Поляризация — одна из основных характеристик антенн. Сначала необходимо разобраться в поляризации плоских волн. Затем мы рассмотрим основные типы поляризации антенн.
линейная поляризация
Мы начнем понимать поляризацию плоской электромагнитной волны.
Плоская электромагнитная (ЭМ) волна обладает несколькими характеристиками. Во-первых, мощность распространяется в одном направлении (поле не изменяется в двух ортогональных направлениях). Во-вторых, электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу и ортогональны друг другу. Электрическое и магнитное поля перпендикулярны направлению распространения плоской волны. В качестве примера рассмотрим одночастотное электрическое поле (электрическое поле), заданное уравнением (1). Электромагнитное поле распространяется в направлении +z. Электрическое поле направлено в направлении +x. Магнитное поле направлено в направлении +y.
В уравнении (1) обратите внимание на обозначение: . Это единичный вектор (вектор длины), который означает, что точка электрического поля находится в направлении x. Плоская волна показана на рисунке 1.
рисунок 1. Графическое изображение электрического поля, распространяющегося в направлении +z.
Поляризация – это траектория и форма распространения (контур) электрического поля. В качестве примера рассмотрим уравнение плоской волны (1). Рассмотрим положение, в котором электрическое поле (X,Y,Z) = (0,0,0), как функцию времени. Амплитуда этого поля представлена на рисунке 2 в различные моменты времени. Поле колеблется с частотой «F».
Рисунок 2. Наблюдайте электрическое поле (X, Y, Z) = (0,0,0) в разные моменты времени.
В начале координат наблюдается электрическое поле, колеблющееся по амплитуде вперёд и назад. Электрическое поле всегда направлено вдоль указанной оси x. Поскольку электрическое поле поддерживается вдоль одной линии, можно сказать, что это поле линейно поляризовано. Кроме того, если ось X параллельна земле, это поле также описывается как горизонтально поляризованное. Если поле ориентировано вдоль оси Y, можно сказать, что волна поляризована вертикально.
Линейно поляризованные волны не обязательно должны быть направлены вдоль горизонтальной или вертикальной оси. Например, волна электрического поля, ограниченная линией, как показано на рисунке 3, также будет линейно поляризованной.
изображение 3. Амплитуда электрического поля линейно поляризованной волны, траектория которой представляет собой угол.
Электрическое поле на рисунке 3 можно описать уравнением (2). Теперь оно состоит из двух компонент: x и y. Обе компоненты равны по величине.
В уравнении (2) следует отметить наличие xy-компоненты и электронных полей на втором этапе. Это означает, что обе компоненты всегда имеют одинаковую амплитуду.
круговая поляризация
Теперь предположим, что электрическое поле плоской волны задается уравнением (3):
В этом случае элементы X и Y сдвинуты по фазе на 90 градусов. Если поле снова рассматривать как (X, Y, Z) = (0,0,0), как и раньше, то зависимость электрического поля от времени будет выглядеть так, как показано на рисунке 4 ниже.
Рисунок 4. Напряженность электрического поля (X, Y, Z) = (0,0,0) EQ-область. (3).
Электрическое поле на рисунке 4 вращается по окружности. Такое поле называется волной с круговой поляризацией. Для круговой поляризации должны быть выполнены следующие условия:
- Стандарт круговой поляризации
- Электрическое поле должно иметь две ортогональные (перпендикулярные) составляющие.
- Ортогональные составляющие электрического поля должны иметь равные амплитуды.
- Квадратурные компоненты должны быть сдвинуты по фазе на 90 градусов.
При движении по экрану «Волна Фигура 4» вращение поля считается направленным против часовой стрелки и правосторонним круговым поляризатором (ПЦП). Если поле вращается по часовой стрелке, поле будет иметь левосторонний круговой поляризатор (ЛЦП).
Эллиптическая поляризация
Если электрическое поле состоит из двух перпендикулярных компонент, сдвинутых по фазе на 90 градусов, но равных по величине, поле будет эллиптически поляризованным. Рассмотрим электрическое поле плоской волны, распространяющейся в направлении +z, описываемое уравнением (4):
Геометрическое положение точки, в которой будет находиться вершина вектора электрического поля, показано на рисунке 5.
