Polaryzacja jest jedną z podstawowych cech anten. Najpierw musimy zrozumieć polaryzację fal płaskich. Następnie możemy omówić główne rodzaje polaryzacji anten.
polaryzacja liniowa
Zaczniemy rozumieć polaryzację płaskiej fali elektromagnetycznej.
Planarna fala elektromagnetyczna (EM) ma kilka cech. Po pierwsze, energia przemieszcza się w jednym kierunku (pole nie zmienia się w dwóch kierunkach ortogonalnych). 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 jednej częstotliwości (pole E) opisane równaniem (1). Pole elektromagnetyczne przemieszcza się w kierunku +z. Pole elektryczne jest skierowane w kierunku +x. Pole magnetyczne jest skierowane w kierunku +y.
W równaniu (1) zwróć uwagę na oznaczenie: Jest to wektor jednostkowy (wektor długości), który mówi, że punkt pola elektrycznego znajduje się w kierunku x. Fala płaska jest zilustrowana na rysunku 1.
Rysunek 1. Graficzna reprezentacja pola elektrycznego poruszającego się w kierunku +z.
Polaryzacja to ślad i kształt propagacji (kontur) pola elektrycznego. Jako przykład rozważmy równanie pola elektrycznego fali płaskiej (1). Zaobserwujemy położenie, w którym pole elektryczne jest funkcją czasu (X,Y,Z) = (0,0,0). Amplitudę tego pola przedstawiono na rysunku 2 w kilku momentach czasowych. Pole oscyluje z częstotliwością „F”.
Rysunek 2. Obserwuj pole elektryczne (X, Y, Z) = (0,0,0) w różnych momentach czasu.
Pole elektryczne jest obserwowane w punkcie początkowym, oscylując tam i z powrotem w amplitudzie. Pole elektryczne zawsze przebiega wzdłuż wskazanej osi x. Ponieważ pole elektryczne utrzymuje się wzdłuż jednej linii, można powiedzieć, że jest ono spolaryzowane liniowo. Dodatkowo, jeśli oś X jest równoległa do ziemi, pole to jest również opisane jako spolaryzowane poziomo. Jeśli pole jest zorientowane wzdłuż osi Y, falę można nazwać spolaryzowaną pionowo.
Fale spolaryzowane liniowo nie muszą być skierowane 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). Teraz mamy składowe x i y pola elektrycznego. Obie składowe są równej wielkości.
Należy zwrócić uwagę na składową xy i pola elektronowe w drugim etapie równania (2). Oznacza to, że obie składowe mają zawsze tę samą amplitudę.
polaryzacja kołowa
Załóżmy teraz, że pole elektryczne fali płaskiej jest dane równaniem (3):
W tym przypadku elementy X i Y są przesunięte w fazie o 90 stopni. Jeśli pole zostanie zaobserwowane jako (X, Y, Z) = (0,0,0) ponownie, jak poprzednio, krzywa pola elektrycznego w funkcji czasu będzie wyglądać tak, jak pokazano poniżej na rysunku 4.
Rysunek 4. Natężenie pola elektrycznego (X, Y, Z) = (0,0,0) domena EQ. (3).
Pole elektryczne na rysunku 4 obraca się po okręgu. Ten typ pola jest opisywany jako fala spolaryzowana kołowo. Aby uzyskać polaryzację kołową, muszą być spełnione następujące kryteria:
- Standard dla polaryzacji kołowej
- Pole elektryczne musi mieć dwie składowe ortogonalne (prostopadłe).
- Ortogonalne składowe pola elektrycznego muszą mieć równe amplitudy.
- Składowe kwadraturowe muszą być przesunięte w fazie o 90 stopni.
W przypadku ekranu Wave Figure 4, obrót pola jest określany jako przeciwny do ruchu wskazówek zegara i prawoskrętny (RHCP). Jeśli pole jest obracane zgodnie z ruchem wskazówek zegara, pole będzie lewoskrętne (LHCP).
