โพลาไรเซชันเป็นลักษณะพื้นฐานอย่างหนึ่งของเสาอากาศ ก่อนอื่นเราต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับโพลาไรเซชันของคลื่นระนาบ จากนั้นจึงจะอภิปรายเกี่ยวกับประเภทหลักของโพลาไรเซชันของเสาอากาศ
โพลาไรเซชันเชิงเส้น
เราจะเริ่มต้นทำความเข้าใจเกี่ยวกับการโพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบนระนาบ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบระนาบ (EM) มีลักษณะหลายประการ ประการแรกคือพลังงานจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว (ไม่มีการเปลี่ยนแปลงสนามในสองทิศทางตั้งฉากกัน) ประการที่สอง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกันและตั้งฉากกัน สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นระนาบ ตัวอย่างเช่น พิจารณาสนามไฟฟ้าความถี่เดียว (สนาม E) ที่กำหนดโดยสมการ (1) สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในทิศทาง +z สนามไฟฟ้ามีทิศทางในทิศทาง +x สนามแม่เหล็กมีทิศทาง +y
ในสมการ (1) ให้สังเกตสัญกรณ์ดังนี้: นี่คือเวกเตอร์หนึ่งหน่วย (เวกเตอร์ความยาว) ซึ่งระบุว่าจุดสนามไฟฟ้าอยู่ในทิศทาง x คลื่นระนาบแสดงอยู่ในรูปที่ 1
รูปที่ 1 การแสดงภาพกราฟิกของสนามไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ในทิศทาง +z
โพลาไรเซชันคือรูปร่างของรอยและการแพร่กระจาย (เส้นชั้นความสูง) ของสนามไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น พิจารณาสมการสนามไฟฟ้าของคลื่นระนาบ (1) เราจะสังเกตตำแหน่งที่สนามไฟฟ้ามีค่า (X,Y,Z) = (0,0,0) เป็นฟังก์ชันของเวลา แอมพลิจูดของสนามไฟฟ้านี้แสดงไว้ในรูปที่ 2 ในหลาย ๆ ช่วงเวลา สนามไฟฟ้ากำลังสั่นที่ความถี่ "F"
รูปที่ 2 สังเกตสนามไฟฟ้า (X, Y, Z) = (0,0,0) ในเวลาต่าง ๆ
สนามไฟฟ้าจะถูกสังเกตที่จุดกำเนิด โดยแกว่งไปมาในแอมพลิจูด สนามไฟฟ้าจะเคลื่อนไปตามแกน x ที่ระบุเสมอ เนื่องจากสนามไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปตามเส้นเดียว จึงกล่าวได้ว่าสนามไฟฟ้านี้มีโพลาไรซ์เชิงเส้น นอกจากนี้ หากแกน X ขนานกับพื้น สนามไฟฟ้านี้จะเรียกอีกอย่างว่าโพลาไรซ์แนวนอน หากสนามวางแนวตามแกน Y คลื่นจะเรียกอีกอย่างว่าโพลาไรซ์แนวตั้ง
คลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นไม่จำเป็นต้องมีทิศทางตามแกนแนวนอนหรือแนวตั้ง ตัวอย่างเช่น คลื่นสนามไฟฟ้าที่มีข้อจำกัดอยู่ตามแนวเส้นตรงดังที่แสดงในรูปที่ 3 ก็จะโพลาไรซ์เชิงเส้นเช่นกัน
ภาพที่ 3 แอมพลิจูดของสนามไฟฟ้าของคลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นที่มีวิถีเป็นมุม
สนามไฟฟ้าในรูปที่ 3 สามารถอธิบายได้ด้วยสมการ (2) ขณะนี้มีองค์ประกอบ x และ y ของสนามไฟฟ้า องค์ประกอบทั้งสองมีขนาดเท่ากัน
สิ่งหนึ่งที่ควรทราบเกี่ยวกับสมการ (2) คือองค์ประกอบ xy และสนามอิเล็กทรอนิกส์ในขั้นที่สอง ซึ่งหมายความว่าองค์ประกอบทั้งสองจะมีแอมพลิจูดเท่ากันตลอดเวลา
