پلاریزاسیون یکی از ویژگی های اساسی آنتن ها است. ابتدا باید قطبی شدن امواج صفحه را درک کنیم. سپس می توانیم انواع اصلی پلاریزاسیون آنتن را مورد بحث قرار دهیم.
قطبش خطی
ما شروع به درک پلاریزاسیون یک موج الکترومغناطیسی مسطح خواهیم کرد.
یک موج الکترومغناطیسی مسطح (EM) دارای چندین ویژگی است. اولین مورد این است که توان در یک جهت حرکت می کند (هیچ میدانی در دو جهت متعامد تغییر نمی کند). دوم اینکه میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی عمود بر یکدیگر و متعامد بر یکدیگر هستند. میدان های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر جهت انتشار موج مسطح هستند. به عنوان مثال، میدان الکتریکی تک فرکانس (میدان E) را که با رابطه (1) به دست می‌آید، در نظر بگیرید. میدان الکترومغناطیسی در جهت +z حرکت می کند. میدان الکتریکی در جهت +x هدایت می شود. میدان مغناطیسی در جهت +y است.
در رابطه (1) به نماد توجه کنید: این یک بردار واحد (بردار طول) است که می گوید نقطه میدان الکتریکی در جهت x است. موج صفحه در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1. نمایش گرافیکی میدان الکتریکی که در جهت z حرکت می کند.
قطبش ردیابی و شکل انتشار (کانتور) میدان الکتریکی است. به عنوان مثال، معادله میدان الکتریکی موج صفحه (1) را در نظر بگیرید. ما موقعیتی را مشاهده خواهیم کرد که میدان الکتریکی (X,Y,Z) = (0,0,0) تابعی از زمان است. دامنه این میدان در شکل 2 در چندین نمونه از زمان رسم شده است. میدان در فرکانس "F" در نوسان است.
شکل 2. میدان الکتریکی (X, Y, Z) = (0,0,0) را در زمان های مختلف مشاهده کنید.
میدان الکتریکی در مبدا مشاهده می‌شود و در دامنه نوسان می‌کند. میدان الکتریکی همیشه در امتداد محور x نشان داده شده است. از آنجایی که میدان الکتریکی در امتداد یک خط واحد حفظ می شود، می توان گفت که این میدان به صورت خطی قطبی شده است. علاوه بر این، اگر محور X موازی با زمین باشد، این میدان به صورت قطبی افقی نیز توصیف می شود. اگر میدان در امتداد محور Y باشد، می توان گفت که موج به صورت عمودی قطبی شده است.
امواج پلاریزه خطی نیازی به هدایت در امتداد یک محور افقی یا عمودی ندارند. به عنوان مثال، یک موج میدان الکتریکی با یک محدودیت در امتداد یک خط همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است نیز به صورت خطی قطبی می شود.
تصویر 3. دامنه میدان الکتریکی یک موج قطبی شده خطی که مسیر آن یک زاویه است.
میدان الکتریکی در شکل 3 را می توان با رابطه (2) توصیف کرد. اکنون یک جزء x و y از میدان الکتریکی وجود دارد. هر دو جزء از نظر اندازه برابر هستند.
یکی از مواردی که در رابطه با معادله (2) باید به آن توجه کرد، مولفه xy و میدان های الکترونیکی در مرحله دوم است. این بدان معنی است که هر دو مؤلفه در همه زمان ها دامنه یکسانی دارند.
قطبش دایره ای
حال فرض کنید که میدان الکتریکی یک موج مسطح با رابطه (3) به دست می آید:
در این حالت، عناصر X و Y 90 درجه خارج از فاز هستند. اگر میدان دوباره به صورت (X, Y, Z) = (0,0,0) مانند قبل مشاهده شود، منحنی میدان الکتریکی در مقابل زمان مطابق شکل 4 در زیر ظاهر می شود.
شکل 4. قدرت میدان الکتریکی (X, Y, Z) = (0,0,0) دامنه EQ. (3).
میدان الکتریکی در شکل 4 به صورت دایره ای می چرخد. این نوع میدان به عنوان یک موج قطبی دایره ای توصیف می شود. برای پلاریزاسیون دایره ای، معیارهای زیر باید رعایت شوند:
- استاندارد برای پلاریزاسیون دایره ای
- میدان الکتریکی باید دارای دو جزء متعامد (عمود) باشد.
- اجزای متعامد میدان الکتریکی باید دارای دامنه های مساوی باشند.
- اجزای مربع باید 90 درجه خارج از فاز باشند.
اگر روی صفحه موج شکل 4 حرکت می کنید، گفته می شود که چرخش میدان در خلاف جهت عقربه های ساعت و سمت راست قطبی دایره ای (RHCP) است. اگر میدان در جهت عقربه های ساعت بچرخد، میدان قطبش دایره ای چپ (LHCP) خواهد بود.
قطبش بیضوی
اگر میدان الکتریکی دو جزء عمود بر هم داشته باشد، 90 درجه خارج از فاز اما با قدر مساوی، میدان به صورت بیضی قطبی می شود. با در نظر گرفتن میدان الکتریکی موج صفحه ای که در جهت +z حرکت می کند، که توسط رابطه (4) توضیح داده شده است:
مکان نقطه ای که نوک بردار میدان الکتریکی در آن فرض می شود در شکل 5 آورده شده است.
