โพลาไรเซชันเป็นหนึ่งในลักษณะพื้นฐานของเสาอากาศ เราต้องเข้าใจโพลาไรเซชันของคลื่นระนาบก่อน จากนั้นเราจะมาพูดถึงประเภทหลักของโพลาไรเซชันของเสาอากาศ
โพลาไรเซชันเชิงเส้น
เราจะเริ่มต้นทำความเข้าใจเกี่ยวกับโพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าระนาบ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าระนาบ (EM) มีลักษณะเฉพาะหลายประการ ประการแรกคือกำลังไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว (ไม่มีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กในสองทิศทางตั้งฉาก) ประการที่สอง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกันและตั้งฉากกัน สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นระนาบ ยกตัวอย่างเช่น พิจารณาสนามไฟฟ้าความถี่เดียว (สนาม E) ที่กำหนดโดยสมการ (1) สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในทิศทาง +z สนามไฟฟ้ามีทิศทางไปในทิศทาง +x และสนามแม่เหล็กมีทิศทางไปในทิศทาง +y
ในสมการ (1) ให้สังเกตสัญกรณ์: นี่คือเวกเตอร์หนึ่งหน่วย (เวกเตอร์ความยาว) ซึ่งระบุว่าจุดสนามไฟฟ้าอยู่ในทิศทาง x คลื่นระนาบแสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1 การแสดงภาพกราฟิกของสนามไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ในทิศทาง +z
โพลาไรเซชันคือรูปร่างของร่องรอยและการแพร่กระจาย (เส้นชั้นความสูง) ของสนามไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่น พิจารณาสมการสนามไฟฟ้าของคลื่นระนาบ (1) เราจะสังเกตตำแหน่งที่สนามไฟฟ้ามีค่า (X, Y, Z) = (0,0,0) เป็นฟังก์ชันของเวลา แอมพลิจูดของสนามไฟฟ้านี้แสดงในรูปที่ 2 ณ เวลาหลายช่วงเวลา สนามไฟฟ้ากำลังสั่นที่ความถี่ "F"
รูปที่ 2 สังเกตสนามไฟฟ้า (X, Y, Z) = (0,0,0) ในเวลาต่างๆ
สนามไฟฟ้าถูกสังเกตที่จุดกำเนิด โดยแกว่งไปมาด้วยแอมพลิจูด สนามไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ตามแนวแกน x เสมอ เนื่องจากสนามไฟฟ้าเคลื่อนที่เป็นเส้นเดียว จึงอาจกล่าวได้ว่าสนามไฟฟ้ามีโพลาไรซ์เชิงเส้น นอกจากนี้ หากแกน X ขนานกับพื้น สนามไฟฟ้าจะเรียกว่ามีโพลาไรซ์แนวนอนด้วย หากสนามไฟฟ้าวางตัวตามแนวแกน Y คลื่นจะเรียกว่ามีโพลาไรซ์แนวตั้ง
คลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นไม่จำเป็นต้องมีทิศทางตามแกนแนวนอนหรือแนวตั้ง ตัวอย่างเช่น คลื่นสนามไฟฟ้าที่มีข้อจำกัดอยู่ในแนวเส้นตรงดังแสดงในรูปที่ 3 ก็จะมีโพลาไรซ์เชิงเส้นเช่นกัน
ภาพที่ 3 แอมพลิจูดของสนามไฟฟ้าของคลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นที่มีวิถีเป็นมุม
สนามไฟฟ้าในรูปที่ 3 สามารถอธิบายได้ด้วยสมการ (2) ขณะนี้มีองค์ประกอบ x และ y ของสนามไฟฟ้า ทั้งสององค์ประกอบมีขนาดเท่ากัน
