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Antennenpolarisation: Was sie ist und warum sie wichtig ist
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Jeder Elektronikingenieur weiß, dass Antennen Signale in Form elektromagnetischer Wellen (elektromagnetischer Energiewellen) senden und empfangen, deren Eigenschaften durch die Gleichungen von Maxwell beschrieben werden können. Wie viele spezialisierte technische Themen können wir diese Gleichungen zusammen mit den 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, variieren stark je nach verschiedenen Anwendungsszenarien und den entsprechenden Antennendesigns. Die grundlegenden Prinzipien der Polarisation gelten für alle elektromagnetischen Strahlungen, einschließlich Hochfrequenz- (RF)/drahtloser Signale und Lichtwellenenergie, und Polarisation findet umfangreiche Anwendung im Bereich der Optik. Dieser Artikel behandelt nur das RF-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 stehen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der ebenen Welle.
Polarisation wird als die Schwingungsebene des elektrischen Feldes definiert, wenn man vom Sendeende in die Ausbreitungsrichtung der Welle blickt. Bei horizontaler Polarisation schwingt das elektrische Feld seitlich innerhalb der horizontalen Ebene; bei vertikaler Polarisation schwingt das elektrische Feld nach oben und unten innerhalb der vertikalen Ebene (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Elektromagnetische Welle mit zueinander senkrechten Komponenten des elektrischen und magnetischen Feldes
Sende- und Empfangsantennen bilden ein Antennenpaar, und die Transceiver-Leistung erreicht ihr Maximum, wenn beide dieselben Polarisationsebenen aufweisen. In Anlehnung an die ikonische Zeile aus dem Film von 1979 Alien— „Im Weltraum kann niemand deinen Schrei hören“ — gibt es im Weltraum keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen horizontaler und vertikaler Polarisation. Trotzdem gelten die Theorien der Polarisationsanpassung und Antennenausrichtung weiterhin zur 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 mit derselben Frequenz ausgesendet wird, und umgekehrt. Je näher die Polarisationsausrichtungen der beiden Antennen beieinanderliegen, desto stärker ist das empfangene Signal; die Effizienz der Signalenergieübertragung erreicht ihren Höchstwert bei perfekter Polarisationsanpassung.
Abbildung 2: Lineare Polarisation bietet zwei zueinander orthogonale Polarisationsformen
- Schrägpolarisation ist eine Variante der linearen Polarisation. Wie die herkömmliche horizontale und vertikale 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 mit „linearer Polarisation“ normalerweise ausschließlich horizontal oder vertikal polarisierte Antennen.
- Von schräg polarisierten Antennen ausgesendete oder empfangene Signale können von rein horizontal oder vertikal polarisierten Antennen aufgenommen werden, allerdings mit einem gewissen Signalverlust. Schrägpolarisierte Antennen sind ideal für Anwendungsfälle, bei denen der Polarisationszustand einer oder beider Antennen unbekannt ist oder sich die Polarisation während des Betriebs ändert.
- Zirkulare Polarisation (CP) ist komplexer als lineare Polarisation. In diesem Polarisationsmodus dreht sich der Vektor des elektrischen Feldes kontinuierlich, während sich das Signal ausbreitet. Von außen betrachtet und vom Sendeende aus gesehen wird die Drehung des elektrischen Feldvektors im Uhrzeigersinn als rechtszirkulare Polarisation (RHCP) bezeichnet; eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn wird als linkszirkulare Polarisation (LHCP) bezeichnet (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 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 einen Phasenunterschied von 90° aufweisen; und beide Komponenten müssen die gleiche Amplitude tragen. Helix- Antennen 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 synthetisiert. Elliptische Polarisation entsteht, wenn zwei zueinander senkrechte linear polarisierte Wellen mit ungleichen Amplituden überlagert werden.
Der Grad der Polarisationsfehlanpassung zwischen zwei Antennen wird durch den Polarisationsverlustfaktor (PLF) quantifiziert, gemessen in Dezibel (dB). Sein Wert wird durch den Polarisationswinkel zwischen Sende- und Empfangsantenne bestimmt. Theoretisch beträgt der PLF 0 dB bei perfekter Polarisationsanpassung (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. Fehlausrichtung bei der mechanischen Installation, menschliche Bedienfehler, Kanalverzerrungen, Mehrwegeausbreitungsreflexionen und andere Faktoren führen zu einer Winkelauslenkung in der Polarisationsrichtung des gesendeten 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 höher erhöhen und dadurch den Signalempfang verschlechtern. Einfach ausgedrückt, unbeabsichtigte Kreuzpolarisation und hohe Polarisationsverlustfaktoren erzeugen zwei negative Effekte: Sie führen Störsignale ein und verringern die Stärke des gewünschten Nutzsignals.
