قطبش یکی از ویژگیهای اساسی آنتنها است. ابتدا باید قطبش امواج تخت را درک کنیم. سپس میتوانیم انواع اصلی قطبش آنتن را مورد بحث قرار دهیم.
قطبش خطی
ما شروع به درک قطبش یک موج الکترومغناطیسی تخت خواهیم کرد.
یک موج الکترومغناطیسی صفحهای (EM) چندین ویژگی دارد. اولین ویژگی این است که توان در یک جهت حرکت میکند (هیچ میدانی در دو جهت متعامد تغییر نمیکند). دوم، میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی عمود بر یکدیگر و عمود بر یکدیگر هستند. میدانهای الکتریکی و مغناطیسی عمود بر جهت انتشار موج صفحهای هستند. به عنوان مثال، یک میدان الکتریکی تک فرکانسی (میدان E) که توسط معادله (1) داده شده است را در نظر بگیرید. میدان الکترومغناطیسی در جهت +z حرکت میکند. میدان الکتریکی در جهت +x هدایت میشود. میدان مغناطیسی در جهت +y است.
در معادله (1)، به نمادگذاری زیر توجه کنید: . این یک بردار واحد (بردار طول) است که میگوید نقطه میدان الکتریکی در جهت x است. موج تخت در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل ۱. نمایش گرافیکی میدان الکتریکی در حال حرکت در جهت +z.
قطبش، رد و شکل انتشار (کانتور) یک میدان الکتریکی است. به عنوان مثال، معادله میدان الکتریکی موج تخت (1) را در نظر بگیرید. موقعیتی را مشاهده خواهیم کرد که در آن میدان الکتریکی (X,Y,Z) = (0,0,0) به عنوان تابعی از زمان است. دامنه این میدان در شکل 2، در چندین نقطه از زمان، رسم شده است. میدان در فرکانس "F" نوسان میکند.
شکل ۲. میدان الکتریکی (X, Y, Z) = (0,0,0) را در زمانهای مختلف مشاهده کنید.
میدان الکتریکی در مبدا مشاهده میشود که با دامنهای به جلو و عقب نوسان میکند. میدان الکتریکی همیشه در امتداد محور x نشان داده شده است. از آنجایی که میدان الکتریکی در امتداد یک خط واحد حفظ میشود، میتوان گفت که این میدان به صورت خطی قطبیده شده است. علاوه بر این، اگر محور X موازی با زمین باشد، این میدان نیز به صورت افقی قطبیده شده توصیف میشود. اگر میدان در امتداد محور Y باشد، میتوان گفت که موج به صورت عمودی قطبیده شده است.
امواج با قطبش خطی نیازی به جهتگیری در امتداد محور افقی یا عمودی ندارند. برای مثال، یک موج میدان الکتریکی با قیدی که در امتداد یک خط قرار دارد، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، نیز دارای قطبش خطی خواهد بود.
تصویر ۳. دامنه میدان الکتریکی یک موج با قطبش خطی که مسیر آن زاویهای است.
میدان الکتریکی در شکل 3 را میتوان با معادله (2) توصیف کرد. اکنون یک مؤلفه x و y از میدان الکتریکی وجود دارد. هر دو مؤلفه از نظر اندازه برابر هستند.
نکتهای که باید در مورد معادله (2) به آن توجه داشت، مؤلفه xy و میدانهای الکترونیکی در مرحله دوم است. این بدان معناست که هر دو مؤلفه در همه زمانها دامنه یکسانی دارند.
قطبش دایرهای
حال فرض کنید میدان الکتریکی یک موج تخت با معادله (3) داده شده است:
در این حالت، عناصر X و Y 90 درجه اختلاف فاز دارند. اگر میدان مانند قبل به صورت (X, Y, Z) = (0,0,0) مشاهده شود، منحنی میدان الکتریکی بر حسب زمان مطابق شکل 4 ظاهر خواهد شد.
شکل 4. قدرت میدان الکتریکی (X، Y، Z) = (0،0،0) دامنه EQ. (3).
میدان الکتریکی در شکل ۴ در یک دایره میچرخد. این نوع میدان به عنوان یک موج با قطبش دایرهای توصیف میشود. برای قطبش دایرهای، معیارهای زیر باید رعایت شوند:
- استاندارد برای قطبش دایرهای
- میدان الکتریکی باید دو مؤلفه متعامد (عمود بر هم) داشته باشد.
- مؤلفههای متعامد میدان الکتریکی باید دامنههای یکسانی داشته باشند.
- اجزای تربیعی باید ۹۰ درجه اختلاف فاز داشته باشند.
اگر میدان روی صفحه شکل موج ۴ حرکت کند، گفته میشود که چرخش میدان در خلاف جهت عقربههای ساعت و با قطبش دایرهای راستگرد (RHCP) است. اگر میدان در جهت عقربههای ساعت بچرخد، میدان با قطبش دایرهای چپگرد (LHCP) خواهد بود.
قطبش بیضوی
اگر میدان الکتریکی دارای دو مؤلفه عمود بر هم باشد، که 90 درجه اختلاف فاز دارند اما اندازه آنها برابر است، میدان به صورت بیضوی قطبیده خواهد شد. با در نظر گرفتن میدان الکتریکی یک موج تخت که در جهت +z حرکت میکند، که با معادله (4) توصیف میشود:
مکان هندسی نقطهای که نوک بردار میدان الکتریکی در آن قرار میگیرد، در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل 5. میدان الکتریکی موج قطبش بیضوی سریع (4).