Polaryzacja eliptyczna
Jeśli pole elektryczne ma dwie prostopadłe składowe, przesunięte w fazie o 90 stopni, ale o tej samej wartości, pole będzie spolaryzowane eliptycznie. Rozważając pole elektryczne fali płaskiej poruszającej się w kierunku +z, opisanej równaniem (4):
Miejsce geometryczne punktu, w którym znajdzie się wierzchołek wektora pola elektrycznego, pokazano na rysunku 5
Rysunek 5. Natychmiastowa fala polaryzacji eliptycznej pola elektrycznego. (4).
Pole na rysunku 5, poruszające się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, byłoby prawoskrętne, gdyby wychodziło z ekranu. Jeśli wektor pola elektrycznego obraca się w przeciwnym kierunku, pole będzie lewoskrętne, eliptycznie spolaryzowane.
Ponadto polaryzacja eliptyczna odnosi się do jej mimośrodu. Stosunek mimośrodu do amplitudy osi głównej i małej. Na przykład mimośrodowość fali z równania (4) wynosi 1/0,3 = 3,33. Fale spolaryzowane eliptycznie są dodatkowo opisane przez kierunek osi głównej. Równanie falowe (4) ma oś składającą się głównie z osi x. Należy zauważyć, że oś główna może być pod dowolnym kątem płaskim. 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. 1,0 ekscentryczna fala eliptycznie spolaryzowana jest falą spolaryzowaną kołowo. Fale spolaryzowane eliptycznie o nieskończonym mimośrodzie. Fale spolaryzowane liniowo.
Polaryzacja anteny
Teraz, gdy znamy już spolaryzowane pola elektromagnetyczne fal płaskich, polaryzacja anteny stała się dla nas prosta.
Polaryzacja anteny. Ocena dalekiego pola anteny, polaryzacja powstającego pola promieniowanego. Dlatego anteny są często określane jako „spolaryzowane liniowo” lub „anten o polaryzacji kołowej prawoskrętnej”.
Ta prosta koncepcja jest ważna w komunikacji antenowej. Po pierwsze, antena o polaryzacji poziomej nie będzie komunikować się z anteną o polaryzacji pionowej. Zgodnie z twierdzeniem wzajemności, antena nadaje i odbiera dokładnie w ten sam sposób. Zatem anteny o polaryzacji pionowej nadają i odbierają pola o polaryzacji pionowej. W związku z tym, jeśli spróbujesz przesłać sygnał z anteny o polaryzacji pionowej do anteny o polaryzacji poziomej, odbiór nie będzie możliwy.
W ogólnym przypadku, dla dwóch anten spolaryzowanych liniowo, obróconych względem siebie o kąt ( ), strata mocy spowodowana tym niedopasowaniem polaryzacji będzie opisana przez współczynnik strat polaryzacyjnych (PLF):
Zatem, jeśli dwie anteny mają tę samą polaryzację, kąt między ich promieniującymi polami elektronowymi wynosi zero i nie występuje strata mocy spowodowana niedopasowaniem polaryzacji. Jeśli jedna antena ma polaryzację pionową, a druga poziomą, kąt wynosi 90 stopni i moc nie zostanie przeniesiona.
UWAGA: Przesuwanie telefonu nad głową pod różnymi kątami wyjaśnia, dlaczego czasami można zwiększyć zasięg. Anteny telefonów komórkowych są zazwyczaj spolaryzowane liniowo, więc obracanie telefonu często może dopasować polaryzację telefonu, poprawiając w ten sposób odbiór.
Polaryzacja kołowa jest pożądaną cechą wielu anten. Obie anteny mają polaryzację kołową i nie są narażone na utratę 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. Analogicznie, załóżmy, że antena o polaryzacji kołowej próbuje odbierać fale o polaryzacji liniowej. Jaki jest wynikowy współczynnik strat polaryzacji?
Przypomnijmy, że polaryzacja kołowa to w rzeczywistości dwie ortogonalne fale spolaryzowane liniowo, przesunięte w fazie o 90 stopni. Zatem antena spolaryzowana liniowo (LP) odbierze jedynie składową fazową fali spolaryzowanej kołowo (CP). W związku z tym strata niedopasowania polaryzacji anteny LP wyniesie 0,5 (-3 dB). Dzieje się tak niezależnie od kąta obrotu anteny LP. Zatem:
Współczynnik strat 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: 22-12-2023
