Поляризація є однією з основних характеристик антен. Спочатку нам потрібно зрозуміти поляризацію плоских хвиль. Потім ми можемо обговорити основні типи поляризації антен.
лінійна поляризація
Ми почнемо розуміти поляризацію плоскої електромагнітної хвилі.
Плоска електромагнітна (ЕМ) хвиля має кілька характеристик. По-перше, потужність поширюється в одному напрямку (поле не змінюється в двох ортогональних напрямках). По-друге, електричне та магнітне поля перпендикулярні одне одному та ортогональні одне одному. Електричне та магнітне поля перпендикулярні до напрямку поширення плоскої хвилі. Як приклад, розглянемо одночастотне електричне поле (Е-поле), задане рівнянням (1). Електромагнітне поле поширюється в напрямку +z. Електричне поле спрямоване в напрямку +x. Магнітне поле спрямоване в напрямку +y.
У рівнянні (1) зверніть увагу на позначення: . Це одиничний вектор (вектор довжини), який вказує на те, що точка електричного поля знаходиться в напрямку x. Плоска хвиля проілюстрована на рисунку 1.
рисунок 1. Графічне зображення електричного поля, що поширюється в напрямку +z.
Поляризація — це форма сліду та поширення (контур) електричного поля. Як приклад, розглянемо рівняння електричного поля плоскої хвилі (1). Ми спостерігатимемо положення, де електричне поле (X,Y,Z) = (0,0,0) як функцію часу. Амплітуда цього поля зображена на рисунку 2 у кілька моментів часу. Поле коливається на частоті "F".
рисунок 2. Спостерігайте за електричним полем (X, Y, Z) = (0,0,0) у різні моменти часу.
Електричне поле спостерігається в початку координат, коливаючись туди-сюди за амплітудою. Електричне поле завжди спрямоване вздовж зазначеної осі x. Оскільки електричне поле підтримується вздовж однієї лінії, це поле можна назвати лінійно поляризованим. Крім того, якщо вісь X паралельна землі, це поле також називається горизонтально поляризованим. Якщо поле орієнтоване вздовж осі Y, хвилю можна назвати вертикально поляризованою.
Лінійно поляризовані хвилі не обов'язково повинні бути спрямовані вздовж горизонтальної або вертикальної осі. Наприклад, хвиля електричного поля з обмеженням, що лежить вздовж лінії, як показано на рисунку 3, також буде лінійно поляризованою.
зображення 3. Амплітуда електричного поля лінійно поляризованої хвилі, траєкторія якої є кутом.
Електричне поле на рисунку 3 можна описати рівнянням (2). Тепер існує x- та y-компоненти електричного поля. Обидві компоненти однакові за розміром.
Варто зазначити, що в рівнянні (2) присутні xy-компонента та електронні поля на другому етапі. Це означає, що обидві компоненти мають однакову амплітуду в будь-який момент часу.
кругова поляризація
Тепер припустимо, що електричне поле плоскої хвилі задається рівнянням (3):
У цьому випадку елементи X та Y зміщені по фазі на 90 градусів. Якщо поле спостерігати як (X, Y, Z) = (0,0,0), як і раніше, крива залежності електричного поля від часу виглядатиме, як показано нижче на рисунку 4.
Рисунок 4. Напруженість електричного поля (X, Y, Z) = (0,0,0) EQ домен. (3).
Електричне поле на рисунку 4 обертається по колу. Цей тип поля описується як хвиля з круговою поляризацією. Для кругової поляризації повинні бути виконані такі критерії:
- Стандарт для кругової поляризації
- Електричне поле повинно мати дві ортогональні (перпендикулярні) компоненти.
- Ортогональні компоненти електричного поля повинні мати однакові амплітуди.
- Квадратурні компоненти повинні бути зміщені по фазі на 90 градусів.
Якщо рухатися по екрану Хвильової Фігури 4, кажуть, що обертання поля відбувається проти годинникової стрілки та має правосторонню кругову поляризацію (RHCP). Якщо поле обертається за годинниковою стрілкою, поле матиме лівосторонню кругову поляризацію (LHCP).
