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Antennenpolarisierung: Was sie ist und warum sie wichtig ist

Von: Bill Schweber 2022-07-28

Stichworte

Elektronikingenieure wissen, dass Antennen Signale in Form von elektromagnetischen (EM) Energiewellen ausstrahlen und empfangen, die durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben werden. Wie bei vielen Themen können diese Gleichungen - zusammen mit der EM-Ausbreitung und den Eigenschaften - auf verschiedenen Ebenen untersucht werden, von relativ qualitativen Begriffen bis hin zu komplizierten Gleichungen.

Die Polarisation ist einer der vielen Aspekte der EM-Energieausbreitung, die sich in unterschiedlichem Maße auf eine Anwendung und ihr Antennendesign auswirken können. Ihre Grundprinzipien gelten für alle EM-Strahlung, einschließlich HF- und optischer Energie, und sie wird häufig in optischen Anwendungen eingesetzt. Hier geht es nur um HF.

Was ist Antennenpolarisation?

Das Verständnis der Polarisation beginnt mit den Grundlagen der EM-Wellen. Diese Wellen bestehen aus einem elektrischen Feld (E-Feld) und einem magnetischen Feld (H-Feld), die sich in einer einzigen Richtung ausbreiten. Das E-Feld und das H-Feld stehen senkrecht zueinander und auch zu der Richtung, in der sich die ebene Welle ausbreitet.

Die Polarisation bezieht sich auf die Ebene des E-Feldes aus der Perspektive des Senders des Signals: Bei horizontaler Polarisation bewegt sich das elektrische Feld seitwärts in einer horizontalen Ebene, während bei vertikaler Polarisation das elektrische Feld in einer vertikalen Ebene auf und ab schwingt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine elektromagnetische Energiewelle besteht aus E-Feld- und Horizontalfeld-Komponenten, die rechtwinklig zueinander stehen. (Bildquelle: Electronics-Notes)

Ein Sende- und Empfangsantennenpaar funktioniert am besten, wenn die Polarisation der Sende- und Empfangsantennen in der gleichen Ebene liegt. So wie dich „im Weltraum niemand schreien hören kann“ (Entschuldigung für die Anspielung auf den Filmklassiker Alien von 1979), ist es auch wahr, dass es im Raum keine Horizontale oder Vertikale gibt. Nichtsdestotrotz ist das Konzept der Polarisation und der Antennenausrichtung für eine maximale Übertragung und Erfassung der Signalenergie nach wie vor gültig.

Lineare und zirkulare Polarisation

Es gibt mehrere Polarisationsarten:

• Bei der linearen Polarisation sind die beiden möglichen Polarisationen orthogonal (im rechten Winkel) zueinander ausgerichtet (Abbildung 2). Theoretisch würde eine Empfangsantenne mit horizontaler Polarisation ein Signal von einer Antenne mit vertikaler Polarisation nicht „sehen“ und umgekehrt, selbst wenn beide auf der gleichen Frequenz arbeiten. Je besser die Übereinstimmung, desto besser werden die Signale erfasst, wobei die maximale Energieübertragung stattfindet, wenn die Polarisationen komplett übereinstimmen.

Abbildung 2: Die lineare Polarisation bietet die Wahl zwischen zwei rechtwinklig zueinander stehenden Polarisationen. (Bildquelle: Mimosa Networks, Inc.)

• Die schräge Polarisation einer Antenne ist eine Variante der linearen Polarisation. Wie die grundlegende horizontale und vertikale Polarisation hat sie nur im terrestrischen Kontext Bedeutung. Die Schrägpolarisation erfolgt in einem Winkel von ±45 Grad zu einer horizontalen Bezugsebene. Obwohl es sich im Prinzip nur um eine andere Form der linearen Polarisation handelt, bezieht sich der Begriff linear im Allgemeinen nur auf Antennen, die horizontal oder vertikal polarisiert sind.

Ein von einer Schrägantenne gesendetes (oder empfangenes) Signal kann mit einer nur horizontal oder vertikal polarisierten Antenne verwendet werden, allerdings mit einem gewissen Verlust. Eine schräg polarisierte Antenne ist nützlich, wenn die Polarisation einer oder beider Antennen unbekannt ist oder sich während des Betriebs ändert.

