Antennenpolarisation: Was sie ist und warum sie wichtig ist

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Jeder Elektronikingenieur weiß, dass Antennen Signale in Form elektromagnetischer Wellen (Wellen elektromagnetischer Energie) senden und empfangen, deren Eigenschaften durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben werden können. Wie viele spezialisierte technische Themen können wir diese Gleichungen sowie die Ausbreitungsregeln und Eigenschaften elektromagnetischer Wellen aus mehreren Perspektiven interpretieren – von relativ einfachen qualitativen Beschreibungen bis hin zu komplexen, detaillierten mathematischen Formeln.

Polarisation ist eine von zahlreichen Eigenschaften der Ausbreitung elektromagnetischer Energie. Ihre Auswirkungen und der Grad, in dem sie berücksichtigt werden muss, unterscheiden sich je nach Anwendungsszenario und entsprechender Antennengestaltung erheblich. Die grundlegenden Prinzipien der Polarisation gelten für alle elektromagnetischen Strahlungen, einschließlich Hochfrequenz- (HF)/Funksignalen und Lichtwellenenergie, und Polarisation wird im Bereich der Optik umfassend eingesetzt. Dieser Artikel behandelt nur das HF-Frequenzband.

Was ist Antennenpolarisation?

Um Polarisation zu verstehen, muss man zunächst die Grundlagen elektromagnetischer Wellen beherrschen. Eine elektromagnetische Welle besteht aus einem elektrischen Feld (E-Feld) und einem magnetischen Feld (H-Feld), die sich in dieselbe Richtung ausbreiten. Das elektrische Feld und das magnetische Feld stehen senkrecht zueinander, und beide sind senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der ebenen Welle.

Polarisation ist definiert als die Schwingungsebene des elektrischen Feldes, wenn man vom Sendeende aus in Richtung der Wellenausbreitung blickt. Bei horizontaler Polarisation schwingt das elektrische Feld seitlich innerhalb der horizontalen Ebene; bei vertikaler Polarisation schwingt das elektrische Feld auf und ab innerhalb der vertikalen Ebene (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Elektromagnetische Welle mit zueinander senkrechten elektrischen und magnetischen Feldkomponenten

Sende- und Empfangsantennen bilden ein Antennenpaar, und die Transceiver-Leistung erreicht ihren Höhepunkt, wenn beide dieselben Polarisationsebenen aufweisen. Als Anspielung auf die ikonische Zeile aus dem Film Alienaus dem Jahr 1979 – „Im Weltraum kann dich niemand schreien hören“ – gibt es im äußeren Weltraum keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen horizontaler und vertikaler Polarisation. Dennoch gelten die Theorien der Polarisationsanpassung und Antennenausrichtung weiterhin für die Maximierung der Übertragung und des Empfangs von Signalenergie.

Lineare und zirkulare Polarisation

Elektromagnetische Wellen weisen mehrere Polarisationsmodi auf:

• Die grundlegende lineare Polarisation umfasst zwei zueinander orthogonale (senkrechte) Polarisationsformen (siehe Abbildung 2). Theoretisch kann eine horizontal polarisierte Empfangsantenne kein Signal erfassen, das von einer vertikal polarisierten Sendeantenne derselben Frequenz ausgesendet wird, und umgekehrt. Je näher die Polarisationsausrichtungen der beiden Antennen beieinander liegen, desto stärker ist das empfangene Signal; die Effizienz der Signalenergieübertragung erreicht bei perfekter Polarisationsanpassung ihren Höchstwert.

Abbildung 2: Lineare Polarisation bietet zwei zueinander orthogonale Polarisationsformen

• Schrägpolarisation ist eine Variante der linearen Polarisation. Wie bei der herkömmlichen horizontalen und vertikalen Polarisation gilt diese Definition nur für bodengestützte Szenarien. Schrägpolarisation bildet einen Winkel von ±45° zur horizontalen Ebene. Obwohl Schrägpolarisation grundsätzlich linear ist, meinen Fachleute der Branche bei der Verwendung des Begriffs „lineare Polarisation“ normalerweise ausschließlich horizontal oder vertikal polarisierte Antennen.
• Signale, die von schräg polarisierten Antennen ausgesendet oder empfangen werden, können von rein horizontal oder vertikal polarisierten Antennen aufgenommen werden, allerdings mit einem gewissen Signalverlust. Schräg polarisierte Antennen eignen sich ideal für Anwendungen, bei denen der Polarisationszustand einer oder beider Antennen unbekannt ist oder sich die Polarisation während des Betriebs verändert.
• Zirkulare Polarisation (CP) ist komplexer als lineare Polarisation. In diesem Polarisationsmodus dreht sich der Vektor des elektrischen Feldes kontinuierlich, während sich das Signal ausbreitet. Bei Betrachtung vom Sendeende nach außen wird die Drehung des Vektors des elektrischen Feldes im Uhrzeigersinn als Rechtszirkularpolarisation (RHCP) bezeichnet; eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn als Linkszirkularpolarisation (LHCP) (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Vektor des elektrischen Feldes zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen dreht sich und wird in rechts- und linksdrehende Typen unterteilt

