Polarisatie is een van de basiseigenschappen van antennes. We moeten eerst de polarisatie van vlakke golven begrijpen. Daarna kunnen we de belangrijkste soorten antennepolarisatie bespreken.
lineaire polarisatie
We zullen de polarisatie van een vlakke elektromagnetische golf beter gaan begrijpen.
Een vlakke elektromagnetische (EM) golf heeft verschillende kenmerken. Ten eerste plant het vermogen zich voort in één richting (er is geen veldverandering in twee orthogonale richtingen). Ten tweede staan het elektrische veld en het magnetische veld loodrecht op elkaar en orthogonaal ten opzichte van elkaar. Elektrische en magnetische velden staan loodrecht op de voortplantingsrichting van de vlakke golf. Neem bijvoorbeeld een elektrisch veld met één frequentie (E-veld) gegeven door vergelijking (1). Het elektromagnetische veld plant zich voort 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) zien we de notatie: . Dit is een eenheidsvector (een vector met lengte ), wat aangeeft dat het punt van het elektrische veld zich in de x-richting bevindt. De vlakke golf wordt geïllustreerd in figuur 1.
Figuur 1. Grafische weergave van het elektrische veld dat zich in de +z-richting voortplant.
Polarisatie is het spoor en de voortplantingsvorm (contour) van een elektrisch veld. Neem bijvoorbeeld de vergelijking (1) voor het elektrische veld van een vlakke golf. We zullen de positie waar het elektrische veld (X,Y,Z) = (0,0,0) is, observeren als functie van de tijd. 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 is altijd gericht langs de aangegeven x-as. Omdat het elektrische veld langs één lijn wordt gehandhaafd, kan dit veld lineair gepolariseerd worden genoemd. Als de x-as parallel loopt aan de grond, wordt dit veld ook wel horizontaal gepolariseerd genoemd. Als het veld langs de y-as is georiënteerd, kan de golf verticaal gepolariseerd worden genoemd.
Lineair gepolariseerde golven hoeven niet langs een horizontale of verticale as gericht te zijn. Een elektrische veldgolf met een beperking die langs een lijn ligt, 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 het traject een hoek beschrijft.
Het elektrische veld in figuur 3 kan worden beschreven door vergelijking (2). Nu is er een x- en een y-component van het elektrische veld. Beide componenten zijn even groot.
Een belangrijk punt met betrekking tot vergelijking (2) is de xy-component en de elektronische velden in de tweede fase. Dit betekent dat beide componenten te allen tijde dezelfde amplitude hebben.
circulaire polarisatie
Neem nu aan 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 weer wordt waargenomen als (X, Y, Z) = (0,0,0), zoals eerder, zal de grafiek van het elektrische veld versus tijd eruitzien zoals weergegeven in figuur 4 hieronder.
Figuur 4. Elektrische veldsterkte (X, Y, Z) = (0,0,0) EQ-domein. (3).
Het elektrische veld in figuur 4 roteert 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 zich verplaatst op het Wave Figure 4-scherm, spreekt men van een tegen de klok in draaiende, rechtsdraaiende circulaire polarisatie (RHCP). Draait het veld met de klok mee, dan is er sprake van linksdraaiende circulaire polarisatie (LHCP).
Elliptische polarisatie
Als het elektrische veld twee loodrechte componenten heeft, 90 graden uit fase maar met gelijke grootte, dan is het veld elliptisch gepolariseerd. Beschouw het elektrische veld van een vlakke golf die zich voortplant in de +z-richting, beschreven door vergelijking (4):
De plaats waar het uiteinde van de elektrische veldvector zich bevindt, wordt weergegeven in figuur 5.
Figuur 5. Elektrisch veld van een prompt elliptische polarisatiegolf. (4).
Het veld in figuur 5, dat zich tegen de klok in voortplant, zou rechts-elliptisch gepolariseerd zijn als het uit het scherm zou komen. Als de elektrische veldvector in de tegenovergestelde richting roteert, zal het veld links-elliptisch gepolariseerd zijn.