Рисунок 5. Электрическое поле волны мгновенной эллиптической поляризации. (4).
Поле на рисунке 5, распространяющееся против часовой стрелки, при выходе из экрана будет иметь правовинтовую эллиптическую форму. Если вектор электрического поля вращается в противоположном направлении, поле будет иметь левовинтовую эллиптическую поляризацию.
Кроме того, эллиптическая поляризация относится к её эксцентриситету. Отношение эксцентриситета к амплитуде большой и малой осей. Например, эксцентриситет волны из уравнения (4) равен 1/0,3 = 3,33. Эллиптически поляризованные волны далее описываются направлением большой оси. Ось волнового уравнения (4) в основном состоит из оси x. Обратите внимание, что большая ось может располагаться под любым углом к плоскости. Этот угол не обязательно должен совпадать с осями X, Y или Z. Наконец, важно отметить, что как круговая, так и линейная поляризация являются частными случаями эллиптической поляризации. 1,0 эксцентрическая эллиптически поляризованная волна — это круговая поляризованная волна. Эллиптически поляризованные волны с бесконечным эксцентриситетом. Линейно поляризованные волны.
Поляризация антенны
Теперь, когда мы знаем о существовании поляризованных плоских волновых электромагнитных полей, поляризация антенны определяется просто.
Поляризация антенны. Оценка поля антенны в дальней зоне, поляризация результирующего излучаемого поля. Поэтому антенны часто классифицируются как «линейно поляризованные» или «антенны с правой круговой поляризацией».
Эта простая концепция важна для антенной связи. Во-первых, горизонтально поляризованная антенна не будет взаимодействовать с вертикально поляризованной антенной. В силу теоремы о взаимности, антенна излучает и принимает сигналы одинаково. Следовательно, вертикально поляризованные антенны передают и принимают вертикально поляризованные поля. Следовательно, если вы попытаетесь передать сигнал вертикально поляризованной антенне горизонтально поляризованной антенне, приёма не будет.
В общем случае для двух линейно поляризованных антенн, повернутых друг относительно друга на угол ( ), потери мощности из-за этого рассогласования поляризаций будут описываться коэффициентом поляризационных потерь (КПП):
Следовательно, если две антенны имеют одинаковую поляризацию, угол между их излучающими электронами равен нулю, и потери мощности из-за рассогласования поляризации отсутствуют. Если одна антенна поляризована вертикально, а другая — горизонтально, угол равен 90 градусам, и передача мощности не происходит.
ПРИМЕЧАНИЕ: Перемещение телефона над головой под разными углами объясняет, почему приём иногда может улучшиться. Антенны мобильных телефонов обычно имеют линейную поляризацию, поэтому поворот телефона часто позволяет изменить поляризацию, тем самым улучшая приём.
Круговая поляризация является желательной характеристикой многих антенн. Обе антенны имеют круговую поляризацию и не страдают от потери сигнала из-за рассогласования поляризации. Антенны, используемые в системах GPS, имеют правую круговую поляризацию.
Теперь предположим, что антенна с линейной поляризацией принимает волны с круговой поляризацией. Аналогично, предположим, что антенна с круговой поляризацией пытается принимать волны с линейной поляризацией. Каков результирующий коэффициент потерь на поляризацию?
Напомним, что круговая поляризация на самом деле представляет собой две ортогональные линейно поляризованные волны, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Следовательно, линейно поляризованная (ЛП) антенна будет принимать только фазовую составляющую волны с круговой поляризацией (КП). Следовательно, потери из-за рассогласования поляризации у ЛП антенны составят 0,5 (-3 дБ). Это справедливо независимо от угла поворота ЛП антенны. Следовательно:
Коэффициент потерь на поляризацию иногда называют эффективностью поляризации, коэффициентом рассогласования антенны или коэффициентом приёма антенны. Все эти названия обозначают одно и то же понятие.
Время публикации: 22 декабря 2023 г.