• Die zirkulare Polarisation (CP) ist komplizierter als die lineare Polarisation. In diesem Modus dreht sich die Polarisation, die durch den E-Feldvektor dargestellt wird, während sich das Signal ausbreitet. Dreht sie sich vom Sender aus gesehen nach rechts, spricht man von rechtsseitiger zirkularer Polarisation (RHCP), dreht sie sich nach links, spricht man von linksseitiger zirkularer Polarisation (LHCP) (Abbildung 3).

Abbildung 3: Bei zirkularer Polarisation dreht sich der E-Feldvektor der EM-Welle; diese Drehung kann entweder rechts- oder linkshändig sein. (Bildquelle: JEM Engineering)

Ein CP-Signal besteht aus zwei orthogonalen Wellen, die phasenverschoben sind. Dazu sind drei Bedingungen erforderlich. Das E-Feld muss zwei orthogonale Komponenten haben; sie müssen um 90 Grad phasenverschoben sein und die gleiche Größe haben. Eine einfache Möglichkeit, CP zu erzeugen, ist die Verwendung einer Wendelantenne.

• Die elliptische Polarisation (EP) ist eine Variante der CP. Elliptisch polarisierte Wellen werden wie CP-Wellen aus zwei linear polarisierten Wellen erzeugt. Wenn zwei zueinander senkrechte, linear polarisierte Wellen mit ungleicher Amplitude kombiniert werden, entsteht eine elliptisch polarisierte Welle.

Die Polarisationsfehlanpassung zwischen Antennen wird durch den Polarisationsverlustfaktor (PLF) charakterisiert. Der Parameter wird in Dezibel (dB) ausgedrückt und ist eine Funktion des Winkelunterschieds in der Polarisation zwischen der Sende- und der Empfangsantenne. Theoretisch kann der PLF von 0 dB (kein Verlust) für perfekt ausgerichtete Antennen bis unendlich dB (unendlicher Verlust) für perfekt orthogonale Antennen reichen.

In der Praxis ist die Ausrichtung (oder Fehlausrichtung) der Polarisation jedoch nicht perfekt, da die mechanische Position der Antennen, Benutzeraktionen, Kanalverzerrungen, Mehrwegreflexionen und andere Phänomene eine gewisse Winkelverdrehung des übertragenen EM-Feldes verursachen. Anfänglich können orthogonale Polarisationen einen Signal-Kreuzpolarisations-"Leckverlust" von 10 bis 30 dB oder mehr aufweisen, was in einigen Fällen ausreichen kann, um die gewünschte Signalrückgewinnung zu stören.

Umgekehrt können zwei Antennen mit idealer Polarisation und Ausrichtung einen tatsächlichen PLF von 10, 20 oder mehr dB haben, je nach den Besonderheiten der Situation, was die Signalwiederherstellung behindern kann. Mit anderen Worten, unbeabsichtigte Kreuzpolarisation und PLF wirken in beide Richtungen, indem sie das gewünschte Signal stören oder die Stärke des gewünschten Signals verringern.

Warum sollte man die Polarisierung berücksichtigen?

Die Polarisierung funktioniert auf zweierlei Weise: Je enger zwei Antennen aufeinander ausgerichtet sind und die gleiche Polarisation aufweisen, desto besser ist die Empfangsstärke. Umgekehrt kann eine schlecht ausgerichtete Polarisation es einem beabsichtigten oder unerwünschten Empfänger erschweren, genügend Nutzsignale zu erfassen. In vielen Fällen verzerrt der „Kanal“ die übertragene Polarisation, oder eine oder beide Antennen befinden sich nicht in festen, statischen Ausrichtungen.

Die Wahl der zu verwendenden Polarisation wird in der Regel durch die Installation oder die atmosphärischen Bedingungen bestimmt. Eine horizontal polarisierte Antenne hat beispielsweise eine bessere Leistung und behält ihre Polarisation bei, wenn sie in der Nähe einer Decke montiert ist; im Gegensatz dazu zeigt eine vertikal polarisierte Antenne eine Polarisationsleistung, die näher am Nennwert liegt, wenn sie in der Nähe einer Seitenwand montiert ist.