Warum Polarisationsmerkmale wichtig sind
Polarisation folgt einer bidirektionalen Regel: je genauer die Polarisationstypen zweier Antennen ausgerichtet und übereinstimmend sind, desto höher ist die empfangene Signalstärke. Umgekehrt erschwert eine schlechte Polarisationsanpassung sowohl Ziel- als auch Störempfängern den Empfang ausreichender nutzbarer Signale. In den meisten Szenarien verändert der drahtlose Kanal den Polarisationszustand des gesendeten Signals, oder einer oder beide Transceiver können keine feste, stationäre Antennenausrichtung beibehalten.
Die Wahl des Polarisationsmodus wird allgemein durch die Installationsumgebung und atmosphärische Ausbreitungsbedingungen bestimmt. Beispielsweise liefern horizontal polarisierte Antennen eine bessere Signalleistung und stabilere Polarisation, wenn sie nahe an Decken montiert werden; im Gegensatz dazu zeigen vertikal polarisierte Antennen, die an Seitenwänden installiert sind, ein Polarisationsverhalten, das näher an ihren nominalen Designeigenschaften liegt.
Herkömmliche Dipolantennen (Standarddipole / Faltdipole) arbeiten bei konventioneller Montage in horizontaler Polarisation (siehe Abbildung 4). Falls eine bestimmte Polarisation 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 typischerweise horizontal an Masten montiert, um horizontale Polarisation zu erreichen
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Abbildung 5: Dipolantennen können bei Bedarf entsprechend der Anwendung vertikal an Masten installiert werden, um vertikale Polarisation zu ermöglichen
Vertikale Polarisation wird häufig bei tragbaren Walkie-Talkies verwendet, beispielsweise bei Geräten, die von Einsatzkräften der Notfallrettung getragen werden. Dies liegt daran, dass die meisten vertikal polarisierten Funkantennen omnidirektionale Strahlungsmuster aufweisen – das bedeutet, dass Benutzer den Azimut der Antenne nicht neu ausrichten müssen, selbst wenn sich die Ausrichtung des tragbaren Geräts 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 der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) 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 eine kurzreichweitige starke Signalabdeckung auf Bodenwellen oder für die Übertragung über große Entfernungen auf ionosphärische Raumwellen setzt. Insgesamt bieten vertikal polarisierte Antennen eine bessere Ausbreitung von Bodenwellen, während horizontal polarisierte Antennen besser für Raumwellenkommunikation geeignet sind.
Satellitenkommunikation setzt stark auf zirkulare Polarisation. Satelliten ändern ständig ihre Ausrichtung relativ zu Bodenstationen und anderen Satelliten. Die Signalübertragungseffizienz erreicht ihren Höchstwert, wenn sowohl Sende- als auch Empfangsseite zirkular polarisierte Antennen einsetzen; die Kombination linear polarisierter Antennen mit zirkular polarisierten Antennen funktioniert zwar, führt jedoch zu einem messbaren Polarisationsverlustfaktor.
Polarisationsmerkmale sind auch für 5G-Systeme von entscheidender Bedeutung. Bestimmte 5G-Mehrfach-Eingangs-Mehrfach-Ausgangs-(MIMO)-Antennenarrays nutzen Polarisationstechnologie, um Spektrumressourcen effizienter einzusetzen und die Durchsatzgeschwindigkeiten zu erhöhen. Dies wird erreicht, indem verschiedene Polarisationsmodi von Signalen mit räumlicher Antennenmultiplexierung (räumlicher Diversität) kombiniert werden. Solche Systeme übertragen zwei unabhängige Datenströme gleichzeitig, wobei jeder Strom separaten Antennen mit zueinander orthogonaler Polarisation zugeführt wird. Dadurch kann der Empfänger die beiden Ströme getrennt demodulieren. Während nichtideale Faktoren wie Ausbreitungswege, Kanalverzerrungen, Reflexionen und Mehrwegeffekte geringfügige kreuzpolarisierte Störungen verursachen, werden diese intern von den Empfängern abgeschwächt.
Fazit
Polarisation ist eine wichtige, jedoch häufig übersehene Eigenschaft von Antennen. Lineare Polarisation (einschließlich horizontaler und vertikaler Varianten), Schrägpolarisation, zirkulare Polarisation und elliptische Polarisation eignen sich jeweils für unterschiedliche Anwendungsszenarien. Die relative Ausrichtung und der Anpassungsgrad der Antennen auf Sende- und Empfangsseite bestimmen direkt die Gesamtleistung der vollständigen HF-Verbindung. Eine große Vielfalt standardisierter Antennen für alle Polarisationstypen und HF-Frequenzbänder ist kommerziell verfügbar, um Polarisationsverfahren bereitzustellen, die auf alle Zielanwendungen zugeschnitten sind.
