Polarisation ist eine der grundlegenden Eigenschaften von Antennen. Wir müssen zunächst die Polarisation ebener Wellen verstehen. Anschließend können wir die wichtigsten Arten der Antennenpolarisation besprechen.
lineare Polarisation
Wir beginnen, die Polarisation einer ebenen elektromagnetischen Welle zu verstehen.
Eine planare elektromagnetische Welle (EM) weist mehrere Eigenschaften auf. Das erste ist, dass sich die Kraft in eine Richtung ausbreitet (keine Feldänderungen in zwei orthogonalen Richtungen). Zweitens stehen das elektrische Feld und das magnetische Feld senkrecht zueinander und orthogonal zueinander. Elektrische und magnetische Felder verlaufen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ebener Wellen. Betrachten Sie als Beispiel ein elektrisches Feld mit einer einzigen Frequenz (E-Feld), das durch Gleichung (1) gegeben ist. Das elektromagnetische Feld breitet sich in +z-Richtung aus. Das elektrische Feld ist in +x-Richtung gerichtet. Das Magnetfeld verläuft in +y-Richtung.
Beachten Sie in Gleichung (1) die Notation: . Dies ist ein Einheitsvektor (ein Längenvektor), der besagt, dass der Punkt des elektrischen Feldes in x-Richtung liegt. Die ebene Welle ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Grafische Darstellung des elektrischen Feldes, das sich in +z-Richtung ausbreitet.
Polarisation ist die Spur und Ausbreitungsform (Kontur) eines elektrischen Feldes. Betrachten Sie als Beispiel die Gleichung (1) für das elektrische Feld einer ebenen Welle. Wir werden die Position, an der das elektrische Feld (X,Y,Z) = (0,0,0) ist, als Funktion der Zeit beobachten. Die Amplitude dieses Feldes ist in Abbildung 2 zu mehreren Zeitpunkten dargestellt. Das Feld schwingt 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 schwankt in seiner Amplitude hin und her. Das elektrische Feld verläuft immer entlang der angegebenen x-Achse. Da das elektrische Feld entlang einer einzelnen Linie aufrechterhalten wird, kann man sagen, dass dieses Feld linear polarisiert ist. Wenn die X-Achse außerdem parallel zum Boden verläuft, wird dieses Feld auch als horizontal polarisiert beschrieben. Wenn das Feld entlang der Y-Achse ausgerichtet ist, kann man sagen, dass die Welle vertikal polarisiert ist.
Linear polarisierte Wellen müssen nicht entlang einer horizontalen oder vertikalen Achse gerichtet sein. Beispielsweise wäre eine elektrische Feldwelle mit einer Beschränkung 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 kann durch Gleichung (2) beschrieben werden. Nun gibt es eine x- und eine y-Komponente des elektrischen Feldes. Beide Komponenten sind gleich groß.
Bei Gleichung (2) ist die xy-Komponente und die elektronischen Felder in der zweiten Stufe zu beachten. Das bedeutet, dass beide Komponenten zu jedem Zeitpunkt 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 erneut wie zuvor als (X, Y, Z) = (0,0,0) beobachtet wird, sieht die Kurve des elektrischen Felds als Funktion 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 dreht sich kreisförmig. Diese Art von Feld wird als zirkular polarisierte Welle beschrieben. Für die Zirkularpolarisation müssen folgende Kriterien erfüllt sein:
- Standard für Zirkularpolarisation
- 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.
Wenn man sich auf dem Bildschirm „Welle Abbildung 4“ bewegt, wird die Feldrotation als gegen den Uhrzeigersinn und rechtsdrehend zirkular polarisiert (RHCP) bezeichnet. Wenn das Feld im Uhrzeigersinn gedreht wird, weist das Feld eine linkshändige Zirkularpolarisation (LHCP) auf.
Elliptische Polarisation
Wenn das elektrische Feld zwei senkrechte Komponenten hat, die um 90 Grad phasenverschoben, aber gleich groß sind, ist das Feld elliptisch polarisiert. Betrachtet man das elektrische Feld einer ebenen Welle, die sich in +z-Richtung ausbreitet, beschrieben durch Gleichung (4):
Der Ort des Punktes, an dem die Spitze des elektrischen Feldvektors annimmt, ist in Abbildung 5 dargestellt
Abbildung 5. Schnelles elektrisches Feld mit elliptischer Polarisationswelle. (4).