Die weit verbreitete Dipolantenne (regulär oder gefaltet) ist in ihrer „normalen“ Montageausrichtung horizontal polarisiert (Abbildung 4) und wird oft um 90 Grad gedreht, um bei Bedarf eine vertikale Polarisation darzustellen oder um eine bevorzugte Polarisationsart zu unterstützen (Abbildung 5).

Abbildung 4: Eine Dipolantenne wird in der Regel horizontal an ihrem Mast montiert, um eine horizontale Polarisation zu ermöglichen. (Bildquelle: KAC Radio)

Abbildung 5: Für Anwendungen, bei denen eine vertikale Polarisation erforderlich ist, kann die Dipolantenne entsprechend am Mast montiert werden. (Bildquelle: Progressive Concepts)

Vertikale Polarisation wird häufig für mobile Handfunkgeräte verwendet, wie sie z. B. von Ersthelfern eingesetzt werden, da viele vertikal polarisierte Funkantennen auch eine Rundstrahlcharakteristik aufweisen. Daher müssen diese Antennen nicht neu ausgerichtet werden, selbst wenn sich die Ausrichtung des Funkgeräts und der Antenne ändert.

Antennen für den Hochfrequenzbereich (HF) von 3 bis 30 Megahertz (MHz) sind oft als einfache lange Drähte konstruiert, die horizontal zwischen Stützen gespannt sind. Diese große Länge wird durch die Wellenlänge (10 bis 100 Meter) bestimmt. Diese Antennen sind natürlich horizontal polarisiert.

Interessanterweise wurde die Bezeichnung „Hochfrequenz“ für dieses Band schon vor vielen Jahrzehnten eingeführt, als 30 MHz tatsächlich eine Hochfrequenz war. Auch wenn diese Bezeichnung heute veraltet erscheinen mag, ist sie eine offizielle Bezeichnung der Internationalen Fernmeldeunion, die immer noch weit verbreitet ist.

Die bevorzugte Polarisation kann auch dadurch bestimmt werden, ob der Sender im Mittelwellenband (MW) von 300 Kilohertz (kHz) bis 3 MHz bodennahe Wellen für eine stärkere Signalausbreitung im Nahbereich oder weltraumnahe Wellen über die Ionosphäre für Langstreckenverbindungen verwendet. Im Allgemeinen ist die Ausbreitung bodennaher Wellen mit einer vertikal polarisierten Antenne besser, während die Performance weltraumnaher Wellen mit horizontaler Polarisation besser ist.

Die zirkulare Polarisation ist bei Satelliten weit verbreitet, da sich ihre Ausrichtung in Bezug auf die Bodenstation und andere Satelliten ständig ändert. Der maximale Wirkungsgrad zwischen Sende- und Empfangsantenne wird erreicht, wenn beide Antennen zirkular polarisiert sind, aber eine linear polarisierte Antenne kann in Verbindung mit einer CP-Antenne mit einem gewissen Polarisationsverlustfaktor verwendet werden.

Die Polarisation ist auch für 5G-Systeme wichtig. Einige 5G-Antennengruppen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) steigern den Durchsatz durch eine effizientere Nutzung des verfügbaren Spektrums über die Polarisation. Dies geschieht durch eine Kombination aus unterschiedlicher Signalpolarisation und räumlichem Multiplexing (räumliche Diversität) der Antennen.

Das System kann zwei Datenströme übertragen, da sie an separate Antennen mit orthogonaler Polarisation angeschlossen sind, die unabhängig voneinander wiederhergestellt werden können. Selbst wenn es aufgrund von Pfad- und Kanalverzerrungen, Reflexionen, Mehrwegeffekten und anderen Unzulänglichkeiten zu einer gewissen Kreuzpolarisierung kommt, können ausgefeilte Algorithmen am Empfänger jedes Originalsignal wiederherstellen, um eine niedrige Bitfehlerrate (BER) zu erzielen und so die Frequenznutzung zu verbessern.

