Polarizácia je jednou zo základných charakteristík antén. Najprv musíme pochopiť polarizáciu rovinných vĺn. Potom môžeme diskutovať o hlavných typoch polarizácie antén.
lineárna polarizácia
Začneme chápať polarizáciu rovinnej elektromagnetickej vlny.
Planárna elektromagnetická (EM) vlna má niekoľko charakteristík. Prvou je, že energia sa šíri jedným smerom (v dvoch ortogonálnych smeroch sa pole nemení). Po druhé, elektrické pole a magnetické pole sú na seba kolmé a ortogonálne. Elektrické a magnetické polia sú kolmé na smer šírenia rovinnej vlny. Ako príklad si uvažujme jednofrekvenčné elektrické pole (E pole) dané rovnicou (1). Elektromagnetické pole sa šíri v smere +z. Elektrické pole je smerované v smere +x. Magnetické pole je v smere +y.
V rovnici (1) si všimnite označenie: . Ide o jednotkový vektor (vektor dĺžky), ktorý hovorí, že bod elektrického poľa je v smere x. Rovinná vlna je znázornená na obrázku 1.
obrázok 1. Grafické znázornenie elektrického poľa šíriaceho sa v smere +z.
Polarizácia je krivka a tvar šírenia (obrys) elektrického poľa. Ako príklad si uveďme rovnicu elektrického poľa rovinnej vlny (1). Budeme pozorovať polohu, kde elektrické pole je (X,Y,Z) = (0,0,0) ako funkciu času. Amplitúda tohto poľa je znázornená na obrázku 2 v niekoľkých časových okamihoch. Pole osciluje na frekvencii „F“.
obrázok 2. Pozorujte elektrické pole (X, Y, Z) = (0,0,0) v rôznych časoch.
Elektrické pole sa pozoruje v počiatku súradnicovej súradnice a osciluje tam a späť v amplitúde. Elektrické pole je vždy pozdĺž vyznačenej osi x. Keďže elektrické pole je udržiavané pozdĺž jednej čiary, možno ho považovať za lineárne polarizované. Okrem toho, ak je os X rovnobežná so zemou, toto pole sa tiež označuje ako horizontálne polarizované. Ak je pole orientované pozdĺž osi Y, možno ho považovať za vertikálne polarizovanú vlnu.
Lineárne polarizované vlny nemusia byť smerované pozdĺž horizontálnej alebo vertikálnej osi. Napríklad vlna elektrického poľa s obmedzením ležiacim pozdĺž priamky, ako je znázornené na obrázku 3, by bola tiež lineárne polarizovaná.
obrázok 3. Amplitúda elektrického poľa lineárne polarizovanej vlny, ktorej trajektória je uhol.
Elektrické pole na obrázku 3 možno opísať rovnicou (2). Teraz existuje zložka x a y elektrického poľa. Obe zložky majú rovnakú veľkosť.
Jedna vec, ktorú treba poznamenať o rovnici (2), je xy-zložka a elektrónové polia v druhej fáze. To znamená, že obe zložky majú vždy rovnakú amplitúdu.
kruhová polarizácia
Teraz predpokladajme, že elektrické pole rovinnej vlny je dané rovnicou (3):
V tomto prípade sú prvky X a Y fázovo posunuté o 90 stupňov. Ak sa pole pozoruje ako (X, Y, Z) = (0,0,0) opäť ako predtým, krivka elektrického poľa v závislosti od času sa bude javiť, ako je znázornené nižšie na obrázku 4.
Obrázok 4. Intenzita elektrického poľa (X, Y, Z) = (0,0,0) EQ doména. (3).
Elektrické pole na obrázku 4 sa otáča v kruhu. Tento typ poľa sa opisuje ako kruhovo polarizovaná vlna. Pre kruhovú polarizáciu musia byť splnené nasledujúce kritériá:
- Štandard pre kruhovú polarizáciu
- Elektrické pole musí mať dve ortogonálne (kolmé) zložky.
- Ortogonálne zložky elektrického poľa musia mať rovnakú amplitúdu.
- Kvadratúrne zložky musia byť fázovo posunuté o 90 stupňov.
Ak sa pole pohybuje po obrazovke Vlnový obrázok 4, hovorí sa, že rotácia poľa je proti smeru hodinových ručičiek a má pravotočivú kruhovú polarizáciu (RHCP). Ak sa pole otáča v smere hodinových ručičiek, pole bude mať ľavotočivú kruhovú polarizáciu (LHCP).