شکل 5. میدان الکتریکی موج قطبش بیضوی سریع. (4).
میدانی که در شکل 5 در جهت خلاف جهت عقربه‌های ساعت حرکت می‌کند، در صورت حرکت به بیرون از صفحه نمایش، بیضوی راست‌دست خواهد بود. اگر بردار میدان الکتریکی در جهت مخالف بچرخد، میدان به صورت بیضوی سمت چپ قطبی می شود.
علاوه بر این، قطبش بیضوی به غیرمرکزی بودن آن اشاره دارد. نسبت خروج از مرکز به دامنه محورهای اصلی و فرعی. به عنوان مثال، گریز از مرکز موج از رابطه (4) 1/0.3 = 3.33 است. امواج قطبی بیضوی بیشتر با جهت محور اصلی توصیف می شوند. معادله موج (4) دارای یک محور است که عمدتاً از محور x تشکیل شده است. توجه داشته باشید که محور اصلی می تواند در هر زاویه صفحه ای باشد. زاویه برای تناسب با محور X، Y یا Z لازم نیست. در نهایت، ذکر این نکته ضروری است که هر دو قطبش دایره ای و خطی موارد خاصی از قطبش بیضوی هستند. 1.0 موج پلاریزه بیضی خارج از مرکز یک موج قطبی دایره ای است. امواج قطبی بیضوی با گریز از مرکز بی نهایت. امواج پلاریزه خطی
پلاریزاسیون آنتن
اکنون که از میدان های الکترومغناطیسی موج صفحه پلاریزه شده آگاه هستیم، قطبش یک آنتن به سادگی تعریف می شود.
قطبش آنتن یک ارزیابی میدان دور آنتن، قطبش میدان تابشی حاصل. بنابراین، آنتن ها اغلب به عنوان "آنتن های قطبی خطی" یا "آنتن های قطبی دایره ای راست دست" ذکر می شوند.
این مفهوم ساده برای ارتباطات آنتنی مهم است. اول اینکه یک آنتن پلاریزه افقی با آنتن پلاریزه عمودی ارتباط برقرار نمی کند. با توجه به قضیه متقابل، آنتن دقیقاً به همان روش ارسال و دریافت می کند. بنابراین، آنتن های پلاریزه عمودی، میدان های پلاریزه عمودی را ارسال و دریافت می کنند. بنابراین، اگر سعی کنید یک آنتن پلاریزه افقی را به صورت عمودی منتقل کنید، هیچ دریافتی وجود نخواهد داشت.
در حالت کلی، برای دو آنتن پلاریزه خطی که نسبت به یکدیگر با یک زاویه ( ) می چرخند، افت توان ناشی از این عدم تطابق قطبش توسط ضریب تلفات پلاریزاسیون (PLF) توصیف می شود:
بنابراین، اگر دو آنتن پلاریزاسیون یکسانی داشته باشند، زاویه بین میدان های الکترونی تابشی آنها صفر است و به دلیل عدم تطابق قطبش، افت توانی وجود ندارد. اگر یکی از آنتن ها به صورت عمودی و دیگری به صورت افقی قطبی شود، زاویه 90 درجه است و هیچ برقی منتقل نمی شود.
توجه: حرکت دادن تلفن روی سرتان به زوایای مختلف توضیح می دهد که چرا گاهی اوقات می توان دریافت را افزایش داد. آنتن های تلفن همراه معمولاً به صورت خطی پلاریزه می شوند، بنابراین چرخش تلفن اغلب می تواند با قطبش تلفن مطابقت داشته باشد، بنابراین دریافت را بهبود می بخشد.
پلاریزاسیون دایره ای ویژگی مطلوب بسیاری از آنتن ها است. هر دو آنتن به صورت دایره ای پلاریزه هستند و به دلیل عدم تطابق قطبش دچار افت سیگنال نمی شوند. آنتن های مورد استفاده در سیستم های GPS به صورت دایره ای قطبی در سمت راست هستند.
حال فرض کنید یک آنتن پلاریزه خطی امواج قطبی دایره ای را دریافت می کند. به طور معادل، فرض کنید که یک آنتن دایره ای قطبی شده سعی می کند امواج قطبی شده خطی را دریافت کند. ضریب تلفات پلاریزاسیون حاصل چیست؟
به یاد بیاورید که پلاریزاسیون دایره ای در واقع دو موج پلاریزه خطی متعامد، 90 درجه خارج از فاز است. بنابراین، یک آنتن خطی پلاریزه (LP) فقط جزء فاز موج قطبی شده دایره ای (CP) را دریافت می کند. بنابراین، آنتن LP افت عدم تطابق قطبش 0.5 (-3dB) خواهد داشت. این موضوع صرف نظر از زاویه چرخش آنتن LP درست است. بنابراین:
فاکتور از دست دادن پلاریزاسیون گاهی اوقات به عنوان بازده پلاریزاسیون، ضریب عدم تطابق آنتن یا ضریب دریافت آنتن نامیده می شود. همه این نام ها به یک مفهوم اشاره دارند.
زمان ارسال: دسامبر-22-2023