Zirkular polarisierte Signale entstehen durch die Überlagerung zweier orthogonaler elektromagnetischer Wellen mit einer Phasenverschiebung von 90°. Drei Kriterien müssen erfüllt sein, um zirkulare Polarisation zu erzeugen: Das elektrische Feld muss zwei orthogonale Komponenten enthalten; die beiden Komponenten müssen eine Phasendifferenz von 90° aufweisen; und beide Komponenten müssen die gleiche Amplitude besitzen. Helixantennen bieten eine einfache Lösung zur Erzeugung zirkular polarisierter Wellen.

• Elliptische Polarisation (EP) ist eine Ableitung der zirkularen Polarisation. Wie zirkular polarisierte Wellen werden elliptisch polarisierte Wellen aus zwei linear polarisierten Wellen zusammengesetzt. Elliptische Polarisation entsteht, wenn zwei zueinander senkrechte linear polarisierte Wellen mit unterschiedlicher Amplitude überlagert werden.

Der Grad der Polarisationsfehlanpassung zwischen zwei Antennen wird durch den Polarisationsverlustfaktor (PLF) quantifiziert, der in Dezibel (dB) gemessen wird. Sein Wert wird durch den Polarisationswinkel zwischen Sende- und Empfangsantenne bestimmt. Theoretisch entspricht der PLF bei perfekter Polarisationsanpassung 0 dB (kein Verlust); wenn die beiden Antennen vollständig orthogonal polarisiert sind, nähert sich der PLF unendlich (vollständige Signalabschwächung).

In realen Anwendungen können Antennen jedoch keine perfekt angepasste oder vollständig orthogonale Polarisation erreichen. Mechanische Fehlausrichtung bei der Installation, menschliche Bedienfehler, Kanalverzerrungen, Mehrwege-Reflexionen und andere Faktoren führen zu einer Winkelabweichung der Polarisationsrichtung des übertragenen elektrischen Feldes. Selbst wenn zwei Antennen für orthogonale Polarisation ausgelegt sind, tritt in der Praxis weiterhin eine Kreuzpolarisationsleckage von 10 bis 30 dB oder mehr auf. In einigen Szenarien ist dieses Lecksignal stark genug, um die Demodulation des gewünschten Signals zu stören.

Umgekehrt können selbst bei idealer Polarisation und präziser Ausrichtung zweier Antennen reale Umgebungsfaktoren den PLF auf 10 dB, 20 dB oder mehr erhöhen und dadurch den Signalempfang verschlechtern. Einfach ausgedrückt erzeugen unbeabsichtigte Kreuzpolarisation und hohe Polarisationsverlustfaktoren zwei nachteilige Effekte: Sie führen Störsignale ein und schwächen die Stärke des gewünschten Nutzsignals ab.

Warum Polarisationseigenschaften wichtig sind

Polarisation folgt einer bidirektionalen Regel: Je besser die Polarisationstypen zweier Antennen ausgerichtet und aufeinander abgestimmt sind, desto höher ist die Empfangssignalstärke. Umgekehrt erschwert eine schlechte Polarisationsanpassung sowohl Ziel- als auch Störempfängern den Empfang ausreichender nutzbarer Signale. In den meisten Szenarien verändert der Funkkanal den Polarisationszustand des übertragenen Signals, oder einer bzw. beide Transceiver können keine feste, stationäre Antennenausrichtung beibehalten.

Die Wahl des Polarisationsmodus wird im Allgemeinen durch die Installationsumgebung und die atmosphärischen Ausbreitungsbedingungen bestimmt. Beispielsweise liefern horizontal polarisierte Antennen eine bessere Signalleistung und stabilere Polarisation, wenn sie in der Nähe von Decken montiert werden; dagegen zeigen vertikal polarisierte Antennen, die an Seitenwänden installiert sind, ein Polarisationsverhalten, das näher an ihren nominalen Konstruktionsspezifikationen liegt.

