Was ist Antennenpolarisation und warum sie wichtig ist

Die Polarisation ist ein wichtiges Phänomen, das bei verschiedenen Analysen von elektromagnetischen (EM) Wellen nützlich ist. Das Verständnis der Polarisation spielt eine wichtige Rolle bei der maximalen Signalübertragung. Maximale Signalübertragung ist der Fall, bei dem die Signaltreue während der Übertragung erhalten bleibt. Um eine maximale Signalübertragung zu erreichen, müssen die Antennenelemente von Sender und Empfänger die gleiche Antennenpolarisation aufweisen. Wenn die Polarisation nicht übereinstimmt, wird die Signalstärke verringert.

In diesem Artikel wird erörtert, wie wichtig das Verständnis der Antennenpolarisation ist. Dazu gehört die Erörterung einer kurzen Geschichte der Polarisation, der Arten der Antennenpolarisation und der Faktoren, die die Polarisation beeinflussen. Darüber hinaus werden wir einige der Anwendungen der Antennenpolarisation untersuchen und wie sie in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Dieser Artikel kann als kurzer und prägnanter umfassender Leitfaden für die Antennenpolarisation dienen.

Grundlagen der Antennenpolarisation

Eine EM-Welle besteht aus zwei senkrecht zueinander stehenden Feldern. Diese Felder sind:

• Elektrisches Feld (E-Feld)
• Magnetisches Feld (H-Feld)

Diese beiden Felder stehen senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Die Antennenpolarisation wird auf der Grundlage der Ausrichtung des elektrischen Feldes definiert. Dementsprechend können wir die Antennenpolarisation als die Ausrichtung des E-Feldes der von der Sendeantenne abgestrahlten EM-Welle definieren. Dies ist ein wichtiges Konzept, da das E-Feld für die Stärke des Signals wichtig ist.
Wenn es um die Geschichte der Antennenpolarisation geht, ist James Maxwell einer der einflussreichsten Wissenschaftler, der die Maxwell-Gleichungen formulierte, um die Ausbreitung von EM-Wellen und die Wechselwirkung zwischen E-Feld und H-Feld zu beschreiben. Es war jedoch Heinrich Hertz, der Ende der 1880er Jahre die Polarisation mit einer Dipolantenne experimentell nachwies.

Ein kurzes Verständnis der Definition von Antennenpolarisation und der Geschichte der Antennenpolarisation ist notwendig, um die grundlegende Beziehung zwischen Antennenpolarisation und EM-Wellen zu verstehen. Grundsätzlich kann die Antennenpolarisation die EM-Wellen beeinflussen,

• Signalstärke auf der Empfangsseite
• Signalstörpegel aufgrund von Mehrweginterferenzen und Polarisationsfehlanpassung

Abgesehen von diesen beiden grundlegenden Ideen kann auch die Polarisation das Antennendesign stark einschränken. Daher ist es notwendig, vor dem Entwurf einer Antenne ein angemessenes Verständnis der Antennenpolarisation zu haben.

Arten der Antennenpolarisierung

Es gibt mehrere Arten von Antennenpolarisationen, die von verschiedenen Umständen abhängen, wie z. B. von den Umgebungsbedingungen und dem Antennendesign. Je nach den Vor- und Nachteilen der einzelnen Antennenpolarisationsarten werden sie in verschiedenen Formen drahtloser Kommunikationsmedien eingesetzt.

Es gibt drei Hauptarten der Antennenpolarisation, nämlich,

1. Lineare Polarisierung
2. Zirkulare Polarisation
3. Elliptische Polarisierung

Horizontale und vertikale Polarisation

Doppelte Schrägpolarisation

Lineare Polarisierung

Die lineare Polarisation ist die häufigste Art der Polarisation, die wir in praktischen Anwendungen sehen können. Bei der linearen Polarisation beschränkt sich die gesamte Strahlung auf eine Ebene. In diesem Fall schwingt das E-Feld nur in einer einzigen Richtung. Je nach Richtung der Schwingung des E-Feldes gibt es drei Unterkategorien der linearen Polarisation. Diese sind:

