Polarisatie is een van de basiskenmerken van antennes. We moeten eerst de polarisatie van vlakke golven begrijpen. Vervolgens bespreken we de belangrijkste soorten antennepolarisatie.
lineaire polarisatie
We gaan de polarisatie van een vlakke elektromagnetische golf begrijpen.
Een vlakke elektromagnetische (EM) golf heeft verschillende kenmerken. Ten eerste beweegt de energie zich in één richting voort (geen veldveranderingen in twee orthogonale richtingen). Ten tweede staan het elektrische veld en het magnetische veld loodrecht op elkaar en loodrecht op elkaar. Elektrische en magnetische velden staan loodrecht op de voortplantingsrichting van de vlakke golf. Beschouw bijvoorbeeld een elektrisch veld met één frequentie (E-veld) zoals weergegeven in vergelijking (1). Het elektromagnetische veld beweegt zich in de +z-richting. Het elektrische veld is gericht in de +x-richting. Het magnetische veld is gericht in de +y-richting.
In vergelijking (1) zie je de notatie: . Dit is een eenheidsvector (een lengtevector), wat aangeeft dat het elektrische veldpunt in de x-richting ligt. De vlakke golf is geïllustreerd in figuur 1.
figuur 1. Grafische weergave van het elektrische veld dat zich in de +z-richting beweegt.
Polarisatie is de vorm (contour) van een elektrisch veld, die de vorm van het spoor en de voortplanting volgt. Beschouw als voorbeeld de elektrische veldvergelijking (1) voor een vlakke golf. We zullen de positie van het elektrische veld (X,Y,Z) = (0,0,0) als functie van de tijd bekijken. De amplitude van dit veld is weergegeven in figuur 2, op verschillende tijdstippen. Het veld oscilleert met frequentie "F".
figuur 2. Observeer het elektrische veld (X, Y, Z) = (0,0,0) op verschillende tijdstippen.
Het elektrische veld wordt waargenomen in de oorsprong en oscilleert heen en weer in amplitude. Het elektrische veld bevindt zich altijd langs de aangegeven x-as. Omdat het elektrische veld zich langs één lijn bevindt, kan worden gezegd dat dit veld lineair gepolariseerd is. Als de x-as parallel aan de grond loopt, wordt dit veld ook beschreven als horizontaal gepolariseerd. Als het veld langs de y-as is georiënteerd, kan worden gezegd dat de golf verticaal gepolariseerd is.
Lineair gepolariseerde golven hoeven niet langs een horizontale of verticale as te worden gericht. Een elektrische veldgolf met een beperking langs een lijn zoals weergegeven in figuur 3 zou bijvoorbeeld ook lineair gepolariseerd zijn.
Afbeelding 3. De amplitude van het elektrische veld van een lineair gepolariseerde golf waarvan de baan een hoek maakt.
Het elektrische veld in figuur 3 kan worden beschreven met vergelijking (2). Er is nu een x- en y-component in het elektrische veld. Beide componenten zijn even groot.
Een ding om op te merken over vergelijking (2) is de xy-component en de elektronenvelden in de tweede fase. Dit betekent dat beide componenten te allen tijde dezelfde amplitude hebben.
circulaire polarisatie
Veronderstel nu dat het elektrische veld van een vlakke golf wordt gegeven door vergelijking (3):
In dit geval zijn de X- en Y-elementen 90 graden uit fase. Als het veld wordt waargenomen als (X, Y, Z) = (0,0,0), zoals eerder, ziet de curve van het elektrische veld versus de tijd eruit zoals hieronder weergegeven in figuur 4.
Figuur 4. Elektrische veldsterkte (X, Y, Z) = (0,0,0) EQ-domein. (3).
Het elektrische veld in figuur 4 draait in een cirkel. Dit type veld wordt beschreven als een circulair gepolariseerde golf. Voor circulaire polarisatie moet aan de volgende criteria worden voldaan:
- Standaard voor circulaire polarisatie
- Het elektrische veld moet twee orthogonale (loodrechte) componenten hebben.
- De orthogonale componenten van het elektrische veld moeten gelijke amplitudes hebben.
- De kwadratuurcomponenten moeten 90 graden uit fase zijn.
Als het veld op het scherm van golffiguur 4 beweegt, wordt de veldrotatie tegen de klok in en rechtsdraaiend circulair gepolariseerd (RHCP) genoemd. Als het veld met de klok mee draait, is het veld linksdraaiend circulair gepolariseerd (LHCP).