Herkömmliche Dipolantennen (Standarddipole / Faltdipole) arbeiten bei konventioneller Montage mit horizontaler Polarisation (siehe Abbildung 4). Falls ein bestimmter Polarisationsmodus erforderlich ist, kann die Antenne um 90° gedreht werden, um auf vertikale Polarisation umzuschalten (siehe Abbildung 5).

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Abbildung 4: Dipolantennen werden für horizontale Polarisation typischerweise horizontal an Masten montiert

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Abbildung 5: Dipolantennen können bei Bedarf für vertikale Polarisation vertikal an Masten installiert werden, wenn dies von der Anwendung erfordert wird

Vertikale Polarisation wird häufig bei tragbaren Walkie-Talkies verwendet, beispielsweise bei Geräten, die von Rettungskräften mitgeführt werden. Dies liegt daran, dass die meisten vertikal polarisierten Funkantennen omnidirektionale Strahlungsmuster aufweisen – das bedeutet, dass Benutzer den Antennenazimut nicht neu einstellen müssen, selbst wenn sich die Ausrichtung des Handgeräts ständig ändert.

Die meisten Antennen im Hochfrequenzband (HF) von 3–30 MHz verwenden einfache Langdrahtantennenstrukturen, die horizontal zwischen Halterungen gespannt sind. Ihre große physische Größe wird durch die entsprechende Wellenlänge (10–100 Meter) bestimmt, und solche Antennen sind grundsätzlich horizontal polarisiert.

Interessanterweise wurde das Band vor Jahrzehnten als „Hochfrequenz“ bezeichnet, als 30 MHz noch als hoher Frequenzbereich galt. Obwohl die Bezeichnung heute veraltet erscheint, bleibt sie die offizielle Bandbezeichnung, die von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) festgelegt wurde, und wird weiterhin weltweit verwendet.

Das Mittelwellenband (MW) erstreckt sich von 300 kHz bis 3 MHz. Die von Rundfunksendern in diesem Band gewählte Polarisation hängt davon ab, ob der Sender für die Kurzstreckenversorgung mit starken Signalen auf Bodenwellen oder für die Fernübertragung auf ionosphärische Raumwellen setzt. Insgesamt bieten vertikal polarisierte Antennen eine bessere Bodenwellenausbreitung, während horizontal polarisierte Antennen besser für Raumwellenkommunikation geeignet sind.

Die Satellitenkommunikation stützt sich stark auf zirkulare Polarisation. Satelliten ändern ständig ihre Lage relativ zu Bodenstationen und anderen Satelliten. Die Signalübertragungseffizienz erreicht ihren Höchstwert, wenn sowohl die Sende- als auch die Empfangsseite zirkular polarisierte Antennen einsetzen; die Kombination linear polarisierter Antennen mit zirkular polarisierten Antennen funktioniert zwar, führt jedoch zu messbaren Polarisationsverlusten.

Die Polarisationseigenschaften sind auch für 5G-Systeme von entscheidender Bedeutung. Bestimmte 5G-MIMO-Antennenarrays (Multiple-Input Multiple-Output) nutzen Polarisationstechnologie, um Spektrumressourcen effizienter einzusetzen und den Durchsatz zu erhöhen. Dies wird erreicht, indem verschiedene Polarisationsmodi von Signalen mit der räumlichen Antennenmultiplexierung (räumlicher Diversität) kombiniert werden. Solche Systeme übertragen zwei unabhängige Datenströme gleichzeitig, wobei jeder Datenstrom separaten Antennen mit zueinander orthogonaler Polarisation zugeführt wird, sodass der Empfänger die beiden Ströme getrennt demodulieren kann. Obwohl nicht ideale Faktoren wie Ausbreitungswege, Kanalverzerrungen, Reflexionen und Mehrwegeffekte geringfügige kreuzpolarisierte Interferenzen verursachen, werden diese intern von den Empfängern abgeschwächt.

Fazit

Die Polarisation ist eine wichtige, jedoch häufig übersehene Eigenschaft von Antennen. Lineare Polarisation (einschließlich horizontaler und vertikaler Varianten), schräge Polarisation, zirkulare Polarisation und elliptische Polarisation eignen sich jeweils für unterschiedliche Anwendungsszenarien. Die relative Ausrichtung und der Anpassungsgrad der Antennen an Sende- und Empfangsseite bestimmen direkt die Gesamtleistung der gesamten HF-Verbindung. Eine große Auswahl an Standardantennen, die alle Polarisationstypen und HF-Frequenzbänder abdecken, ist kommerziell verfügbar, um auf alle Zielanwendungen zugeschnittene Polarisationslösungen bereitzustellen.

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