Polaryzacja jest jedną z podstawowych cech anten. Najpierw musimy zrozumieć polaryzację fal płaskich. Następnie możemy omówić główne typy polaryzacji anteny.
polaryzacja liniowa
Zaczniemy rozumieć polaryzację płaskiej fali elektromagnetycznej.
Płaska fala elektromagnetyczna (EM) ma kilka cech. Po pierwsze, moc przemieszcza się w jednym kierunku (brak zmian pola w dwóch prostopadłych kierunkach). Po drugie, pole elektryczne i pole magnetyczne są do siebie prostopadłe i ortogonalne. Pola elektryczne i magnetyczne są prostopadłe do kierunku propagacji fali płaskiej. Jako przykład rozważmy pole elektryczne o pojedynczej częstotliwości (pole E) określone równaniem (1). Pole elektromagnetyczne przemieszcza się w kierunku +z. Pole elektryczne jest skierowane w kierunku +x. Pole magnetyczne jest w kierunku +y.
W równaniu (1) należy zwrócić uwagę na zapis: . Jest to wektor jednostkowy (wektor długości), który mówi, że punkt pola elektrycznego leży w kierunku x. Falę płaską pokazano na rysunku 1.
rysunek 1. Graficzne przedstawienie pola elektrycznego przemieszczającego się w kierunku +z.
Polaryzacja to kształt śladu i propagacji (kontur) pola elektrycznego. Jako przykład rozważmy równanie pola elektrycznego fali płaskiej (1). Będziemy obserwować położenie, w którym pole elektryczne wynosi (X,Y,Z) = (0,0,0) w funkcji czasu. Amplituda tego pola jest przedstawiona na rysunku 2 w kilku momentach w czasie. Pole oscyluje z częstotliwością „F”.
rysunek 2. Obserwuj pole elektryczne (X, Y, Z) = (0,0,0) w różnych momentach.
Pole elektryczne obserwuje się na początku, oscylując tam i z powrotem z amplitudą. Pole elektryczne przebiega zawsze wzdłuż wskazanej osi x. Ponieważ pole elektryczne utrzymuje się wzdłuż jednej linii, można powiedzieć, że pole to jest spolaryzowane liniowo. Dodatkowo, jeśli oś X jest równoległa do ziemi, pole to jest również określane jako spolaryzowane poziomo. Jeśli pole jest zorientowane wzdłuż osi Y, można powiedzieć, że fala jest spolaryzowana pionowo.
Fale spolaryzowane liniowo nie muszą być kierowane wzdłuż osi poziomej lub pionowej. Na przykład fala pola elektrycznego z ograniczeniem leżącym wzdłuż linii, jak pokazano na rysunku 3, również byłaby spolaryzowana liniowo.
rysunek 3. Amplituda pola elektrycznego fali spolaryzowanej liniowo, której trajektoria jest kątem.
Pole elektryczne na rysunku 3 można opisać równaniem (2). Mamy teraz składową x i y pola elektrycznego. Obydwa elementy mają jednakową wielkość.
Jedną rzeczą wartą odnotowania w równaniu (2) jest składowa xy i pola elektroniczne w drugim etapie. Oznacza to, że obie składowe mają przez cały czas tę samą amplitudę.
polaryzacja kołowa
Załóżmy teraz, że pole elektryczne fali płaskiej jest określone równaniem (3):
W tym przypadku elementy X i Y są przesunięte w fazie o 90 stopni. Jeśli pole zostanie ponownie zaobserwowane jako (X, Y, Z) = (0,0,0) tak jak poprzednio, krzywa pola elektrycznego w funkcji czasu pojawi się, jak pokazano poniżej na rysunku 4.
Rysunek 4. Natężenie pola elektrycznego (X, Y, Z) = (0,0,0) Dziedzina EQ. (3).
Pole elektryczne na rysunku 4 obraca się po okręgu. Ten typ pola jest opisywany jako fala spolaryzowana kołowo. W przypadku polaryzacji kołowej muszą być spełnione następujące kryteria:
- Standard dla polaryzacji kołowej
- Pole elektryczne musi mieć dwie składowe ortogonalne (prostopadłe).
- Składowe ortogonalne pola elektrycznego muszą mieć równe amplitudy.
- Składniki kwadraturowe muszą być przesunięte w fazie o 90 stopni.
Mówi się, że podczas podróży po ekranie z figurą fali 4 obrót pola jest przeciwny do ruchu wskazówek zegara i prawoskrętny, spolaryzowany kołowo (RHCP). Jeśli pole zostanie obrócone w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, pole będzie miało lewoskrętną polaryzację kołową (LHCP).