Eliptická polarizácia
Ak má elektrické pole dve kolmé zložky, fázovo mimo osi 90 stupňov, ale rovnakej veľkosti, pole bude elipticky polarizované. Ak vezmeme do úvahy elektrické pole rovinnej vlny šíriacej sa v smere +z, opísanej rovnicou (4):
Bod, v ktorom sa nachádza hrot vektora elektrického poľa, je znázornený na obrázku 5.
Obrázok 5. Elektrické pole s okamžitou eliptickou polarizačnou vlnou. (4).
Pole na obrázku 5, ktoré sa šíri proti smeru hodinových ručičiek, by bolo pravostranne eliptické, ak by sa šírilo mimo tienidla. Ak sa vektor elektrického poľa otáča v opačnom smere, pole bude ľavostranne elipticky polarizované.
Eliptická polarizácia sa ďalej vzťahuje na jej excentricitu. Pomer excentricity k amplitúde hlavnej a vedľajšej osi. Napríklad excentricita vlny z rovnice (4) je 1/0,3 = 3,33. Elipticky polarizované vlny sú ďalej opísané smerom hlavnej osi. Vlnová rovnica (4) má os pozostávajúcu predovšetkým z osi x. Všimnite si, že hlavná os môže byť v ľubovoľnom uhle roviny. Uhol nie je potrebný na prispôsobenie sa osi X, Y alebo Z. Nakoniec je dôležité poznamenať, že kruhová aj lineárna polarizácia sú špeciálnymi prípadmi eliptickej polarizácie. 1,0 excentrická elipticky polarizovaná vlna je kruhovo polarizovaná vlna. Elipticky polarizované vlny s nekonečnou excentricitou. Lineárne polarizované vlny.
Polarizácia antény
Teraz, keď poznáme elektromagnetické polia s polarizovanou rovinnou vlnou, je polarizácia antény jednoducho definovaná.
Polarizácia antény Vyhodnotenie vzdialeného poľa antény, polarizácia výsledného vyžarovaného poľa. Preto sa antény často označujú ako „lineárne polarizované“ alebo „pravotočivé kruhovo polarizované antény“.
Tento jednoduchý koncept je dôležitý pre anténnu komunikáciu. Po prvé, horizontálne polarizovaná anténa nebude komunikovať s vertikálne polarizovanou anténou. Kvôli recipročnej vete anténa vysiela a prijíma presne rovnakým spôsobom. Preto vertikálne polarizované antény vysielajú a prijímajú vertikálne polarizované polia. Ak sa teda pokúsite preniesť vertikálne polarizovanú horizontálne polarizovanú anténu, nebude žiadny príjem.
Vo všeobecnom prípade, pre dve lineárne polarizované antény otočené voči sebe o uhol ( ), bude strata výkonu v dôsledku tohto nesúladu polarizácie opísaná faktorom strát polarizácie (PLF):
Preto, ak majú dve antény rovnakú polarizáciu, uhol medzi ich vyžarujúcimi elektrónovými poľami je nulový a nedochádza k žiadnym stratám výkonu v dôsledku nesúladu polarizácie. Ak je jedna anténa vertikálne polarizovaná a druhá horizontálne polarizovaná, uhol je 90 stupňov a nedochádza k prenosu výkonu.
POZNÁMKA: Pohyb telefónu nad hlavou do rôznych uhlov vysvetľuje, prečo sa niekedy dá zvýšiť príjem. Antény mobilných telefónov sú zvyčajne lineárne polarizované, takže otáčanie telefónu môže často prispôsobiť polarizácii telefónu, čím sa zlepší príjem.
Kruhová polarizácia je žiaducou vlastnosťou mnohých antén. Obe antény sú kruhovo polarizované a netrpia stratou signálu v dôsledku nesúladu polarizácie. Antény používané v systémoch GPS sú pravostranne kruhovo polarizované.
Teraz predpokladajme, že lineárne polarizovaná anténa prijíma kruhovo polarizované vlny. Ekvivalentne predpokladajme, že kruhovo polarizovaná anténa sa pokúša prijímať lineárne polarizované vlny. Aký je výsledný faktor strát polarizácie?
Pripomeňme si, že kruhová polarizácia sú v skutočnosti dve ortogonálne lineárne polarizované vlny, fázovo mimo osi 90 stupňov. Preto lineárne polarizovaná (LP) anténa bude prijímať iba fázovú zložku kruhovo polarizovanej (CP) vlny. Preto bude mať LP anténa stratu v dôsledku nesúladu polarizácie 0,5 (-3 dB). To platí bez ohľadu na to, o aký uhol je LP anténa otočená. Preto:
Faktor polarizačných strát sa niekedy označuje ako účinnosť polarizácie, faktor nesúladu antény alebo faktor príjmu antény. Všetky tieto názvy označujú rovnaký koncept.
Čas uverejnenia: 22. decembra 2023