میدان در شکل ۵، که در جهت خلاف عقربههای ساعت حرکت میکند، اگر از صفحه خارج شود، بیضوی راستگرد خواهد بود. اگر بردار میدان الکتریکی در جهت مخالف بچرخد، میدان به صورت بیضوی چپگرد قطبیده خواهد شد.
علاوه بر این، قطبش بیضوی به خروج از مرکز آن اشاره دارد. نسبت خروج از مرکز به دامنه محورهای اصلی و فرعی. به عنوان مثال، خروج از مرکز موج از معادله (4) برابر با 1/0.3 = 3.33 است. امواج با قطبش بیضوی بیشتر با جهت محور اصلی توصیف میشوند. معادله موج (4) محوری دارد که در درجه اول از محور x تشکیل شده است. توجه داشته باشید که محور اصلی میتواند در هر زاویه صفحهای باشد. نیازی نیست که زاویه با محورهای X، Y یا Z مطابقت داشته باشد. در نهایت، توجه به این نکته مهم است که هم قطبش دایرهای و هم خطی موارد خاصی از قطبش بیضوی هستند. 1.0 موج با قطبش بیضوی خارج از مرکز، یک موج با قطبش دایرهای است. امواج با قطبش بیضوی با خروج از مرکز بینهایت. امواج با قطبش خطی.
قطبش آنتن
اکنون که از میدانهای الکترومغناطیسی موج تخت قطبیده آگاه هستیم، قطبش آنتن به سادگی تعریف میشود.
قطبش آنتن ارزیابی میدان دور آنتن، قطبش میدان تابشی حاصل. بنابراین، آنتنها اغلب به عنوان "قطبش خطی" یا "آنتنهای قطبش دایرهای راستگرد" فهرست میشوند.
این مفهوم ساده برای ارتباطات آنتن مهم است. اولاً، یک آنتن با قطبش افقی با یک آنتن با قطبش عمودی ارتباط برقرار نمیکند. با توجه به قضیهی تقابل، آنتن دقیقاً به یک روش ارسال و دریافت میکند. بنابراین، آنتنهای با قطبش عمودی، میدانهای با قطبش عمودی را ارسال و دریافت میکنند. بنابراین، اگر سعی کنید یک آنتن با قطبش افقی با قطبش عمودی را ارسال کنید، هیچ دریافتی وجود نخواهد داشت.
در حالت کلی، برای دو آنتن با قطبش خطی که نسبت به یکدیگر به اندازه زاویه ( ) چرخیدهاند، تلفات توان ناشی از این عدم تطابق قطبش با ضریب تلفات قطبش (PLF) توصیف میشود:
بنابراین، اگر دو آنتن قطبش یکسانی داشته باشند، زاویه بین میدانهای الکترونی تابشی آنها صفر است و هیچ اتلاف توانی به دلیل عدم تطابق قطبش وجود ندارد. اگر یک آنتن قطبش عمودی و دیگری قطبش افقی داشته باشد، زاویه ۹۰ درجه است و هیچ توانی منتقل نخواهد شد.
نکته: حرکت دادن گوشی روی سرتان در زوایای مختلف توضیح میدهد که چرا گاهی اوقات میتوان دریافت سیگنال را افزایش داد. آنتنهای تلفن همراه معمولاً به صورت خطی قطبی هستند، بنابراین چرخاندن گوشی اغلب میتواند با قطبی شدن گوشی مطابقت داشته باشد و در نتیجه دریافت سیگنال را بهبود بخشد.
قطبش دایرهای یک ویژگی مطلوب برای بسیاری از آنتنها است. هر دو آنتن دارای قطبش دایرهای هستند و به دلیل عدم تطابق قطبش، دچار افت سیگنال نمیشوند. آنتنهای مورد استفاده در سیستمهای GPS دارای قطبش دایرهای راستگرد هستند.
حال فرض کنید که یک آنتن با قطبش خطی، امواج با قطبش دایرهای را دریافت میکند. به طور معادل، فرض کنید که یک آنتن با قطبش دایرهای سعی در دریافت امواج با قطبش خطی دارد. ضریب تلفات قطبش حاصل چقدر است؟
به یاد داشته باشید که قطبش دایرهای در واقع دو موج متعامد با قطبش خطی است که ۹۰ درجه اختلاف فاز دارند. بنابراین، یک آنتن با قطبش خطی (LP) فقط مؤلفه فاز موج با قطبش دایرهای (CP) را دریافت میکند. بنابراین، آنتن LP دارای تلفات عدم تطابق قطبش ۰.۵ (-۳dB) خواهد بود. این موضوع صرف نظر از زاویه چرخش آنتن LP صادق است. بنابراین:
ضریب تلفات قطبش گاهی اوقات با نامهای راندمان قطبش، ضریب عدم تطابق آنتن یا ضریب دریافت آنتن نیز شناخته میشود. همه این نامها به یک مفهوم اشاره دارند.
زمان ارسال: ۲۲ دسامبر ۲۰۲۳
