การโพลาไรเซชันเป็นหนึ่งในคุณสมบัติพื้นฐานของเสาอากาศ ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจการโพลาไรเซชันของคลื่นระนาบเสียก่อน จากนั้นเราจึงจะสามารถกล่าวถึงประเภทหลัก ๆ ของการโพลาไรเซชันของเสาอากาศได้
โพลาไรเซชันเชิงเส้น
เราจะเริ่มทำความเข้าใจเกี่ยวกับการโพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบระนาบ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบระนาบ (EM) มีลักษณะหลายประการ ประการแรกคือพลังงานเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว (ไม่มีการเปลี่ยนแปลงของสนามในสองทิศทางที่ตั้งฉากกัน) ประการที่สอง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นระนาบ ตัวอย่างเช่น พิจารณาสนามไฟฟ้าความถี่เดียว (สนาม E) ที่กำหนดโดยสมการ (1) สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในทิศทาง +z สนามไฟฟ้ามีทิศทางไปในทิศทาง +x และสนามแม่เหล็กมีทิศทางไปในทิศทาง +y
ในสมการ (1) สังเกตสัญลักษณ์: นี่คือเวกเตอร์หน่วย (เวกเตอร์ที่มีความยาว) ซึ่งระบุว่าจุดสนามไฟฟ้าอยู่ในทิศทาง x คลื่นระนาบแสดงไว้ในรูปที่ 1
รูปที่ 1. ภาพแสดงสนามไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ไปในทิศทาง +z
การโพลาไรเซชันคือร่องรอยและรูปร่างการแพร่กระจาย (เส้นโค้ง) ของสนามไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น พิจารณาสมการสนามไฟฟ้าคลื่นระนาบ (1) เราจะสังเกตตำแหน่งที่สนามไฟฟ้าคือ (X,Y,Z) = (0,0,0) เป็นฟังก์ชันของเวลา แอมพลิจูดของสนามนี้แสดงในรูปที่ 2 ณ เวลาต่างๆ สนามมีการสั่นด้วยความถี่ "F"
รูปที่ 2 สังเกตสนามไฟฟ้า (X, Y, Z) = (0,0,0) ที่เวลาต่าง ๆ
สนามไฟฟ้าที่จุดกำเนิดมีการแกว่งไปมาในแอมพลิจูด สนามไฟฟ้าจะอยู่ตามแนวแกน x ที่ระบุเสมอ เนื่องจากสนามไฟฟ้าคงอยู่ตามแนวเส้นตรงเดียว จึงกล่าวได้ว่าสนามนี้เป็นสนามไฟฟ้าแบบโพลาไรซ์เชิงเส้น นอกจากนี้ หากแกน x ขนานกับพื้น สนามนี้จะถูกเรียกว่าสนามไฟฟ้าแบบโพลาไรซ์แนวนอน หากสนามอยู่ในแนวแกน y สนามนี้จะถูกเรียกว่าสนามไฟฟ้าแบบโพลาไรซ์แนวตั้ง
คลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นไม่จำเป็นต้องมีทิศทางตามแนวแกนแนวนอนหรือแนวตั้ง ตัวอย่างเช่น คลื่นสนามไฟฟ้าที่มีข้อจำกัดวางตัวตามแนวเส้นตรงดังแสดงในรูปที่ 3 ก็จะเป็นคลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นเช่นกัน
ภาพที่ 3. แอมพลิจูดของสนามไฟฟ้าของคลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นที่มีวิถีการเคลื่อนที่ทำมุม
สนามไฟฟ้าในรูปที่ 3 สามารถอธิบายได้ด้วยสมการ (2) ตอนนี้สนามไฟฟ้ามีส่วนประกอบ x และ y โดยทั้งสองส่วนประกอบมีขนาดเท่ากัน
สิ่งหนึ่งที่ควรสังเกตเกี่ยวกับสมการ (2) คือส่วนประกอบ xy และสนามอิเล็กทรอนิกส์ในขั้นตอนที่สอง ซึ่งหมายความว่าส่วนประกอบทั้งสองมีแอมพลิจูดเท่ากันตลอดเวลา
โพลาไรเซชันแบบวงกลม
