Поляризация — одна из основных характеристик антенн. Сначала нам нужно понять поляризацию плоских волн. Затем мы можем обсудить основные типы поляризации антенн.
линейная поляризация
Мы начнем понимать поляризацию плоской электромагнитной волны.
Плоская электромагнитная (ЭМ) волна имеет несколько характеристик. Первая заключается в том, что мощность распространяется в одном направлении (поле не изменяется в двух ортогональных направлениях). Вторая заключается в том, что электрическое поле и магнитное поле перпендикулярны друг другу и ортогональны друг другу. Электрическое и магнитное поля перпендикулярны направлению распространения плоской волны. В качестве примера рассмотрим одночастотное электрическое поле (поле E), 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 говорит, что точка электрического поля находится в направлении x. Плоская волна проиллюстрирована на рисунке 1.
Рисунок 1. Графическое изображение электрического поля, распространяющегося в направлении +z.
Поляризация — это след и форма распространения (контур) электрического поля. В качестве примера рассмотрим уравнение плоской волны электрического поля (1). Мы будем наблюдать положение, в котором электрическое поле равно (X,Y,Z) = (0,0,0) как функцию времени. Амплитуда этого поля представлена на рисунке 2 в несколько моментов времени. Поле колеблется с частотой «F».
Рисунок 2. Наблюдайте электрическое поле (X, Y, Z) = (0,0,0) в разное время.
Электрическое поле наблюдается в начале координат, колеблясь вперед и назад по амплитуде. Электрическое поле всегда 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 вертикально поляризована.
Линейно поляризованные волны не обязательно должны быть направлены вдоль горизонтальной или вертикальной оси. Например, волна электрического поля с ограничением, лежащим вдоль линии, 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 есть компоненты x и y электрического поля. Оба компонента равны по размеру.
Одна вещь, которую следует отметить в уравнении (2), это xy-компонента и электронные поля на втором этапе. Это означает, что обе компоненты имеют одинаковую амплитуду в любое время.
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 рассматривается как (X, Y, Z) = (0,0,0), как и прежде, то кривая зависимости электрического поля от времени будет выглядеть так, как показано ниже на рисунке 4.
Рисунок 4. Напряженность электрического поля (X, Y, Z) = (0,0,0) EQ домен. (3).
Электрическое поле на рисунке 4 вращается по кругу. Этот тип поля описывается как круговая поляризованная волна. Для круговой поляризации должны быть выполнены следующие критерии:
- Стандарт круговой поляризации
- Электрическое поле должно иметь две ортогональные (перпендикулярные) составляющие.
- Ортогональные компоненты электрического поля должны иметь равные амплитуды.
- Квадратурные компоненты должны быть сдвинуты по фазе на 90 градусов.
Если поле движется по экрану Wave Figure 4, то говорят, что вращение поля происходит против часовой стрелки и имеет правую круговую поляризацию (RHCP). Если поле вращается по часовой стрелке, поле будет иметь левую круговую поляризацию (LHCP).
Эллиптическая поляризация
Если электрическое поле имеет две перпендикулярные компоненты, сдвинутые по фазе на 90 градусов, но имеющие одинаковую величину, поле будет эллиптически поляризованным. Рассматривая 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, движущееся против часовой стрелки, будет правосторонним эллиптическим, если оно выходит из экрана. Если вектор электрического поля вращается в противоположном направлении, поле будет левосторонним эллиптически поляризованным.
Кроме того, эллиптическая поляризация относится к ее 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. Волновое уравнение (4) имеет ось, в основном состоящую из оси x. Обратите внимание, что большая ось может находиться под любым плоским углом. Угол не обязательно должен соответствовать осям 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 поляризованных плоских электромагнитных полях, поляризация антенны определяется просто.
Поляризация антенны Оценка дальнего поля антенны, поляризация результирующего излучаемого поля. Поэтому антенны часто обозначаются 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. Из-за теоремы взаимности антенна передает и принимает абсолютно одинаково. Поэтому вертикально поляризованные антенны передают и принимают вертикально поляризованные поля. Поэтому, если вы попытаетесь передать вертикально поляризованную горизонтально поляризованную антенну, приема не будет.
В общем случае для двух линейно поляризованных антенн, повернутых относительно друг друга на угол ( ), потери мощности из-за этого рассогласования поляризации будут описываться коэффициентом поляризационных потерь (КПП):
Поэтому, если две антенны имеют одинаковую поляризацию, угол между их излучающими электронными полями равен нулю, и потери мощности из-за несоответствия поляризации отсутствуют. Если одна антенна имеет вертикальную поляризацию, а другая — горизонтальную, угол составляет 90 градусов, и мощность не будет передаваться.
ПРИМЕЧАНИЕ: Перемещение телефона над головой под разными углами объясняет, почему иногда прием может быть улучшен. Антенны сотовых телефонов обычно имеют линейную поляризацию, поэтому вращение телефона часто может соответствовать поляризации телефона, тем самым улучшая прием.
Круговая поляризация является желательной характеристикой многих антенн. Обе антенны имеют круговую поляризацию и не страдают от потери сигнала из-за несоответствия поляризации. Антенны, используемые в системах GPS, имеют правую круговую поляризацию.
Теперь предположим, что линейно поляризованная антенна принимает волны с круговой поляризацией. Эквивалентно предположим, что антенна с круговой поляризацией пытается принимать волны с линейной поляризацией. Каков результирующий фактор потерь на поляризацию?
Напомним, что круговая поляризация на самом деле представляет собой две ортогональные линейно поляризованные волны, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Поэтому линейно поляризованная (LP) антенна будет принимать только фазовую компоненту волны с круговой поляризацией (CP). Поэтому LP антенна будет иметь потери из-за рассогласования поляризации 0,5 (-3 дБ). Это справедливо независимо от того, на какой угол повернута LP антенна. поэтому:
Фактор потерь поляризации иногда называют эффективностью поляризации, фактором рассогласования антенны или фактором приема антенны. Все эти названия относятся к одному и тому же понятию.
Время публикации: 22 декабря 2023 г.