Bovendien verwijst elliptische polarisatie naar de excentriciteit. De verhouding tussen de excentriciteit en de amplitude van de grote en kleine as. De golfexcentriciteit 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 willekeurige hoek in het vlak kan hebben. De hoek hoeft niet overeen te komen met de X-, Y- of Z-as. Tot slot is het belangrijk op te merken dat zowel circulaire als lineaire polarisatie speciale gevallen zijn van elliptische polarisatie. Een elliptisch gepolariseerde golf met een excentriciteit van 1,0 is een circulair gepolariseerde golf. Elliptisch gepolariseerde golven met oneindige excentriciteit. Lineair gepolariseerde golven.
Antennepolarisatie
Nu we op de hoogte zijn van gepolariseerde vlakke elektromagnetische velden, is de polarisatie van een antenne eenvoudig te definiëren.
Antennepolarisatie: Bij een evaluatie van het verre veld van een antenne wordt de polarisatie van het resulterende uitgestraalde veld bepaald. Daarom worden antennes vaak aangeduid als "lineair gepolariseerde" of "rechtsdraaiend circulair gepolariseerde antennes".
Dit eenvoudige concept is belangrijk voor antennecommunicatie. Ten eerste zal een horizontaal gepolariseerde antenne niet communiceren met een verticaal gepolariseerde antenne. Vanwege de wederkerigheidstheorie zenden en ontvangen antennes op exact dezelfde manier. Daarom zenden en ontvangen verticaal gepolariseerde antennes verticaal gepolariseerde velden. Als je dus probeert een verticaal gepolariseerde antenne te verbinden met een horizontaal gepolariseerde antenne, zal er geen ontvangst plaatsvinden.
In het algemene geval, voor twee lineair gepolariseerde antennes die ten opzichte van elkaar gedraaid zijn onder een hoek ( ), wordt het vermogensverlies als gevolg van deze polarisatie-mismatch beschreven door de polarisatieverliesfactor (PLF):
Als twee antennes dezelfde polarisatie hebben, is de hoek tussen hun uitstralende elektronenvelden nul en is er geen vermogensverlies door polarisatie-mismatch. Als de ene antenne verticaal gepolariseerd is en de andere horizontaal, is de hoek 90 graden en wordt er geen vermogen overgedragen.
LET OP: Door de telefoon in verschillende hoeken boven je hoofd te houden, wordt de ontvangst soms verbeterd. Mobiele telefoonantennes zijn meestal lineair gepolariseerd, dus door de telefoon te draaien kan de polarisatie vaak worden aangepast aan die van de telefoon, waardoor de ontvangst verbetert.
Circulaire polarisatie is een gewenste eigenschap van veel antennes. Beide antennes zijn circulair gepolariseerd en ondervinden geen signaalverlies als gevolg van polarisatie-mismatch. Antennes die in GPS-systemen worden gebruikt, zijn rechtsdraaiend circulair gepolariseerd.
Stel nu dat een lineair gepolariseerde antenne circulair gepolariseerde golven ontvangt. Of, equivalent, stel dat een circulair gepolariseerde antenne lineair gepolariseerde golven probeert te ontvangen. Wat is de resulterende polarisatieverliesfactor?
Bedenk dat circulaire polarisatie in feite bestaat uit twee orthogonale, lineair gepolariseerde golven die 90 graden uit fase zijn. Een lineair gepolariseerde (LP) antenne ontvangt daarom alleen de fasecomponent van de circulair gepolariseerde (CP) golf. De LP-antenne heeft dus een polarisatie-mismatchverlies van 0,5 (-3 dB). Dit geldt ongeacht de hoek waaronder de LP-antenne is gedraaid. Daarom:
De polarisatieverliesfactor wordt soms ook wel polarisatie-efficiëntie, antenne-mismatchfactor of antenne-ontvangstfactor genoemd. Al deze benamingen verwijzen naar hetzelfde concept.
Geplaatst op: 22 december 2023