โพลาไรเซชันแบบวงกลม
ตอนนี้สมมติว่าสนามไฟฟ้าของคลื่นระนาบกำหนดโดยสมการ (3):
ในกรณีนี้ องค์ประกอบ X และ Y จะต่างเฟสกัน 90 องศา หากสังเกตสนามไฟฟ้าเป็น (X, Y, Z) = (0,0,0) เหมือนเดิม กราฟของสนามไฟฟ้าเทียบกับเวลาจะปรากฏดังที่แสดงด้านล่างในรูปที่ 4
รูปที่ 4 ความแรงของสนามไฟฟ้า (X, Y, Z) = (0,0,0) โดเมน EQ (3)
สนามไฟฟ้าในรูปที่ 4 หมุนเป็นวงกลม สนามไฟฟ้าประเภทนี้เรียกว่าคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลม สำหรับโพลาไรซ์แบบวงกลม จะต้องเป็นไปตามเกณฑ์ต่อไปนี้:
- มาตรฐานการโพลาไรซ์แบบวงกลม
- สนามไฟฟ้าจะต้องมีองค์ประกอบสองส่วนที่ตั้งฉากกัน
- องค์ประกอบมุมฉากของสนามไฟฟ้าจะต้องมีแอมพลิจูดเท่ากัน
- ส่วนประกอบกำลังสองจะต้องมีเฟสต่างกัน 90 องศา
หากเคลื่อนที่บนหน้าจอ Wave Figure 4 การหมุนของสนามจะเรียกว่าทวนเข็มนาฬิกาและโพลาไรซ์แบบวงกลมขวา (RHCP) หากหมุนสนามตามเข็มนาฬิกา สนามจะเรียกว่าโพลาไรซ์แบบวงกลมซ้าย (LHCP)
โพลาไรเซชันทรงรี
หากสนามไฟฟ้ามีองค์ประกอบตั้งฉากกัน 2 ชิ้น เฟสต่างกัน 90 องศา แต่มีขนาดเท่ากัน สนามไฟฟ้าจะมีโพลาไรซ์แบบวงรี เมื่อพิจารณาสนามไฟฟ้าของคลื่นระนาบที่เคลื่อนที่ในทิศทาง +z ซึ่งอธิบายโดยสมการ (4):
ตำแหน่งของจุดที่ปลายของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าจะสันนิษฐานนั้นแสดงอยู่ในรูปที่ 5
รูปที่ 5. การกระตุ้นสนามไฟฟ้าคลื่นโพลาไรเซชันวงรี (4)
สนามไฟฟ้าในรูปที่ 5 ซึ่งเคลื่อนที่ในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา จะเป็นวงรีขวามือหากเคลื่อนที่ออกจากหน้าจอ หากเวกเตอร์สนามไฟฟ้าหมุนในทิศทางตรงข้าม สนามไฟฟ้าจะมีโพลาไรซ์แบบวงรีซ้ายมือ
นอกจากนี้ โพลาไรเซชันแบบวงรียังหมายถึงความเยื้องศูนย์กลางของมัน อัตราส่วนของความเยื้องศูนย์กลางต่อแอมพลิจูดของแกนหลักและแกนรอง ตัวอย่างเช่น ความเยื้องศูนย์กลางของคลื่นจากสมการ (4) คือ 1/0.3 = 3.33 คลื่นที่มีโพลาไรเซชันแบบวงรีจะอธิบายเพิ่มเติมด้วยทิศทางของแกนหลัก สมการคลื่น (4) มีแกนที่ประกอบด้วยแกน x เป็นหลัก โปรดทราบว่าแกนหลักสามารถอยู่ที่มุมระนาบใดก็ได้ มุมนี้ไม่จำเป็นต้องพอดีกับแกน X, Y หรือ Z สุดท้าย สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าโพลาไรเซชันแบบวงกลมและเชิงเส้นเป็นกรณีพิเศษของโพลาไรเซชันแบบวงรี คลื่นโพลาไรเซชันแบบวงรีที่มีความเยื้องศูนย์กลาง 1.0 คือคลื่นที่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลม คลื่นที่มีโพลาไรเซชันแบบวงรีที่มีความเยื้องศูนย์กลางไม่สิ้นสุด คลื่นที่มีโพลาไรเซชันเชิงเส้น
โพลาไรเซชั่นของเสาอากาศ
ตอนนี้เรารู้เกี่ยวกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นระนาบที่มีโพลาไรซ์แล้ว โพลาไรซ์ของเสาอากาศก็ถูกกำหนดอย่างง่ายๆ แล้ว