• Horizontale Polarisation - Hier oszilliert das E-Feld von einer Seite zur anderen und kann von den horizontalen Elementen einer Antenne aufgenommen werden.
• Vertikale Polarisation - Hier oszilliert das E-Feld nach oben und unten und kann von vertikalen Elementen aufgefangen werden. Ein wesentlicher Vorteil der vertikalen Polarisation ist, dass sie gleichmäßig um die horizontale Ebene herum abstrahlt.
• Schrägpolarisation - Hier schwingt das E-Feld in einem Winkel zu einer horizontalen oder vertikalen Ebene. Schrägpolarisation kann sowohl von horizontalen als auch von vertikalen Elementen einer Antenne aufgenommen werden.

Zirkulare Polarisation

Hier dreht sich das E-Feld, während sich das Signal ausbreitet. Dies ist eine komplexe Form der Polarisation im Vergleich zur linearen Polarisation, die in der Satellitenkommunikation weit verbreitet ist. Damit eine zirkulare Polarisation auftritt, müssen drei Bedingungen erfüllt sein. Diese sind:

• Das E-Feld muss zwei orthogonale Vektorkomponenten haben
• Diese Vektorkomponenten sollten um 90 Grad phasenverschoben sein.
• Diese Vektorkomponenten sollten gleich groß sein

Je nach Drehrichtung des E-Feldes gibt es zwei Arten der zirkularen Polarisation, nämlich:

• Rechtshändige zirkuläre Polarisation (RHCP)
• Linkshändige zirkuläre Polarisation (LHCP)

Elliptische Polarisierung

Die elliptische Polarisation ist eine Mischung aus linearer und zirkularer Polarisation. Diese Mischung ist auf die Ungleichheit der Größe der orthogonalen Vektorkomponenten des E-Feldes zurückzuführen, die wir bereits bei der zirkularen Polarisation beschrieben haben. Wie die zirkulare Polarisation wird auch die elliptische Polarisation häufig in der Satellitenkommunikation und in Radarsystemen eingesetzt.

Faktoren, die die Antennenpolarisierung beeinflussen

Da sich die EM-Wellen frei im Raum ausbreiten, können verschiedene Faktoren die Antennenpolarisation beeinflussen. Wir können jedoch einige Schlüsselfaktoren eingrenzen, die einen wesentlichen Einfluss auf die Antennenpolarisation haben können. Diese Faktoren sind:

• Umweltfaktoren: Hier ist das Gelände ein wichtiger Faktor. Je nach Beschaffenheit des Geländes, d. h. städtisch, ländlich usw., wird der Grad der Polarisierung durch Signalreflexion, Beugung und Streuung beeinflusst. Außerdem können Hindernisse in der Umgebung das Signal durch Reflexion und Absorption beeinflussen.
• Frequenz: Die Übertragungsfrequenz bestimmt den Grad der Polarisation, wobei höhere Frequenzen anfälliger für Polarisation sind.
• Antennendesign: Die Größe, Form, Ausrichtung und die verschiedenen Elemente der Antenne können ebenfalls die Polarisation beeinflussen, da sie bestimmen, wie das Signal empfangen und gesendet wird.
• Überlegungen zur Signalausbreitung: Andere Faktoren wie atmosphärische Bedingungen und Kanalverzerrungen können die Polarisation ebenfalls beeinflussen.

Anwendungen der Antennenpolarisation

Nachdem wir uns ein umfassendes Bild von der Antennenpolarisation gemacht haben, wollen wir nun einige der weit verbreiteten Anwendungen der Antennenpolarisation untersuchen. Bei drahtlosen Kommunikationssystemen wird die Polarisation verwendet, um Interferenzen zu reduzieren, die während der Übertragung auftreten können. Darüber hinaus wird durch die gewünschte Polarisierung die Klarheit des Signals und die Signalstärke erhöht. In drahtlosen Kommunikationssystemen, wie z. B. Mobilfunknetzen, wird die Polarisierung zur Erhöhung der Kanalkapazität eingesetzt, indem verschiedene Arten der Polarisierung innerhalb desselben Kanals erreicht werden. Auch in RFID-Systemen kann die Polarisation aufgrund von Störungen in der Umgebung ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Lesereichweite von RFID-Systemen sein.