สิ่งหนึ่งที่ควรทราบเกี่ยวกับสมการ (2) คือองค์ประกอบ xy และสนามอิเล็กตรอนในขั้นที่สอง ซึ่งหมายความว่าองค์ประกอบทั้งสองมีแอมพลิจูดเท่ากันตลอดเวลา
โพลาไรเซชันแบบวงกลม
ตอนนี้ถือว่าสนามไฟฟ้าของคลื่นระนาบกำหนดโดยสมการ (3):
ในกรณีนี้ องค์ประกอบ X และ Y จะมีเฟสต่างกัน 90 องศา หากสังเกตสนามไฟฟ้าเป็น (X, Y, Z) = (0,0,0) อีกครั้งดังเดิม กราฟแสดงสนามไฟฟ้าเทียบกับเวลาจะปรากฏดังแสดงในรูปที่ 4 ด้านล่าง
รูปที่ 4 ความแรงของสนามไฟฟ้า (X, Y, Z) = (0,0,0) โดเมน EQ (3)
สนามไฟฟ้าในรูปที่ 4 หมุนเป็นวงกลม สนามไฟฟ้าชนิดนี้เรียกว่าคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลม สำหรับโพลาไรซ์แบบวงกลม ต้องเป็นไปตามเกณฑ์ต่อไปนี้:
- มาตรฐานสำหรับโพลาไรเซชันแบบวงกลม
- สนามไฟฟ้าจะต้องมีองค์ประกอบสองส่วนที่ตั้งฉากกัน
- องค์ประกอบมุมฉากของสนามไฟฟ้าจะต้องมีแอมพลิจูดเท่ากัน
- ส่วนประกอบของกำลังสองจะต้องมีเฟสต่างกัน 90 องศา
หากเคลื่อนที่บนหน้าจอ Wave Figure 4 การหมุนของสนามจะเรียกว่าทวนเข็มนาฬิกาและโพลาไรซ์แบบวงกลมขวา (RHCP) หากหมุนสนามตามเข็มนาฬิกา สนามจะเป็นโพลาไรซ์แบบวงกลมซ้าย (LHCP)
โพลาไรเซชันแบบวงรี
หากสนามไฟฟ้ามีองค์ประกอบตั้งฉากสององค์ประกอบ เฟสต่างกัน 90 องศา แต่มีขนาดเท่ากัน สนามไฟฟ้าจะมีโพลาไรซ์แบบวงรี เมื่อพิจารณาสนามไฟฟ้าของคลื่นระนาบที่เคลื่อนที่ในทิศทาง +z ซึ่งอธิบายโดยสมการ (4):
ตำแหน่งของจุดที่ปลายของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าจะวางอยู่จะแสดงอยู่ในรูปที่ 5
รูปที่ 5 สนามไฟฟ้าคลื่นโพลาไรเซชันวงรีแบบทันที (4)
สนามไฟฟ้าในรูปที่ 5 ซึ่งเคลื่อนที่ทวนเข็มนาฬิกา จะเป็นวงรีขวามือหากเคลื่อนที่ออกจากหน้าจอ หากเวกเตอร์สนามไฟฟ้าหมุนในทิศทางตรงกันข้าม สนามไฟฟ้าจะมีโพลาไรซ์แบบวงรีซ้ายมือ
นอกจากนี้ โพลาไรเซชันแบบวงรียังหมายถึงความเยื้องศูนย์กลาง อัตราส่วนของความเยื้องศูนย์กลางต่อแอมพลิจูดของแกนเอกและแกนโท ตัวอย่างเช่น ความเยื้องศูนย์กลางของคลื่นจากสมการ (4) คือ 1/0.3 = 3.33 คลื่นที่มีโพลาไรเซชันแบบวงรีสามารถอธิบายเพิ่มเติมได้ด้วยทิศทางของแกนเอก สมการคลื่น (4) มีแกนที่ประกอบด้วยแกน x เป็นหลัก โปรดทราบว่าแกนเอกสามารถอยู่ที่มุมระนาบใดก็ได้ มุมนี้ไม่จำเป็นต้องพอดีกับแกน X, Y หรือ Z สุดท้าย สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าทั้งโพลาไรเซชันแบบวงกลมและแบบเชิงเส้นเป็นกรณีพิเศษของโพลาไรเซชันแบบวงรี คลื่นโพลาไรเซชันแบบวงรีที่มีค่าเยื้องศูนย์กลาง 1.0 คือคลื่นโพลาไรเซชันแบบวงกลม คลื่นโพลาไรเซชันแบบวงรีที่มีความเยื้องศูนย์กลางไม่สิ้นสุด คลื่นโพลาไรเซชันเชิงเส้น
โพลาไรเซชันของเสาอากาศ
ตอนนี้เรารู้เกี่ยวกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นระนาบโพลาไรซ์แล้ว โพลาไรซ์ของเสาอากาศก็สามารถกำหนดได้ง่ายๆ