Polaryzacja eliptyczna
Jeśli pole elektryczne ma dwie składowe prostopadłe, przesunięte w fazie o 90 stopni, ale o równej wielkości, pole będzie spolaryzowane eliptycznie. Biorąc pod uwagę pole elektryczne fali płaskiej poruszającej się w kierunku +z, opisane równaniem (4):
Miejsce punktu, w którym przyjmie się wierzchołek wektora pola elektrycznego, podano na rysunku 5
Rysunek 5. Natychmiastowe pole elektryczne eliptycznej fali polaryzacyjnej. (4).
Pole na rysunku 5, poruszające się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, byłoby prawoskrętne eliptyczne, gdyby wychodziło z ekranu. Jeśli wektor pola elektrycznego obraca się w przeciwnym kierunku, pole będzie lewoskrętne spolaryzowane eliptycznie.
Ponadto polaryzacja eliptyczna odnosi się do jej ekscentryczności. Stosunek mimośrodu do amplitudy głównej i małej osi. Na przykład mimośród fali z równania (4) wynosi 1/0,3 = 3,33. Fale spolaryzowane eliptycznie są dalej opisywane przez kierunek głównej osi. Równanie falowe (4) ma oś składającą się głównie z osi x. Należy pamiętać, że oś główna może znajdować się pod dowolnym kątem w płaszczyźnie. Kąt nie jest wymagany, aby pasował do osi X, Y lub Z. Na koniec należy zauważyć, że zarówno polaryzacja kołowa, jak i liniowa są szczególnymi przypadkami polaryzacji eliptycznej. Ekscentryczna fala spolaryzowana eliptycznie 1,0 jest falą spolaryzowaną kołowo. Fale spolaryzowane eliptycznie z nieskończonym mimośrodem. Fale spolaryzowane liniowo.
Polaryzacja anteny
Teraz, gdy jesteśmy świadomi istnienia spolaryzowanych pól elektromagnetycznych fali płaskiej, polaryzacja anteny jest po prostu zdefiniowana.
Polaryzacja anteny Ocena pola dalekiego anteny, polaryzacja powstałego wypromieniowanego pola. Dlatego anteny są często określane jako „anteny o polaryzacji liniowej” lub „anteny o polaryzacji kołowej prawoskrętnej”.
Ta prosta koncepcja jest ważna w komunikacji antenowej. Po pierwsze, antena spolaryzowana poziomo nie będzie komunikować się z anteną spolaryzowaną pionowo. Ze względu na twierdzenie o wzajemności antena nadaje i odbiera dokładnie w ten sam sposób. Dlatego anteny o polaryzacji pionowej transmitują i odbierają pola o polaryzacji pionowej. Dlatego też, jeśli spróbujesz przekazać antenę spolaryzowaną pionowo i poziomo, odbiór nie będzie możliwy.
W ogólnym przypadku, dla dwóch anten spolaryzowanych liniowo, obróconych względem siebie o kąt ( ), strata mocy spowodowana niedopasowaniem polaryzacji będzie opisana przez współczynnik utraty polaryzacji (PLF):
Dlatego też, jeśli dwie anteny mają tę samą polaryzację, kąt między ich promieniującymi polami elektronowymi wynosi zero i nie ma strat mocy z powodu niedopasowania polaryzacji. Jeśli jedna antena jest spolaryzowana pionowo, a druga poziomo, kąt wynosi 90 stopni i moc nie będzie przekazywana.
UWAGA: Przesuwanie telefonu nad głową pod różnymi kątami wyjaśnia, dlaczego czasami odbiór może się poprawić. Anteny telefonów komórkowych są zwykle spolaryzowane liniowo, więc obracanie telefonu często może dopasować się do polaryzacji telefonu, poprawiając w ten sposób odbiór.
Polaryzacja kołowa jest pożądaną cechą wielu anten. Obie anteny są spolaryzowane kołowo i nie powodują utraty sygnału z powodu niedopasowania polaryzacji. Anteny stosowane w systemach GPS mają polaryzację kołową prawoskrętną.
Załóżmy teraz, że antena o polaryzacji liniowej odbiera fale o polaryzacji kołowej. Równoważnie załóżmy, że antena o polaryzacji kołowej próbuje odbierać fale o polaryzacji liniowej. Jaki jest wynikowy współczynnik utraty polaryzacji?
Przypomnijmy, że polaryzacja kołowa to w rzeczywistości dwie ortogonalne fale spolaryzowane liniowo, przesunięte w fazie o 90 stopni. Dlatego antena o polaryzacji liniowej (LP) będzie odbierać tylko składową fazy fali o polaryzacji kołowej (CP). Dlatego antena LP będzie miała stratę przy niedopasowaniu polaryzacji wynoszącą 0,5 (-3dB). Dzieje się tak niezależnie od tego, pod jakim kątem antena LP jest obrócona. W związku z tym:
Współczynnik utraty polaryzacji jest czasami określany jako efektywność polaryzacji, współczynnik niedopasowania anteny lub współczynnik odbioru anteny. Wszystkie te nazwy odnoszą się do tego samego pojęcia.
Czas publikacji: 22 grudnia 2023 r
