Polarisation

Eine wichtige Kenngrösse einer elektromagnetischen Welle ist die Polarisation, welche die zeitliche und örtliche Orientierung des elektrischen Feldes beschreibt. Bewegt sich der Endpunkt des elektrischen Feldvektors zeitlich auf einer Geraden, handelt es sich um eine lineare Polarisation. Bezogen auf unsere unmittelbare Umgebung bezeichnet man eine parallel zur Erdoberfläche ausgerichtete Schwingungsebene als horizontale Polarisation  (rot in Abbildung 1) und eine vertikale ausgerichtete als vertikale Polarisation (grün). Für Antennen, die sich auf Flugzeugen oder Raumsonden befinden, können diese Definitionen nicht mehr angewendet werden. Die orthogonalen Polarisationen werden dann mit Eθ und Eφ bezeichnet.

Setzt sich eine elektromagnetische Welle aus zwei orthogonalen, phasenverschobenen Anteilen zusammen, spricht man von einer elliptisch polarisierten Welle. Ist die Phasenverschiebung 0°, resultiert aus der vektoriellen Addition der beiden Komponenten wieder eine lineare Polarisation. Sind die Amplituden der orthogonalen Komponenten gleich gross und ihr Phasenunterschied +90° oder -90°, geht die elliptische Polarisation in eine zirkulare Polarisation über. Je nach Vorzeichen des Phasenunterschieds spricht man dann von rechtsdrehender Polarisation oder von linksdrehender Polarisation (RHC – right hand circular, LHC – left hand circular). Man kann also alle möglichen Polarisationen als elliptische Polarisationen betrachten mit den beiden Spezialfällen Linear- und Zirkular-Polarisation.

Abbildung 1 zeigt eine Momentaufnahme einer rechtsdrehend polarisierten Welle, die sich in z-Richtung (schwarzer Pfeil) ausbreitet. Die Momentaufnahme der zirkular polarisierten Welle (blau) bildet in Ausbreitungsrichtung eine linksdrehende Schraubenlinie. Diese Schraubenlinie wird in Ausbreitungsrichtung durch eine fiktive Ebene geschoben. Verfolgt man das Ende des Summenvektors, bewegt es sich im Gegenuhrzeigersinn (rechtsdrehend) auf einem Kreis.

Polarization_1

Abbildung 1: Moment-Darstellung der räumlichen Orientierung des E-Vektors bei rechtsdrehender Zirkular-Polarisation

Die vielen Vektoren in der Skizze sind möglicherweise etwas verwirrend. Das File 3D-Pdf RHC kann heruntergeladen werden. Mit den Browser Plugins sieht man in der Regel nur eine leere weisse Fläche, da 3D-Pdfs nur mit einem aktuellen Acrobat-Reader dargestellt werden können. Am einfachsten speichert man das heruntergeladene Pdf-File ab und öffnet es anschliessend direkt mit dem Acrobat Reader. Die Skizze kann mit gedrückter linken Maustaste beliebig gedreht werden. Mit der rechten Maustaste kann eine Werkzeugliste eingeblendet werden. Legt man eine Schnittebene an eine geeignete Stelle auf der z-Achse, kann man gut erkennen, wie durch die vektorielle Addition des grünen, vertikalen Vektors und des roten, horizontalen Vektors der blaue Summen-Vektor gebildet wird.

vector_addition

Abbildung 2: Vektorielle Addition der orthogonalen, linear polarisierten Komponenten

Antennen, die linear polarisierte Wellen erzeugen, können zwei Grundarten zugeordnet werden. Bei einem Dipol ist das elektrische Feld entlang des Dipols ausgerichtet. Das Gegenstück zum Dipol ist die Schlitzantenne, bei der die Polarisationsebene quer zum Schlitz ausgerichtet ist. Hornantennen können auf Schlitzantennen zurückgeführt werden.

Zirkular polarisierte Antennen können in zwei Kategorien aufgeteilt werden. Antennen der ersten  Kategorie sind zirkular polarisiert aufgrund ihrer physikalischen Struktur. Zu dieser Kategorie zählen Spiral und Helix Antennen. Die Polarisationsrichtung (RHC oder LHC) wird durch den Drehsinn der Struktur bestimmt.

Antennen der zweiten Kategorie bestehen aus zwei orthogonalen Strahlern die in Phasen-Quadratur kombiniert werden. Ein Beispiel der zweiten Kategorie ist eine Kreuzdipolantenne kombiniert mit einem 90°-Hybrid. Antennen dieser Kategorie können links- und rechtsdrehende Polarisationen simultan erzeugen.

Zirkular polarisierte Antennen sind grundsätzlich komplexer, als linear polarisierte Antennen. Für eine hohe Polarisationsreinheit müssen die Amplitudenbalance und die Phasenverschiebung zwischen den beiden orthogonalen Komponenten sehr genau sein. Zu beachten ist auch die Tatsache, dass bei einer Reflexion einer zirkular polarisierten Welle in einer Reflektorantenne eine linksdrehende Polarisation rechtsdrehend wird oder umgekehrt. Zirkular polarisierte Übertragungen habe dafür den Vorteil, dass keine Polarisationsausrichtung notwendig ist.

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