Das Feld in Abbildung 5 würde, wenn es sich gegen den Uhrzeigersinn bewegt, rechtsdrehend elliptisch sein, wenn es sich aus dem Bildschirm herausbewegt. Wenn sich der elektrische Feldvektor in die entgegengesetzte Richtung dreht, ist das Feld linksdrehend 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 weiter durch die Richtung der Hauptachse beschrieben. Die Wellengleichung (4) hat eine Achse, die hauptsächlich aus der x-Achse besteht. Beachten Sie, dass die Hauptachse einen beliebigen Ebenenwinkel haben kann. Der Winkel muss nicht zur X-, Y- oder Z-Achse passen. Abschließend ist es wichtig zu beachten, dass sowohl die zirkuläre als auch die lineare Polarisation Sonderfälle der elliptischen Polarisation sind. 1,0 exzentrische elliptisch polarisierte Welle ist eine zirkular polarisierte Welle. Elliptisch polarisierte Wellen mit unendlicher Exzentrizität. Linear polarisierte Wellen.
Antennenpolarisation
Da wir uns nun der polarisierten elektromagnetischen Felder mit ebenen Wellen bewusst sind, ist die Polarisation einer Antenne einfach definiert.
Antennenpolarisation Eine Antennen-Fernfeldauswertung, die Polarisation des resultierenden abgestrahlten Feldes. Daher werden Antennen oft als „linear polarisierte“ oder „rechtsdrehend zirkular polarisierte Antennen“ aufgeführt.
Dieses einfache Konzept ist wichtig für die Antennenkommunikation. Erstens kommuniziert eine horizontal polarisierte Antenne nicht mit einer vertikal polarisierten Antenne. Aufgrund des Reziprozitätstheorems sendet und empfängt die Antenne auf genau die gleiche Weise. Daher senden und empfangen vertikal polarisierte Antennen vertikal polarisierte Felder. Wenn Sie also versuchen, eine vertikal polarisierte, horizontal polarisierte Antenne zu übertragen, wird es keinen Empfang geben.
Im allgemeinen Fall wird der Leistungsverlust aufgrund dieser Polarisationsfehlanpassung für zwei linear polarisierte Antennen, die relativ zueinander um einen Winkel gedreht sind, durch den Polarisationsverlustfaktor (PLF) beschrieben:
Wenn also zwei Antennen die gleiche Polarisation haben, ist der Winkel zwischen ihren strahlenden Elektronenfeldern Null und es gibt keinen Leistungsverlust aufgrund einer Polarisationsfehlanpassung. Wenn eine Antenne vertikal und die andere horizontal polarisiert ist, beträgt der Winkel 90 Grad und es wird keine Leistung übertragen.
HINWEIS: Wenn Sie das Telefon in verschiedenen Winkeln über Ihren Kopf bewegen, kann der Empfang manchmal verbessert werden. Mobiltelefonantennen sind normalerweise linear polarisiert, sodass durch Drehen des Telefons häufig die Polarisation des Telefons angepasst und so der Empfang verbessert werden kann.
Zirkularpolarisation ist eine wünschenswerte Eigenschaft vieler Antennen. Beide Antennen sind zirkular polarisiert und weisen keinen Signalverlust aufgrund von Polarisationsfehlanpassungen auf. In GPS-Systemen verwendete Antennen sind rechtszirkular polarisiert.
Nehmen wir nun an, dass eine linear polarisierte Antenne zirkular polarisierte Wellen empfängt. Nehmen wir äquivalent an, dass eine zirkular polarisierte Antenne versucht, linear polarisierte Wellen zu empfangen. Wie groß ist der resultierende Polarisationsverlustfaktor?
Denken Sie daran, dass es sich bei der Zirkularpolarisation tatsächlich um zwei orthogonale, linear polarisierte Wellen handelt, die um 90 Grad phasenverschoben sind. Daher empfängt eine linear polarisierte (LP) Antenne nur die zirkular polarisierte (CP) Wellenphasenkomponente. Daher weist die LP-Antenne einen Polarisationsfehlanpassungsverlust von 0,5 (-3 dB) auf. Dies gilt unabhängig davon, in welchem Winkel die LP-Antenne gedreht wird. daher:
Der Polarisationsverlustfaktor wird manchmal als Polarisationseffizienz, Antennenfehlanpassungsfaktor oder Antennenempfangsfaktor bezeichnet. Alle diese Namen beziehen sich auf dasselbe Konzept.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. Dezember 2023