Elliptische polarisatie
Als het elektrische veld twee loodrechte componenten heeft, 90 graden uit fase maar van gelijke grootte, zal het veld elliptisch gepolariseerd zijn. Beschouw het elektrische veld van een vlakke golf die zich in de +z-richting voortplant, beschreven door vergelijking (4):
De plaats van het punt waarop de top van de elektrische veldvector zich zal bevinden, wordt weergegeven in Figuur 5
Figuur 5. Snel elliptisch polarisatiegolf elektrisch veld. (4).
Het veld in figuur 5, dat tegen de klok in beweegt, zou rechtsdraaiend elliptisch zijn als het het scherm zou verlaten. Als de elektrische veldvector in de tegenovergestelde richting roteert, zal het veld linksdraaiend elliptisch gepolariseerd zijn.
Elliptische polarisatie verwijst bovendien naar de excentriciteit ervan. De verhouding van de excentriciteit tot de amplitude van de grote en kleine assen. De excentriciteit van de golf uit vergelijking (4) is bijvoorbeeld 1/0,3 = 3,33. Elliptisch gepolariseerde golven worden verder beschreven door de richting van de grote as. De golfvergelijking (4) heeft een as die voornamelijk bestaat uit de x-as. Merk op dat de grote as elke vlakke hoek kan hebben. De hoek is niet vereist om in de x-, y- of z-as te passen. Ten slotte is het belangrijk op te merken dat zowel circulaire als lineaire polarisatie speciale gevallen van elliptische polarisatie zijn. Een excentrische elliptisch gepolariseerde golf van 1,0 is een circulair gepolariseerde golf. Elliptisch gepolariseerde golven met oneindige excentriciteit. Lineair gepolariseerde golven.
Antennepolarisatie
Nu we weten dat er sprake is van gepolariseerde vlakke elektromagnetische golven, kunnen we de polarisatie van een antenne eenvoudig definiëren.
Antennepolarisatie: een verre-veld-evaluatie van een antenne, de polarisatie van het resulterende uitgestraalde veld. Daarom worden antennes vaak aangeduid als "lineair gepolariseerd" of "rechtsdraaiend circulair gepolariseerd".
Dit eenvoudige concept is belangrijk voor antennecommunicatie. Ten eerste communiceert een horizontaal gepolariseerde antenne niet met een verticaal gepolariseerde antenne. Vanwege de reciprociteitstheorie zendt en ontvangt de antenne op exact dezelfde manier. Verticaal gepolariseerde antennes zenden en ontvangen daarom verticaal gepolariseerde velden. Als je dus probeert een horizontaal gepolariseerde antenne over te brengen, zal er geen ontvangst zijn.
In het algemene geval zal het vermogensverlies als gevolg van deze polarisatiemismatch voor twee lineair gepolariseerde antennes die ten opzichte van elkaar zijn gedraaid onder een hoek ( ) worden beschreven door de polarisatieverliesfactor (PLF):
Als twee antennes dezelfde polarisatie hebben, is de hoek tussen hun uitstralende elektronenvelden dus nul en is er geen vermogensverlies door polarisatiemismatch. Als de ene antenne verticaal gepolariseerd is en de andere horizontaal, is de hoek 90 graden en wordt er geen vermogen overgedragen.
OPMERKING: Door de telefoon boven uw hoofd in verschillende hoeken te bewegen, kan de ontvangst soms verbeteren. De antennes van mobiele telefoons zijn meestal lineair gepolariseerd, dus door de telefoon te draaien kunt u de polarisatie van de telefoon vaak aanpassen, wat de ontvangst verbetert.
Circulaire polarisatie is een gewenste eigenschap van veel antennes. Beide antennes zijn circulair gepolariseerd en hebben geen last van signaalverlies door polarisatiemismatch. Antennes die in GPS-systemen worden gebruikt, zijn rechtsdraaiend circulair gepolariseerd.
Stel nu dat een lineair gepolariseerde antenne circulair gepolariseerde golven ontvangt. Stel dat een circulair gepolariseerde antenne lineair gepolariseerde golven probeert te ontvangen. Wat is de resulterende polarisatieverliesfactor?
Bedenk dat circulaire polarisatie eigenlijk twee orthogonale, lineair gepolariseerde golven zijn, 90 graden uit fase. Een lineair gepolariseerde (LP) antenne ontvangt daarom alleen de fasecomponent van de circulair gepolariseerde (CP) golf. De LP-antenne heeft dus een polarisatiemismatchverlies van 0,5 (-3 dB). Dit geldt ongeacht de hoek waarin de LP-antenne is gedraaid. Daarom:
De polarisatieverliesfactor wordt soms ook wel polarisatie-efficiëntie, antennemismatchfactor of antenne-ontvangstfactor genoemd. Al deze namen verwijzen naar hetzelfde concept.
Plaatsingstijd: 22-12-2023