โพลาไรเซชันของเสาอากาศ การประเมินเสาอากาศจากระยะไกล โพลาไรเซชันของสนามที่แผ่ออกมา ดังนั้น เสาอากาศจึงมักถูกระบุว่าเป็น "เสาอากาศโพลาไรซ์เชิงเส้น" หรือ "เสาอากาศโพลาไรซ์วงกลมขวา"
แนวคิดง่ายๆ นี้มีความสำคัญสำหรับการสื่อสารด้วยเสาอากาศ ประการแรก เสาอากาศโพลาไรซ์แนวนอนจะไม่สามารถสื่อสารกับเสาอากาศโพลาไรซ์แนวตั้งได้ เนื่องจากทฤษฎีบทความเท่าเทียมกัน เสาอากาศจึงส่งและรับข้อมูลในลักษณะเดียวกันทุกประการ ดังนั้น เสาอากาศโพลาไรซ์แนวตั้งจึงส่งและรับข้อมูลสนามโพลาไรซ์แนวตั้ง ดังนั้น หากคุณพยายามส่งสัญญาณเสาอากาศโพลาไรซ์แนวตั้ง ก็จะไม่สามารถรับสัญญาณได้
ในกรณีทั่วไป สำหรับเสาอากาศโพลาไรซ์เชิงเส้นสองเสาที่หมุนสัมพันธ์กันเป็นมุม ( ) การสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์นี้จะอธิบายได้ด้วยปัจจัยการสูญเสียโพลาไรซ์ (PLF):
ดังนั้น หากเสาอากาศสองต้นมีโพลาไรซ์เท่ากัน มุมระหว่างสนามอิเล็กตรอนที่แผ่ออกมาจะเป็นศูนย์ และไม่มีการสูญเสียพลังงานเนื่องจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์ หากเสาอากาศต้นหนึ่งมีโพลาไรซ์ในแนวตั้งและอีกต้นหนึ่งมีโพลาไรซ์ในแนวนอน มุมจะเป็น 90 องศา และจะไม่มีการถ่ายโอนพลังงาน
หมายเหตุ: การเคลื่อนโทรศัพท์เหนือศีรษะในมุมที่แตกต่างกันนั้นอธิบายได้ว่าทำไมบางครั้งการรับสัญญาณจึงเพิ่มขึ้น เสาอากาศโทรศัพท์มือถือมักมีโพลาไรซ์เชิงเส้น ดังนั้นการหมุนโทรศัพท์จึงมักจะสอดคล้องกับโพลาไรซ์ของโทรศัพท์ จึงทำให้รับสัญญาณได้ดีขึ้น
โพลาไรซ์แบบวงกลมเป็นคุณลักษณะที่พึงประสงค์ของเสาอากาศหลายรุ่น เสาอากาศทั้งสองรุ่นมีโพลาไรซ์แบบวงกลมและไม่ประสบปัญหาการสูญเสียสัญญาณเนื่องจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์ เสาอากาศที่ใช้ในระบบ GPS มีโพลาไรซ์แบบวงกลมด้านขวา
ตอนนี้ให้ถือว่าเสาอากาศโพลาไรซ์เชิงเส้นรับคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลม ในทางตรงข้าม ให้ถือว่าเสาอากาศโพลาไรซ์แบบวงกลมพยายามรับคลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้น ปัจจัยการสูญเสียโพลาไรซ์ที่เกิดขึ้นคือเท่าใด
จำไว้ว่าโพลาไรซ์แบบวงกลมนั้นจริง ๆ แล้วคือคลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้นตั้งฉากสองคลื่นซึ่งมีเฟสต่างกัน 90 องศา ดังนั้นเสาอากาศโพลาไรซ์เชิงเส้น (LP) จะรับเฉพาะองค์ประกอบเฟสของคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลม (CP) เท่านั้น ดังนั้นเสาอากาศ LP จะมีการสูญเสียความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์ 0.5 (-3dB) ซึ่งเป็นจริงไม่ว่าเสาอากาศ LP จะหมุนในมุมใดก็ตาม ดังนั้น:
ปัจจัยการสูญเสียโพลาไรเซชันบางครั้งเรียกว่า ประสิทธิภาพโพลาไรเซชัน ปัจจัยความไม่ตรงกันของเสาอากาศ หรือปัจจัยการรับสัญญาณเสาอากาศ ชื่อทั้งหมดเหล่านี้หมายถึงแนวคิดเดียวกัน
เวลาโพสต์: 22-12-2023
