Elektronikingenieure wissen, dass Antennen Signale in Form von elektromagnetischen Wellen (EM) senden und empfangen, die durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben werden. Wie bei vielen Themen können diese Gleichungen und die Ausbreitungseigenschaften des Elektromagnetismus auf verschiedenen Ebenen untersucht werden, von relativ qualitativen Begriffen bis hin zu komplexen Gleichungen.
Die Ausbreitung elektromagnetischer Energie hat viele Aspekte, darunter die Polarisation, die in unterschiedlichem Maße Auswirkungen auf Anwendungen und deren Antennendesigns haben kann. Die Grundprinzipien der Polarisation gelten für alle elektromagnetischen Strahlungen, einschließlich HF-/Funk- und optischer Energie, und werden häufig in optischen Anwendungen eingesetzt.
Was ist Antennenpolarisation?
Bevor wir Polarisation verstehen, müssen wir zunächst die Grundprinzipien elektromagnetischer Wellen verstehen. Diese Wellen bestehen aus elektrischen Feldern (E-Feldern) und magnetischen Feldern (H-Feldern) und bewegen sich in eine Richtung. Die E- und H-Felder stehen senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung ebener Wellen.
Die Polarisation bezieht sich auf die E-Feld-Ebene aus der Perspektive des Signalsenders: Bei horizontaler Polarisation bewegt sich das elektrische Feld seitwärts in der horizontalen Ebene, während bei vertikaler Polarisation das elektrische Feld in der vertikalen Ebene auf und ab oszilliert (Abbildung 1).
Abbildung 1: Elektromagnetische Energiewellen bestehen aus zueinander senkrechten E- und H-Feldkomponenten
Lineare Polarisation und zirkulare Polarisation
Zu den Polarisationsmodi gehören die folgenden:
Bei der linearen Polarisation stehen die beiden möglichen Polarisationen orthogonal (senkrecht) zueinander (Abbildung 2). Theoretisch kann eine horizontal polarisierte Empfangsantenne das Signal einer vertikal polarisierten Antenne nicht empfangen und umgekehrt, selbst wenn beide mit der gleichen Frequenz arbeiten. Je besser sie ausgerichtet sind, desto mehr Signale werden empfangen und desto größer ist die Energieübertragung bei übereinstimmenden Polarisationen.
Abbildung 2: Die lineare Polarisation bietet zwei Polarisationsoptionen im rechten Winkel zueinander
Die schräge Polarisation der Antenne ist eine Form der linearen Polarisation. Wie die grundlegende horizontale und vertikale Polarisation ist diese Polarisation nur in terrestrischen Umgebungen sinnvoll. Die schräge Polarisation steht in einem Winkel von ±45 Grad zur horizontalen Bezugsebene. Obwohl es sich hierbei eigentlich nur um eine weitere Form der linearen Polarisation handelt, bezieht sich der Begriff „linear“ üblicherweise nur auf horizontal oder vertikal polarisierte Antennen.
Trotz gewisser Verluste ist das Senden (oder Empfangen) von Signalen mit einer Diagonalantenne nur mit horizontal oder vertikal polarisierten Antennen möglich. Schräg polarisierte Antennen sind nützlich, wenn die Polarisation einer oder beider Antennen unbekannt ist oder sich während des Betriebs ändert.
Zirkulare Polarisation (CP) ist komplexer als lineare Polarisation. In diesem Modus rotiert die durch den E-Feldvektor dargestellte Polarisation während der Signalausbreitung. Bei einer Drehung nach rechts (vom Sender aus gesehen) spricht man von rechtshändiger Zirkularpolarisation (RHCP); bei einer Drehung nach links von linkshändiger Zirkularpolarisation (LHCP) (Abbildung 3).
Abbildung 3: Bei zirkularer Polarisation rotiert der E-Feldvektor einer elektromagnetischen Welle; diese Rotation kann rechts- oder linkshändig sein
Ein CP-Signal besteht aus zwei orthogonalen Wellen, die phasenverschoben sind. Zur Erzeugung eines CP-Signals sind drei Bedingungen erforderlich. Das E-Feld muss aus zwei orthogonalen Komponenten bestehen; die beiden Komponenten müssen um 90 Grad phasenverschoben und in der Amplitude gleich sein. Eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung von CP ist die Verwendung einer Wendelantenne.
Elliptische Polarisation (EP) ist eine Art von CP. Elliptisch polarisierte Wellen sind die Verstärkung zweier linear polarisierter Wellen, wie CP-Wellen. Wenn zwei senkrecht zueinander stehende linear polarisierte Wellen mit ungleicher Amplitude kombiniert werden, entsteht eine elliptisch polarisierte Welle.