Standard-Antennen bieten Polarisationsoptionen

Es ist leicht anzunehmen, dass die Polarisation nur bei großen, auf Masten montierten, gut sichtbaren Antennen ein Problem darstellt, aber das ist nicht der Fall. Die BOAH515905NM von PCTel zum Beispiel ist eine horizontal polarisierte Wi-Fi-Antenne für den Einsatz von 5,1 GHz bis 5,9 GHz, die in erster Linie für 802.11ac-Zugangspunkte im Freien gedacht ist (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die horizontal polarisierte Wi-Fi-Antenne BOAH515905NM von PCTel wurde als Zugangspunkt im Freien für Wi-Fi-Verbindungen zwischen 5,1 und 5,9 GHz (802.11 ac) entwickelt. (Bildquelle: PCTel)

Die vollständig abgedichtete, IP67-zertifizierte Antenne ist in einem weißen, UV-stabilen, robusten Kunststoffradom untergebracht, das einen integrierten N-Typ-Anschluss für die Schalttafelmontage enthält (Stecker- und Buchsenversionen sind erhältlich). Sie misst 3,20 cm AD × 16,1 cm Länge (1,26 Zoll × 6,32 Zoll), bietet eine nominale Verstärkung von 5 dBi und hat ein Stehwellenverhältnis (VSWR) von unter 2:1 im gesamten vorgesehenen Band.

Die Polarisation kann auch in viel kleineren Antennen realisiert werden. Die PC140.07.0100A von Taoglas ist eine zirkular polarisierte 2,45GHz-Antenne (nominal) für industrielle, wissenschaftliche und medizinische (ISM), Bluetooth- und Wi-Fi-Anwendungen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die winzige Antenne PC140.07.0100A von Taoglas ist so konzipiert, dass sie in ein Gehäuse neben der Leiterplatte des Systems eingebaut werden kann. (Bildquelle: Taoglas)

Diese winzige 50Ω-Antenne, die nur 57 × 57 Millimeter (mm) groß und 0,97 mm dick ist, wird mit einem Koaxialkabel mit einem Durchmesser von 1,13 mm und einer Länge von 100 mm geliefert, das mit einem IPEX-Stecker (einem Standard-50Ω-Stecker für die Oberflächenmontage, der direkt auf die Leiterplatte gelötet wird) endet. Die Antenne besteht aus FR-4-Leiterplattenmaterial und lässt sich über das Klebefeld leicht montieren.

Das Strahlungsdiagramm dieser Antenne ist stark omnidirektional, wie aus den X-Y- und X-Z-Strahlungsdiagrammen hervorgeht (Abbildung 8). Ihr VSWR liegt unter 2:1, und ihr Wirkungsgrad beträgt etwa 60 % im Betriebsband von 2,4 bis 2,5 GHz.

Abbildung 8: Die Strahlungsdiagramme der PC140.07.0100A von Taoglas zeigen, dass sie sowohl in der X-Y- (links) als auch in der X-Z-Ebene (rechts) ziemlich ungerichtet ist. (Bildquelle: Taoglas)

Fazit

Die Polarisation ist eine wichtige Antenneneigenschaft, die oft übersehen wird. Lineare (sowohl horizontale als auch vertikale), schräge, zirkuläre und elliptische Polarisationen werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Sie bieten je nach ihrer relativen Orientierung und Ausrichtung eine unterschiedliche End-to-End-HF-Leistung. Standardantennen sind mit verschiedenen Polarisationen und für verschiedene Teile des Spektrums erhältlich, um die bevorzugte Polarisation für die Zielanwendung bereitzustellen.

Referenzen

1: JEM Engineering, „Einführung in die Antennenpolarisation“

https://jemengineering.com/blog-intro-to-antenna-polarization/

2: Mimosa Networks, Inc. „Grundlagen der Antennenpolarisierung“

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization

3: Mimosa Networks, Inc. „Entmystifizierung von Antennenpolarisationen“

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization-2

4: Electronics-Notes, „Antennenpolarisation“

https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/antenna-theory/polarisation-polarization.php

5: Antenna-theory.com, „Polarisation von ebenen Wellen“

https://www.antenna-theory.com/basics/polarization.php

6: Electronics Desk, „Antennenpolarisation“

https://electronicsdesk.com/antenna-polarization.html

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/

7: MP Antenna, Ltd, „Erklärung der Antennenpolarisierung“

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/

Über den Autor

Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.

Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.

Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.