antenne eine bessere Leistung und behält ihre Polarisation bei, wenn sie in Deckennähe installiert wird; umgekehrt erzielt eine vertikal polarisierte Antenne eine bessere Leistung und behält ihre Polarisationseigenschaften bei, wenn sie in der Nähe einer Seitenwand installiert wird.
Die weit verbreitete Dipolantenne (glatt oder gefaltet) ist in ihrer "normalen" Montageausrichtung horizontal polarisiert (Abbildung 4) und wird oft um 90 Grad gedreht, um bei Bedarf eine vertikale Polarisation zu erreichen oder einen bevorzugten Polarisationsmodus zu unterstützen (Abbildung 5).
Abbildung 4: Eine Dipolantenne wird üblicherweise horizontal an ihrem Mast montiert, um eine horizontale Polarisation zu gewährleisten.
Abbildung 5: Für Anwendungen, die eine vertikale Polarisation erfordern, kann die Dipolantenne entsprechend so montiert werden, dass die Antenne die Antenne auffängt.
Vertikale Polarisation wird häufig bei tragbaren Mobilfunkgeräten, wie sie beispielsweise von Rettungskräften verwendet werden, eingesetzt, da viele vertikal polarisierte Antennenkonstruktionen auch ein omnidirektionales Strahlungsmuster aufweisen. Daher müssen solche Antennen nicht neu ausgerichtet werden, selbst wenn sich die Richtung von Funkgerät und Antenne ändert.
Hochfrequenzantennen (HF-Antennen) für den Frequenzbereich von 3 bis 30 MHz bestehen typischerweise aus einfachen, horizontal zwischen Halterungen gespannten, langen Drähten. Ihre Länge richtet sich nach der Wellenlänge (10–100 m). Diese Antennen sind von Natur aus horizontal polarisiert.
Es ist erwähnenswert, dass die Bezeichnung dieses Frequenzbandes als „Hochfrequenz“ vor Jahrzehnten begann, als 30 MHz tatsächlich als Hochfrequenz galt. Obwohl diese Bezeichnung heute veraltet erscheint, ist sie eine offizielle Bezeichnung der Internationalen Fernmeldeunion und wird weiterhin häufig verwendet.
Die bevorzugte Polarisation kann auf zwei Arten bestimmt werden: entweder durch Nutzung von Bodenwellen für eine stärkere Nahbereichsübertragung mit Rundfunkgeräten im Mittelwellenbereich (300 kHz – 3 MHz) oder durch Nutzung von Raumwellen für größere Entfernungen durch die Ionosphäre (Link). Generell gilt: Vertikal polarisierte Antennen eignen sich besser für die Bodenwellenausbreitung, während horizontal polarisierte Antennen eine bessere Raumwellenausbreitung ermöglichen.
Zirkulare Polarisation wird häufig für Satelliten verwendet, da sich die Ausrichtung des Satelliten relativ zu Bodenstationen und anderen Satelliten ständig ändert. Die Effizienz zwischen Sende- und Empfangsantennen ist am größten, wenn beide zirkular polarisiert sind. Linear polarisierte Antennen können jedoch auch mit zirkular polarisierten Antennen verwendet werden, allerdings treten dabei Polarisationsverluste auf.
Die Polarisation spielt auch für 5G-Systeme eine wichtige Rolle. Einige 5G-MIMO-Antennenarrays (Multiple-Input/Multiple-Output) erzielen einen höheren Datendurchsatz, indem sie die Polarisation nutzen, um das verfügbare Spektrum effizienter auszunutzen. Dies wird durch eine Kombination verschiedener Signalpolarisationen und räumliches Multiplexing der Antennen (Raumdiversität) erreicht.
Das System kann zwei Datenströme übertragen, da diese über unabhängige, orthogonal polarisierte Antennen verbunden sind und unabhängig voneinander wiederhergestellt werden können. Selbst bei Kreuzpolarisation aufgrund von Pfad- und Kanalverzerrungen, Reflexionen, Mehrwegeausbreitung und anderen Störungen nutzt der Empfänger ausgefeilte Algorithmen zur Wiederherstellung jedes Originalsignals. Dies führt zu niedrigen Bitfehlerraten (BER) und letztendlich zu einer verbesserten Spektrumnutzung.
abschließend
Die Polarisation ist eine wichtige, aber oft vernachlässigte Antenneneigenschaft. Lineare (horizontale und vertikale), schräge, zirkulare und elliptische Polarisation werden für unterschiedliche Anwendungen genutzt. Die erreichbare HF-Performance einer Antenne hängt von ihrer relativen Ausrichtung ab. Standardantennen weisen verschiedene Polarisationen auf und eignen sich für unterschiedliche Spektralbereiche, wodurch die jeweils optimale Polarisation für die jeweilige Anwendung bereitgestellt wird.
Empfohlene Produkte:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parameter | Typisch | Einheiten |
| Frequenzbereich | 20-30 | GHz |
| Gewinnen | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. | |
| Polarisation | Dual Linear | |
| Kreuzpolare Isolation | 60 Typ. | dB |
| Portisolierung | 70 Typ. | dB |
| Anschluss | SMA-FFrau | |
| 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 | |
| Kreuzinfektion Isolation | 30 Typ. | dB |
| Anschluss | SMA-Weiblich | |
| Abschluss | Pist nicht | |
| 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 |
|
| Kreuzpolare Isolation | 40 | dB |
| Portisolierung | 40 | dB |
| Anschluss | SMA-F |
|
| Oberflächenbehandlung | Pist nicht |
|
| 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 |
|
| Kreuzpolare Isolation | 60 Typ. | dB |
| Portisolierung | 67 Typ. | dB |
| Anschluss | WR10 |
|
| Material | Cu |
|
| Abschluss | Golden |
|
| Größe(L*B*H) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Gewicht | 0,015 | kg |
Veröffentlichungsdatum: 11. April 2024