Die Polarisationsfehlanpassung zwischen Antennen wird durch den Polarisationsverlustfaktor (PLF) beschrieben. Dieser Parameter wird in Dezibel (dB) angegeben und ist abhängig vom Polarisationswinkelunterschied zwischen Sende- und Empfangsantenne. Theoretisch kann der PLF zwischen 0 dB (kein Verlust) bei einer perfekt ausgerichteten Antenne und unendlich dB (unendlicher Verlust) bei einer perfekt orthogonalen Antenne liegen.
In der Realität ist die Ausrichtung (oder Fehlausrichtung) der Polarisation jedoch nicht perfekt, da die mechanische Position der Antenne, das Benutzerverhalten, Kanalverzerrungen, Mehrwegereflexionen und andere Phänomene zu einer Winkelverzerrung des übertragenen elektromagnetischen Feldes führen können. Anfänglich tritt ein Signalverlust von 10–30 dB oder mehr aus der orthogonalen Polarisation auf, der in manchen Fällen ausreichen kann, um die Wiederherstellung des gewünschten Signals zu beeinträchtigen.
Im Gegensatz dazu kann der tatsächliche PLF für zwei ausgerichtete Antennen mit idealer Polarisation je nach Umständen 10 dB, 20 dB oder mehr betragen und die Signalwiederherstellung behindern. Mit anderen Worten: Unbeabsichtigte Kreuzpolarisation und PLF können in beide Richtungen wirken, indem sie das gewünschte Signal stören oder die gewünschte Signalstärke verringern.
Warum sollte man sich um die Polarisation kümmern?
Die Polarisation funktioniert auf zwei Arten: Je besser zwei Antennen ausgerichtet sind und die gleiche Polarisation aufweisen, desto besser ist die Stärke des empfangenen Signals. Umgekehrt erschwert eine schlechte Polarisationsausrichtung den Empfängern – ob beabsichtigt oder nicht –, ausreichend vom gewünschten Signal zu erfassen. In vielen Fällen verzerrt der „Kanal“ die übertragene Polarisation, oder eine oder beide Antennen weisen keine feste statische Ausrichtung auf.
Die Wahl der zu verwendenden Polarisation hängt in der Regel von der Installation oder den atmosphärischen Bedingungen ab. Beispielsweise ist eine horizontal polarisierte Antenne leistungsfähiger und behält ihre Polarisation bei, wenn sie in Deckennähe installiert wird. Umgekehrt ist eine vertikal polarisierte Antenne leistungsfähiger und behält ihre Polarisationsleistung bei, wenn sie in der Nähe einer Seitenwand installiert wird.
Die weit verbreitete Dipolantenne (einfach oder gefaltet) ist in ihrer „normalen“ Montageausrichtung horizontal polarisiert (Abbildung 4) und wird oft um 90 Grad gedreht, um bei Bedarf eine vertikale Polarisation anzunehmen oder einen bevorzugten Polarisationsmodus zu unterstützen (Abbildung 5).
Abbildung 4: Eine Dipolantenne wird normalerweise horizontal auf ihrem Mast montiert, um eine horizontale Polarisation zu gewährleisten
Abbildung 5: Für Anwendungen, die eine vertikale Polarisation erfordern, kann die Dipolantenne entsprechend montiert werden, wo die Antenne fängt
Vertikale Polarisation wird häufig für tragbare Funkgeräte verwendet, wie sie beispielsweise von Rettungskräften eingesetzt werden, da viele vertikal polarisierte Antennendesigns ebenfalls ein Rundstrahlmuster bieten. Daher müssen solche Antennen auch dann nicht neu ausgerichtet werden, wenn sich die Richtung von Funkgerät und Antenne ändert.
Hochfrequenzantennen (HF) für den Frequenzbereich von 3 bis 30 MHz bestehen typischerweise aus einfachen langen Drähten, die horizontal zwischen Halterungen gespannt sind. Ihre Länge wird durch die Wellenlänge (10 bis 100 m) bestimmt. Dieser Antennentyp ist naturgemäß horizontal polarisiert.
Es ist erwähnenswert, dass die Bezeichnung dieses Bandes als „Hochfrequenz“ bereits vor Jahrzehnten eingeführt wurde, als 30 MHz tatsächlich Hochfrequenz war. Obwohl diese Bezeichnung heute veraltet erscheint, ist sie eine offizielle Bezeichnung der Internationalen Fernmeldeunion und wird nach wie vor häufig verwendet.