Darüber hinaus sind zirkulare und elliptische Polarisation in Satelliten- und Radarsystemen weit verbreitet, da es bei diesen Systemen häufig zu Interferenzen kommt. Bei der Satellitenkommunikation kann die Einführung der zirkularen Polarisation die Signalverzerrung, die durch die Rotation der Satelliten entstehen kann, wirksam ausgleichen. Darüber hinaus können diese beiden Arten der Polarisation auch zur Untersuchung der Bewegung großer Himmelskörper in der Radioastronomie verwendet werden.

Vielfalt der Polarisation

Polarisationsdiversität ist ein Spezialfall der Polarisation, bei dem mehrere Versionen eines Signals unter Verwendung mehrerer Polarisationstypen gesendet und empfangen werden. Dies ist nützlich, um die Polarisationsfehlanpassung zu verringern, da das Signal in verschiedenen Polarisationen empfangen wird. Außerdem wird dadurch die Signalverschlechterung aufgrund von Mehrweginterferenzen verringert.

Diese Technik ist nützlich für MIMO-Systeme da es die Größe der MIMO-Endstationen und die Anzahl der MIMO-Antennen. Ein solcher Vorteil wird durch die Verwendung mehrerer Arten von polarisierten Signalen und geringer Korrelationen zwischen ihnen erreicht. Trotz des Vorteils der Polarisationsvielfalt erhöht die Verwirklichung dieser Funktionalität jedoch die Kosten des Gesamtsystems.

Praktische Überlegungen zur Antennenpolarisation

Abschließend sollen noch einige wichtige praktische Überlegungen erläutert werden, die bei der Nutzung der Antennenpolarisation zu berücksichtigen sind. Die wichtigsten Faktoren lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Richtige Ausrichtung und Orientierung: Dies ist ein entscheidender Faktor, der berücksichtigt werden muss, da er sich auf die Klarheit und Stärke des Signals auswirkt. Darüber hinaus sollte bei der Verwendung von Richtfunkstrecken große Sorgfalt walten.
• Abschwächung von Polarisationsfehlanpassungen: Eine Fehlanpassung der Polarisation kann dazu führen, dass der Empfang des richtigen Signals gestört wird. Daher können wir Techniken wie Polarisationsdiversität und adaptive Polarisation verwenden.
• Kriterien für die Antennenauswahl: Bei Handfunkgeräten wird z. B. die vertikale Polarisation bevorzugt, daher wird die Dipolantenne vertikal montiert. Außerdem können Drahtantennen im Hochfrequenzbereich eingesetzt werden, und für höherfrequente polarisierte Signale werden lineare Polarisationsmethoden verwendet.

Künftige Trends und Entwicklungen

Mit den Fortschritten in der 5G- und 6G-Kommunikation ist eine Zunahme der Forschung im Bereich der adaptiven Polarisationstechniken und des Einsatzes von maschinellen Lernverfahren in der drahtlosen Kommunikation zu beobachten. Darüber hinaus ist die Erforschung intelligenter reflektierender Oberflächen für adaptive Antennen ein weiterer neuer Forschungsbereich in der Branche. Diese Forschungstrends können zu neu entstehenden Kommunikationssystemen beitragen, die IoT-Anwendungen (Internet der Dinge), Drohnenkommunikation und Fahrzeugnetze ermöglichen.

Schlussfolgerung

Abschließend können wir feststellen, dass die Polarisation ein wichtiges Konzept ist, das wir verstehen müssen, wenn wir uns mit Anwendungen von Antennen und Kommunikationssystemen beschäftigen. In diesem Artikel haben wir die Bedeutung der Antennenpolarisation, die verschiedenen Arten und ihre Anwendungen besprochen. Dieser kurze Artikel kann als Nachschlagewerk zum Verständnis des Konzepts der Polarisation verwendet werden.