Еліптична поляризація
Якщо електричне поле має дві перпендикулярні компоненти, розташовані зсунуті по фазі на 90 градусів, але однакової величини, поле буде еліптично поляризованим. Розглянемо електричне поле плоскої хвилі, що поширюється в напрямку +z, що описується рівнянням (4):
Геометричне місце точки, в якій буде знаходитися вершина вектора електричного поля, показано на рисунку 5.
Рисунок 5. Електричне поле хвилі еліптичної поляризації. (4).
Поле на рисунку 5, що поширюється проти годинникової стрілки, буде правостороннім еліптичним, якщо воно поширюється за межі екрана. Якщо вектор електричного поля обертається в протилежному напрямку, поле буде лівостороннім еліптично поляризованим.
Крім того, еліптична поляризація стосується її ексцентриситету. Відношення ексцентриситету до амплітуди великої та малої осей. Наприклад, ексцентриситет хвилі з рівняння (4) становить 1/0,3 = 3,33. Еліптично поляризовані хвилі далі описуються напрямком великої осі. Хвильове рівняння (4) має вісь, що складається переважно з осі x. Зауважте, що велика вісь може бути під будь-яким кутом площини. Кут не є обов'язковим для відповідності осям X, Y або Z. Нарешті, важливо зазначити, що як кругова, так і лінійна поляризація є окремими випадками еліптичної поляризації. 1,0 ексцентрично еліптично поляризована хвиля - це кругово поляризована хвиля. Еліптично поляризовані хвилі з нескінченним ексцентриситетом. Лінійно поляризовані хвилі.
Поляризація антени
Тепер, коли ми знаємо про електромагнітні поля з поляризованими плоскими хвилями, поляризація антени визначається просто.
Поляризація антени Оцінка дальньої зони антени, поляризація результуючого випромінюваного поля. Тому антени часто називають «лінійно поляризованими» або «праворукими циркулярно поляризованими антенами».
Ця проста концепція важлива для антенного зв'язку. По-перше, горизонтально поляризована антена не буде зв'язуватися з вертикально поляризованою антеною. Згідно з теоремою взаємності, антена передає та приймає сигнали однаково. Тому вертикально поляризовані антени передають та приймають вертикально поляризовані поля. Тому, якщо спробувати передати вертикально поляризовану горизонтально поляризовану антену, прийому не буде.
У загальному випадку, для двох лінійно поляризованих антен, повернутих одна відносно одної на кут ( ), втрати потужності через цю невідповідність поляризації будуть описані коефіцієнтом поляризаційних втрат (PLF):
Отже, якщо дві антени мають однакову поляризацію, кут між їхніми випромінюючими електронними полями дорівнює нулю, і втрати потужності через невідповідність поляризації відсутні. Якщо одна антена має вертикальну поляризацію, а інша — горизонтальну, кут становить 90 градусів, і потужність не передаватиметься.
ПРИМІТКА. Переміщення телефону над головою під різними кутами пояснює, чому іноді можна покращити прийом. Антени мобільних телефонів зазвичай мають лінійну поляризацію, тому обертання телефону часто може узгоджуватися з його поляризацією, тим самим покращуючи прийом.
Кругова поляризація є бажаною характеристикою багатьох антен. Обидві антени мають кругову поляризацію та не страждають від втрати сигналу через невідповідність поляризації. Антени, що використовуються в системах GPS, мають праву кругову поляризацію.
Тепер припустимо, що лінійно поляризована антена приймає хвилі з круговою поляризацією. Аналогічно, припустимо, що антена з круговою поляризацією намагається приймати лінійно поляризовані хвилі. Який результуючий коефіцієнт втрат поляризації?
Нагадаємо, що кругова поляризація — це насправді дві ортогональні лінійно поляризовані хвилі, зміщені по фазі на 90 градусів. Отже, лінійно поляризована (LP) антена прийматиме лише фазову складову кругово поляризованої (CP) хвилі. Тому LP-антена матиме втрати на невідповідність поляризації 0,5 (-3 дБ). Це стосується незалежно від кута повороту LP-антени. отже:
Коефіцієнт втрат поляризації іноді називають ефективністю поляризації, коефіцієнтом невідповідності антени або коефіцієнтом прийому антени. Усі ці назви відносяться до одного й того ж поняття.
Час публікації: 22 грудня 2023 р.