ตอนนี้ให้ถือว่าสนามไฟฟ้าของคลื่นระนาบกำหนดโดยสมการ (3):
ในกรณีนี้ องค์ประกอบ X และ Y มีเฟสต่างกัน 90 องศา หากสังเกตสนามเป็น (X, Y, Z) = (0,0,0) อีกครั้งเช่นเดียวกับก่อนหน้านี้ กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้ากับเวลาจะปรากฏดังแสดงในรูปที่ 4 ด้านล่าง
รูปที่ 4. ความแรงของสนามไฟฟ้า (X, Y, Z) = (0,0,0) โดเมน EQ (3)
สนามไฟฟ้าในรูปที่ 4 หมุนเป็นวงกลม สนามประเภทนี้เรียกว่าคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลม สำหรับการโพลาไรซ์แบบวงกลม ต้องเป็นไปตามเกณฑ์ต่อไปนี้:
- มาตรฐานสำหรับโพลาไรเซชันแบบวงกลม
- สนามไฟฟ้าจะต้องมีส่วนประกอบตั้งฉาก (ตั้งฉาก) สองส่วน
- ส่วนประกอบตั้งฉากของสนามไฟฟ้าจะต้องมีขนาดเท่ากัน
- ส่วนประกอบควอดราเจอร์ต้องมีเฟสต่างกัน 90 องศา
หากเคลื่อนที่บนหน้าจอรูปคลื่นที่ 4 การหมุนของสนามจะเรียกว่าทวนเข็มนาฬิกาและมีการโพลาไรซ์แบบวงกลมขวา (RHCP) หากสนามหมุนในทิศทางตามเข็มนาฬิกา สนามจะมีการโพลาไรซ์แบบวงกลมซ้าย (LHCP)
การโพลาไรซ์แบบวงรี
ถ้าสนามไฟฟ้ามีส่วนประกอบตั้งฉากสองส่วน เฟสต่างกัน 90 องศา แต่มีขนาดเท่ากัน สนามจะมีลักษณะเป็นโพลาไรซ์แบบวงรี พิจารณาสนามไฟฟ้าของคลื่นระนาบที่เคลื่อนที่ไปในทิศทาง +z ซึ่งอธิบายโดยสมการ (4):
ตำแหน่งของจุดที่ปลายเวกเตอร์สนามไฟฟ้าจะอยู่ แสดงไว้ในรูปที่ 5
รูปที่ 5. สนามไฟฟ้าของคลื่นโพลาไรเซชันรูปวงรีแบบฉับพลัน (4)
สนามในรูปที่ 5 ซึ่งเคลื่อนที่ในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา จะเป็นสนามไฟฟ้าแบบวงรีมือขวาหากเคลื่อนที่ออกนอกหน้าจอ แต่ถ้าเวกเตอร์สนามไฟฟ้าหมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม สนามนั้นจะเป็นสนามไฟฟ้าแบบวงรีมือซ้าย
นอกจากนี้ การโพลาไรซ์แบบวงรีหมายถึงความเยื้องศูนย์ อัตราส่วนของความเยื้องศูนย์ต่อแอมพลิจูดของแกนหลักและแกนรอง ตัวอย่างเช่น ความเยื้องศูนย์ของคลื่นจากสมการ (4) คือ 1/0.3 = 3.33 คลื่นโพลาไรซ์แบบวงรีจะถูกอธิบายเพิ่มเติมด้วยทิศทางของแกนหลัก สมการคลื่น (4) มีแกนหลักประกอบด้วยแกน x เป็นหลัก โปรดทราบว่าแกนหลักสามารถทำมุมระนาบใดก็ได้ มุมไม่จำเป็นต้องตรงกับแกน X, Y หรือ Z สุดท้ายนี้ สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าทั้งการโพลาไรซ์แบบวงกลมและการโพลาไรซ์แบบเส้นตรงเป็นกรณีพิเศษของการโพลาไรซ์แบบวงรี คลื่นโพลาไรซ์แบบวงรีที่มีความเยื้องศูนย์อนันต์คือคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลม คลื่นโพลาไรซ์แบบวงรีที่มีความเยื้องศูนย์อนันต์คือคลื่นโพลาไรซ์แบบเส้นตรง
การโพลาไรซ์ของเสาอากาศ
เมื่อเราเข้าใจเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลื่นระนาบที่มีการโพลาไรซ์แล้ว การโพลาไรซ์ของเสาอากาศจึงสามารถนิยามได้อย่างง่ายดาย
การโพลาไรซ์ของเสาอากาศ การประเมินสนามไกลของเสาอากาศ คือการโพลาไรซ์ของสนามที่แผ่กระจายออกมา ดังนั้น เสาอากาศจึงมักถูกระบุว่าเป็น "เสาอากาศโพลาไรซ์เชิงเส้น" หรือ "เสาอากาศโพลาไรซ์แบบวงกลมขวา"