โพลาไรเซชันของเสาอากาศ การประเมินโพลาไรเซชันของสนามที่แผ่ออกมาของเสาอากาศจากระยะไกล ดังนั้นจึงมักระบุเสาอากาศเป็น "โพลาไรเซชันเชิงเส้น" หรือ "เสาอากาศโพลาไรเซชันแบบวงกลมขวามือ"
แนวคิดง่ายๆ นี้มีความสำคัญต่อการสื่อสารด้วยเสาอากาศ ประการแรก เสาอากาศโพลาไรซ์แนวนอนจะไม่สามารถสื่อสารกับเสาอากาศโพลาไรซ์แนวตั้งได้ เนื่องจากทฤษฎีบทส่วนกลับ เสาอากาศจึงส่งและรับข้อมูลในลักษณะเดียวกันทุกประการ ดังนั้น เสาอากาศโพลาไรซ์แนวตั้งจึงส่งและรับข้อมูลสนามโพลาไรซ์แนวตั้ง ดังนั้น หากคุณพยายามส่งสัญญาณเสาอากาศโพลาไรซ์แนวตั้ง ก็จะไม่มีการรับสัญญาณ
ในกรณีทั่วไป สำหรับเสาอากาศโพลาไรซ์เชิงเส้นสองเสาที่หมุนสัมพันธ์กันเป็นมุม ( ) การสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์นี้จะอธิบายได้ด้วยปัจจัยการสูญเสียโพลาไรซ์ (PLF):
ดังนั้น หากเสาอากาศสองเสามีโพลาไรซ์เท่ากัน มุมระหว่างสนามอิเล็กตรอนที่แผ่ออกมาจะเป็นศูนย์ และไม่มีการสูญเสียพลังงานเนื่องจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์ หากเสาอากาศต้นหนึ่งมีโพลาไรซ์ในแนวตั้ง และอีกต้นหนึ่งมีโพลาไรซ์ในแนวนอน มุมจะเป็น 90 องศา และจะไม่มีการถ่ายโอนพลังงาน
หมายเหตุ: การเคลื่อนโทรศัพท์เหนือศีรษะในมุมที่ต่างกันจะช่วยอธิบายว่าทำไมบางครั้งการรับสัญญาณจึงอาจเพิ่มขึ้นได้ เสาอากาศโทรศัพท์มือถือมักจะมีโพลาไรซ์เชิงเส้น ดังนั้นการหมุนโทรศัพท์จึงมักจะสอดคล้องกับโพลาไรซ์ของโทรศัพท์ ซึ่งจะทำให้การรับสัญญาณดีขึ้น
โพลาไรซ์แบบวงกลมเป็นคุณสมบัติที่พึงประสงค์ของเสาอากาศหลายชนิด เสาอากาศทั้งสองมีโพลาไรซ์แบบวงกลมและไม่ประสบปัญหาการสูญเสียสัญญาณเนื่องจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์ เสาอากาศที่ใช้ในระบบ GPS มีโพลาไรซ์แบบวงกลมด้านขวา
สมมติว่าเสาอากาศโพลาไรซ์เชิงเส้นรับคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลม สมมติว่าเสาอากาศโพลาไรซ์แบบวงกลมพยายามรับคลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้น ปัจจัยการสูญเสียโพลาไรซ์ที่เกิดขึ้นคือเท่าใด
โปรดจำไว้ว่าโพลาไรซ์แบบวงกลมนั้นแท้จริงแล้วคือคลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นสองคลื่นที่ตั้งฉากกัน โดยมีเฟสต่างกัน 90 องศา ดังนั้น เสาอากาศโพลาไรซ์เชิงเส้น (LP) จะรับเฉพาะองค์ประกอบเฟสของคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลม (CP) เท่านั้น ดังนั้น เสาอากาศ LP จะมีการสูญเสียความไม่แมตช์ของโพลาไรซ์เท่ากับ 0.5 (-3dB) ซึ่งเป็นจริงไม่ว่าเสาอากาศ LP จะหมุนในมุมใดก็ตาม ดังนั้น:
ปัจจัยการสูญเสียโพลาไรเซชันบางครั้งเรียกว่า ประสิทธิภาพโพลาไรเซชัน ปัจจัยความไม่ตรงกันของเสาอากาศ หรือปัจจัยการรับสัญญาณเสาอากาศ ชื่อเหล่านี้ล้วนอ้างอิงแนวคิดเดียวกัน
เวลาโพสต์: 22 ธันวาคม 2566
