Поляризация – одна из основных характеристик антенн. Сначала нам нужно понять поляризацию плоских волн. Затем мы можем обсудить основные типы поляризации антенны.
линейная поляризация
Мы начнем понимать поляризацию плоской электромагнитной волны.
Плоская электромагнитная (ЭМ) волна имеет несколько характеристик. Во-первых, мощность распространяется в одном направлении (в двух ортогональных направлениях поле не меняется). Во-вторых, электрическое поле и магнитное поле перпендикулярны друг другу и ортогональны друг другу. Электрические и магнитные поля перпендикулярны направлению распространения плоских волн. В качестве примера рассмотрим одночастотное электрическое поле (Е-поле), заданное уравнением (1). Электромагнитное поле движется в направлении +z. Электрическое поле направлено в направлении +x. Магнитное поле направлено в направлении +y.
В уравнении (1) обратите внимание на обозначения: . Это единичный вектор (вектор длины), который говорит о том, что точка электрического поля находится в направлении x. Плоская волна изображена на рисунке 1.
Рисунок 1. Графическое изображение электрического поля, движущегося в направлении +z.
Поляризация — это след и форма распространения (контур) электрического поля. В качестве примера рассмотрим уравнение электрического поля плоской волны (1). Мы будем наблюдать положение, в котором электрическое поле равно (X,Y,Z) = (0,0,0) как функция времени. Амплитуда этого поля изображена на рисунке 2 в несколько моментов времени. Поле колеблется на частоте «F».
рисунок 2. Наблюдайте за электрическим полем (X, Y, Z) = (0,0,0) в разное время.
Электрическое поле наблюдается в начале координат, колеблясь вперед и назад по амплитуде. Электрическое поле всегда направлено вдоль указанной оси x. Поскольку электрическое поле сохраняется 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 электрического поля x и y. Оба компонента равны по размеру.
В отношении уравнения (2) следует отметить одну вещь: xy-компоненту и электронные поля на втором этапе. Это означает, что обе компоненты всегда имеют одинаковую амплитуду.
круговая поляризация
Теперь предположим, что электрическое поле плоской волны задано уравнением (3):
В этом случае X- и Y-элементы сдвинуты по фазе на 90 градусов. Если поле снова наблюдается как (X, Y, Z) = (0,0,0), как и раньше, кривая зависимости электрического поля от времени появится, как показано ниже на рисунке 4.
Рисунок 4. Напряженность электрического поля (X, Y, Z) = (0,0,0) область EQ. (3).
Электрическое поле на рисунке 4 вращается по кругу. Этот тип поля описывается как волна с круговой поляризацией. Для круговой поляризации должны соблюдаться следующие критерии:
- Стандарт для круговой поляризации
- Электрическое поле должно иметь две ортогональные (перпендикулярные) компоненты.
- Ортогональные компоненты электрического поля должны иметь равные амплитуды.
- Квадратурные компоненты должны сдвинуты по фазе на 90 градусов.
При движении по экрану Волнового рисунка 4 считается, что вращение поля происходит против часовой стрелки и с правосторонней круговой поляризацией (RHCP). Если поле вращать по часовой стрелке, поле будет иметь левостороннюю круговую поляризацию (LHCP).
Эллиптическая поляризация
Если электрическое поле имеет две перпендикулярные компоненты, сдвинутые по фазе на 90 градусов, но одинаковой величины, поле будет эллиптически поляризованным. Учитывая электрическое поле плоской волны, распространяющейся в направлении +z, описываемое уравнением (4):
Местоположение точки, в которой примет острие вектора электрического поля, показано на рисунке 5.
Рис. 5. Электрическое поле волны мгновенной эллиптической поляризации. (4).
Поле на рисунке 5, движущееся против часовой стрелки, при выходе за пределы экрана будет правосторонним эллиптическим. Если вектор электрического поля вращается в противоположном направлении, поле будет левосторонне эллиптически поляризованным.
Кроме того, эллиптическая поляризация относится к его эксцентриситету. Отношение эксцентриситета к амплитуде большой и малой осей. Например, эксцентриситет волны из уравнения (4) равен 1/0,3= 3,33. Эллиптически поляризованные волны дополнительно описываются направлением большой оси. Волновое уравнение (4) имеет ось, состоящую в основном из оси x. Обратите внимание, что главная ось может находиться под любым углом к плоскости. Угол не обязательно должен соответствовать оси X, Y или Z. Наконец, важно отметить, что как круговая, так и линейная поляризация являются частными случаями эллиптической поляризации. Эксцентричная эллиптически поляризованная волна 1,0 представляет собой волну с круговой поляризацией. Эллиптически поляризованные волны с бесконечным эксцентриситетом. Линейно поляризованные волны.
Поляризация антенны
Теперь, когда мы знаем о поляризованных электромагнитных полях плоских волн, поляризация антенны определяется просто.
Поляризация антенны Оценка дальнего поля антенны, поляризация результирующего излучаемого поля. Поэтому антенны часто называют «антеннами с линейной поляризацией» или «антеннами с правосторонней круговой поляризацией».
Эта простая концепция важна для антенной связи. Во-первых, антенна с горизонтальной поляризацией не будет связываться с антенной с вертикальной поляризацией. Согласно теореме взаимности, антенна передает и принимает совершенно одинаково. Следовательно, антенны с вертикальной поляризацией передают и принимают поля вертикальной поляризации. Поэтому, если попытаться передать вертикально поляризованную антенну с горизонтальной поляризацией, приема не будет.
В общем случае для двух линейно поляризованных антенн, повернутых относительно друг друга на угол ( ), потери мощности из-за этого рассогласования поляризаций будут описываться коэффициентом поляризационных потерь (PLF):
Следовательно, если две антенны имеют одинаковую поляризацию, угол между их излучающими электронными полями равен нулю и потерь мощности из-за несовпадения поляризаций нет. Если одна антенна имеет вертикальную поляризацию, а другая — горизонтальную, угол составит 90 градусов, и мощность не будет передаваться.
ПРИМЕЧАНИЕ. Перемещение телефона над головой под разными углами объясняет, почему иногда качество приема может быть увеличено. Антенны сотовых телефонов обычно имеют линейную поляризацию, поэтому вращение телефона часто может соответствовать поляризации телефона, что улучшает 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 правостороннюю 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 поляризационных потерь?
Напомним, что круговая поляризация на самом деле представляет собой две ортогональные линейно поляризованные волны, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Следовательно, антенна с линейной поляризацией (LP) будет принимать только фазовую составляющую волны с круговой поляризацией (CP). Следовательно, LP-антенна будет иметь потери из-за рассогласования поляризации 0,5 (-3 дБ). Это справедливо независимо от угла поворота антенны LP. поэтому:
Коэффициент поляризационных потерь иногда называют эффективностью поляризации, коэффициентом рассогласования антенны или коэффициентом приема антенны. Все эти названия относятся к одному и тому же понятию.
Время публикации: 22 декабря 2023 г.