Die bevorzugte Polarisation kann auf zwei Arten bestimmt werden: Entweder durch Bodenwellen für eine stärkere Signalübertragung im Nahbereich durch Rundfunkgeräte im Mittelwellenband (MW) von 300 kHz bis 3 MHz oder durch Raumwellen für längere Distanzen über die Ionosphärenverbindung. Im Allgemeinen weisen vertikal polarisierte Antennen eine bessere Bodenwellenausbreitung auf, während horizontal polarisierte Antennen eine bessere Raumwellenleistung aufweisen.
Zirkularpolarisation wird häufig für Satelliten verwendet, da sich die Ausrichtung des Satelliten relativ zu Bodenstationen und anderen Satelliten ständig ändert. Die Effizienz zwischen Sende- und Empfangsantennen ist am größten, wenn beide zirkular polarisiert sind. Linear polarisierte Antennen können jedoch mit CP-Antennen verwendet werden, allerdings mit einem Polarisationsverlustfaktor.
Auch für 5G-Systeme ist die Polarisation wichtig. Einige 5G-Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO)-Antennen-Arrays erzielen einen höheren Durchsatz durch die Nutzung der Polarisation zur effizienteren Nutzung des verfügbaren Spektrums. Dies wird durch eine Kombination unterschiedlicher Signalpolarisationen und räumliches Multiplexing der Antennen (Raumdiversität) erreicht.
Das System kann zwei Datenströme übertragen, da die Datenströme durch unabhängige, orthogonal polarisierte Antennen verbunden sind und unabhängig voneinander wiederhergestellt werden können. Selbst wenn aufgrund von Pfad- und Kanalverzerrungen, Reflexionen, Mehrwegeausbreitung und anderen Fehlern eine gewisse Kreuzpolarisation vorliegt, nutzt der Empfänger ausgefeilte Algorithmen zur Wiederherstellung des jeweiligen Originalsignals. Dies führt zu niedrigen Bitfehlerraten (BER) und letztlich zu einer verbesserten Spektrumausnutzung.
abschließend
Die Polarisation ist eine wichtige Antenneneigenschaft, die oft übersehen wird. Lineare (einschließlich horizontaler und vertikaler) Polarisation, schräge Polarisation, zirkulare Polarisation und elliptische Polarisation werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Die Reichweite der durchgängigen HF-Leistung einer Antenne hängt von ihrer relativen Ausrichtung ab. Standardantennen haben unterschiedliche Polarisationen und eignen sich für unterschiedliche Bereiche des Spektrums, wodurch die bevorzugte Polarisation für die jeweilige Anwendung bereitgestellt wird.
Empfohlene Produkte:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parameter | Typisch | Einheiten |
| Frequenzbereich | 20-30 | GHz |
| Gewinnen | 15 Typ. | dBi |
| Stehwellenverhältnis (VSWR) | 1,3 Typ. | |
| Polarisation | Dual Linear | |
| Cross-Pol.-Isolation | 60 Typ. | dB |
| Portisolierung | 70 Typ. | dB |
| Anschluss | SMA-FE-Mail | |
| Material | Al | |
| Fertigstellung | Malen | |
| Größe(L*B*H) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Gewicht | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Artikel | Spezifikation | Einheit |
| Frequenzbereich | 1-18 | GHz |
| Gewinnen | 10 Typ. | dBi |
| Stehwellenverhältnis (VSWR) | 1,5 Typ. | |
| Polarisation | Linear | |
| Kreuzpo. Isolierung | 30 Typ. | dB |
| Anschluss | SMA-Buchse | |
| Fertigstellung | Pist nicht | |
| Material | Al | |
| Größe(L*B*H) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Gewicht | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parameter | Typisch | Einheiten |
| Frequenzbereich | 2-18 | GHz |
| Gewinnen | 15 Typ. | dBi |
| Stehwellenverhältnis (VSWR) | 1,5 Typ. |
|
| Polarisation | Dual Linear |
|
| Cross-Pol.-Isolation | 40 | dB |
| Portisolierung | 40 | dB |
| Anschluss | SMA-F |
|
| Oberflächenbehandlung | Pist nicht |
|
| Größe(L*B*H) | 276*147*147(±5) | mm |
| Gewicht | 0,945 | kg |
| Material | Al |
|
| Betriebstemperatur | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parameter | Typisch | Einheiten |
| Frequenzbereich | 93-95 | GHz |
| Gewinnen | 22 Typ. | dBi |
| Stehwellenverhältnis (VSWR) | 1,3 Typ. |
|
| Polarisation | Dual Linear |
|
| Cross-Pol.-Isolation | 60 Typ. | dB |
| Portisolierung | 67 Typ. | dB |
| Anschluss | WR10 |
|
| Material | Cu |
|
| Fertigstellung | Golden |
|
| Größe(L*B*H) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Gewicht | 0,015 | kg |
Veröffentlichungszeit: 11. April 2024