แนวคิดง่ายๆ นี้มีความสำคัญต่อการสื่อสารด้วยเสาอากาศ ประการแรก เสาอากาศที่มีการโพลาไรซ์ในแนวนอนจะไม่สามารถสื่อสารกับเสาอากาศที่มีการโพลาไรซ์ในแนวตั้งได้ เนื่องจากทฤษฎีบทการผกผัน เสาอากาศจะส่งและรับสัญญาณในลักษณะเดียวกัน ดังนั้น เสาอากาศที่มีการโพลาไรซ์ในแนวตั้งจะส่งและรับสนามที่มีการโพลาไรซ์ในแนวตั้ง ดังนั้น หากคุณพยายามส่งสัญญาณจากเสาอากาศที่มีการโพลาไรซ์ในแนวตั้งไปยังเสาอากาศที่มีการโพลาไรซ์ในแนวนอน จะไม่มีการรับสัญญาณเกิดขึ้น
โดยทั่วไปแล้ว สำหรับเสาอากาศแบบโพลาไรซ์เชิงเส้นสองตัวที่หมุนสัมพันธ์กันด้วยมุม ( ) การสูญเสียพลังงานเนื่องจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์นี้จะถูกอธิบายด้วยปัจจัยการสูญเสียโพลาไรซ์ (PLF):
ดังนั้น หากเสาอากาศสองต้นมีโพลาไรเซชันเดียวกัน มุมระหว่างสนามอิเล็กตรอนที่แผ่รังสีของทั้งสองต้นจะเป็นศูนย์ และจะไม่มีการสูญเสียพลังงานเนื่องจากโพลาไรเซชันไม่ตรงกัน หากเสาอากาศต้นหนึ่งมีโพลาไรเซชันในแนวตั้งและอีกต้นหนึ่งมีโพลาไรเซชันในแนวนอน มุมจะเป็น 90 องศา และจะไม่มีการถ่ายโอนพลังงาน
หมายเหตุ: การขยับโทรศัพท์เหนือศีรษะไปในมุมต่างๆ อธิบายได้ว่าทำไมบางครั้งการรับสัญญาณจึงดีขึ้น เสาอากาศโทรศัพท์มือถือมักมีการโพลาไรซ์เชิงเส้น ดังนั้นการหมุนโทรศัพท์มักจะช่วยให้การโพลาไรซ์ตรงกับเสาอากาศของโทรศัพท์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการรับสัญญาณได้
การโพลาไรซ์แบบวงกลมเป็นคุณลักษณะที่พึงประสงค์ของเสาอากาศหลายชนิด เสาอากาศทั้งสองเป็นแบบโพลาไรซ์วงกลมและจะไม่สูญเสียสัญญาณเนื่องจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์ เสาอากาศที่ใช้ในระบบ GPS เป็นแบบโพลาไรซ์วงกลมขวา
สมมติว่าเสาอากาศแบบโพลาไรซ์เชิงเส้นรับคลื่นแบบโพลาไรซ์วงกลม หรือสมมติอีกนัยหนึ่งว่าเสาอากาศแบบโพลาไรซ์วงกลมพยายามรับคลื่นแบบโพลาไรซ์เชิงเส้น ค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียโพลาไรซ์ที่เกิดขึ้นจะเป็นเท่าใด
โปรดจำไว้ว่าการโพลาไรซ์แบบวงกลมนั้นแท้จริงแล้วคือคลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นสองคลื่นที่ตั้งฉากกัน โดยมีเฟสต่างกัน 90 องศา ดังนั้น เสาอากาศโพลาไรซ์เชิงเส้น (LP) จะรับเฉพาะส่วนประกอบเฟสของคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลม (CP) เท่านั้น ด้วยเหตุนี้ เสาอากาศ LP จะมีการสูญเสียเนื่องจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์เท่ากับ 0.5 (-3dB) ซึ่งเป็นความจริงไม่ว่าเสาอากาศ LP จะหมุนไปในมุมใดก็ตาม ดังนั้น:
ค่าตัวประกอบการสูญเสียโพลาไรเซชันบางครั้งเรียกว่าประสิทธิภาพโพลาไรเซชัน ค่าตัวประกอบความไม่ตรงกันของเสาอากาศ หรือค่าตัวประกอบการรับสัญญาณของเสาอากาศ ชื่อเรียกเหล่านี้ทั้งหมดหมายถึงแนวคิดเดียวกัน
วันที่โพสต์: 22 ธันวาคม 2023
