Polaryzacja jest jedną z podstawowych cech anten. Najpierw musimy zrozumieć polaryzację fal płaskich. Następnie możemy omówić główne typy polaryzacji anten.
polaryzacja liniowa
Zaczniemy rozumieć polaryzację płaskiej fali elektromagnetycznej.
Fala elektromagnetyczna planarna (EM) ma kilka cech. Pierwszą jest to, że moc przemieszcza się w jednym kierunku (żadne zmiany pola w dwóch ortogonalnych kierunkach). Po drugie, pole elektryczne i pole magnetyczne są prostopadłe do siebie i ortogonalne do siebie. Pola elektryczne i magnetyczne są prostopadłe do kierunku propagacji fali płaskiej. Jako przykład rozważmy pole elektryczne o pojedynczej częstotliwości (pole E) podane 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 (X,Y,Z) = (0,0,0) jako funkcję 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 czasu.
Pole elektryczne jest obserwowane w punkcie początkowym, oscylując tam i z powrotem w amplitudzie. Pole elektryczne jest zawsze wzdłuż wskazanej osi x. Ponieważ pole elektryczne jest utrzymywane wzdłuż pojedynczej linii, można powiedzieć, że to pole jest spolaryzowane liniowo. Ponadto, jeśli oś X jest równoległa do ziemi, to pole jest również opisane jako spolaryzowane poziomo. Jeśli pole jest zorientowane wzdłuż osi Y, fala może być nazwana spolaryzowaną pionowo.
Liniowo spolaryzowane fale 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). Teraz mamy składową x i y pola elektrycznego. Obie składowe są równej wielkości.
Jedną rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę w równaniu (2), jest składowa xy i pola elektroniczne w drugim etapie. Oznacza to, że oba składniki mają tę samą amplitudę przez cały czas.
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 jest obserwowane jako (X, Y, Z) = (0,0,0) ponownie jak poprzednio, krzywa pola elektrycznego względem 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 opisany jako fala spolaryzowana kołowo. W przypadku polaryzacji kołowej muszą być spełnione następujące kryteria:
- Norma 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.
Jeśli poruszasz się po ekranie Wave Figure 4, obrót pola jest określany jako przeciwny do ruchu wskazówek zegara i prawoskrętny kołowo spolaryzowany (RHCP). Jeśli pole jest obracane zgodnie z ruchem wskazówek zegara, pole będzie lewoskrętne kołowo spolaryzowane (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 położenia punktu, w którym znajdzie się wierzchołek wektora pola elektrycznego, pokazano na rysunku 5
Rysunek 5. Natychmiastowa eliptyczna fala polaryzacji pola elektrycznego. (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 eliptycznie spolaryzowane.
Ponadto polaryzacja eliptyczna odnosi się do jej mimośrodu. Stosunek mimośrodu do amplitudy osi głównej i pobocznej. Na przykład mimośród fali z równania (4) wynosi 1/0,3= 3,33. Fale spolaryzowane eliptycznie są dalej opisywane przez kierunek osi głównej. Równanie falowe (4) ma oś składającą się głównie z osi x. Należy zauważyć, że oś główna może znajdować się pod dowolnym kątem do płaszczyzny. 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 mimośrodowa 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 prostsza.
Polaryzacja anteny Ocena dalekiego pola anteny, polaryzacja powstałego pola promieniowanego. Dlatego anteny są często wymieniane jako „liniowo spolaryzowane” lub „prawoskrętne anteny spolaryzowane kołowo”.
Ta prosta koncepcja jest ważna dla komunikacji antenowej. Po pierwsze, antena spolaryzowana poziomo nie będzie komunikować się z anteną spolaryzowaną pionowo. Ze względu na twierdzenie wzajemności, antena nadaje i odbiera dokładnie w ten sam sposób. Dlatego anteny spolaryzowane pionowo nadają i odbierają pola spolaryzowane pionowo. Dlatego jeśli spróbujesz przekazać antenę spolaryzowaną pionowo, nie będzie odbioru.
W ogólnym przypadku, dla dwóch anten o polaryzacji liniowej obróconych względem siebie o kąt ( ), strata mocy spowodowana niedopasowaniem polaryzacji będzie opisana współczynnikiem strat polaryzacyjnych (PLF):
Dlatego jeśli dwie anteny mają tę samą polaryzację, kąt między ich promieniującymi polami elektronowymi wynosi zero i nie ma utraty mocy z powodu niedopasowania polaryzacji. Jeśli jedna antena jest spolaryzowana pionowo, a druga poziomo, kąt wynosi 90 stopni i nie zostanie przeniesiona żadna moc.
UWAGA: Przesuwanie telefonu nad głową pod różnymi kątami wyjaśnia, dlaczego odbiór może czasami być zwiększony. Anteny telefonów komórkowych są zazwyczaj spolaryzowane liniowo, więc obracanie telefonu może często dopasować polaryzację telefonu, poprawiając w ten sposób odbiór.
Polaryzacja kołowa jest pożądaną cechą wielu anten. Obie anteny są spolaryzowane kołowo i nie cierpią na utratę sygnału z powodu niedopasowania polaryzacji. Anteny stosowane w systemach GPS są spolaryzowane kołowo prawostronnie.
Załóżmy teraz, że antena spolaryzowana liniowo odbiera fale spolaryzowane kołowo. Równoważnie załóżmy, że antena spolaryzowana kołowo próbuje odbierać fale spolaryzowane liniowo. Jaki jest wynikowy współczynnik strat polaryzacji?
Przypomnijmy, że polaryzacja kołowa to w rzeczywistości dwie ortogonalne fale liniowo spolaryzowane, przesunięte o 90 stopni w fazie. Dlatego antena liniowo spolaryzowana (LP) odbierze tylko składową fazy fali spolaryzowanej kołowo (CP). Dlatego antena LP będzie miała stratę niedopasowania polaryzacji wynoszącą 0,5 (-3 dB). Jest to prawdą niezależnie od kąta, pod jakim obrócona jest antena LP. Dlatego:
Współczynnik strat polaryzacji jest czasami określany jako wydajność polaryzacji, współczynnik niedopasowania anteny lub współczynnik odbioru anteny. Wszystkie te nazwy odnoszą się do tej samej koncepcji.
Czas publikacji: 22-12-2023
