الاستقطاب هو أحد الخصائص الأساسية للهوائيات. نحتاج أولاً إلى فهم استقطاب الموجات المستوية. يمكننا بعد ذلك مناقشة الأنواع الرئيسية لاستقطاب الهوائي.
الاستقطاب الخطي
سنبدأ في فهم استقطاب الموجة الكهرومغناطيسية المستوية.
تتميز الموجة الكهرومغناطيسية المستوية (EM) بعدة خصائص. الأول هو أن القوة تنتقل في اتجاه واحد (لا يتغير المجال في اتجاهين متعامدين). ثانيًا، المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي متعامدان مع بعضهما البعض ومتعامدان مع بعضهما البعض. المجالات الكهربائية والمغناطيسية متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة المستوية. على سبيل المثال، خذ بعين الاعتبار المجال الكهربائي أحادي التردد (المجال E) المعطاة بالمعادلة (1). يتحرك المجال الكهرومغناطيسي في الاتجاه +z. يتم توجيه المجال الكهربائي في اتجاه +x. المجال المغناطيسي في الاتجاه +y.
في المعادلة (1)، لاحظ الترميز: . هذا هو متجه الوحدة (متجه الطول)، الذي يقول أن نقطة المجال الكهربائي في الاتجاه x. تم توضيح موجة الطائرة في الشكل 1.
الشكل 1. تمثيل رسومي للمجال الكهربائي الذي يتحرك في الاتجاه +z.
الاستقطاب هو شكل التتبع والانتشار (كفاف) للمجال الكهربائي. على سبيل المثال، النظر في معادلة المجال الكهربائي للموجة الطائرة (1). سوف نلاحظ الموقع الذي يكون فيه المجال الكهربائي (X,Y,Z) = (0,0,0) كدالة للزمن. يتم رسم سعة هذا المجال في الشكل 2، في عدة حالات في الوقت المناسب. المجال يتأرجح عند التردد "F".
الشكل 2. لاحظ المجال الكهربائي (X، Y، Z) = (0،0،0) في أوقات مختلفة.
لوحظ المجال الكهربائي عند الأصل، وهو يتأرجح ذهابًا وإيابًا في اتساعه. يكون المجال الكهربائي دائمًا على طول المحور السيني المشار إليه. وبما أن المجال الكهربائي يتم الحفاظ عليه على طول خط واحد، فيمكن القول أن هذا المجال مستقطب خطيًا. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان المحور السيني موازيًا للأرض، فإن هذا المجال يوصف أيضًا بأنه مستقطب أفقيًا. إذا كان المجال موجهًا على طول المحور Y، فيمكن القول أن الموجة مستقطبة رأسيًا.
لا يلزم توجيه الموجات المستقطبة خطيًا على طول محور أفقي أو رأسي. على سبيل المثال، موجة المجال الكهربائي ذات القيد الموجود على طول الخط كما هو موضح في الشكل 3 ستكون أيضًا مستقطبة خطيًا.
الصورة 3. سعة المجال الكهربائي لموجة مستقطبة خطيًا يكون مسارها زاوية.
يمكن وصف المجال الكهربائي في الشكل 3 بالمعادلة (2). يوجد الآن مكون x و y للمجال الكهربائي. كلا المكونين متساويان في الحجم.
شيء واحد يجب ملاحظته حول المعادلة (2) هو مكون xy والحقول الإلكترونية في المرحلة الثانية. وهذا يعني أن كلا المكونين لهما نفس السعة في جميع الأوقات.
الاستقطاب الدائري
لنفترض الآن أن المجال الكهربائي لموجة مستوية يُعطى بالمعادلة (3):
في هذه الحالة، تكون العناصر X وY خارج الطور بمقدار 90 درجة. إذا تمت ملاحظة المجال كـ (X, Y, Z) = (0,0,0) مرة أخرى كما كان من قبل، فسيظهر منحنى المجال الكهربائي مقابل الزمن كما هو موضح أدناه في الشكل 4.
الشكل 4. قوة المجال الكهربائي (X، Y، Z) = (0،0،0) مجال EQ. (3).
يدور المجال الكهربائي في الشكل 4 في شكل دائرة. يوصف هذا النوع من المجال بأنه موجة مستقطبة دائرية. بالنسبة للاستقطاب الدائري، يجب استيفاء المعايير التالية:
- معيار الاستقطاب الدائري
- يجب أن يحتوي المجال الكهربائي على مكونين متعامدين (متعامدين).
- يجب أن يكون للمكونات المتعامدة للمجال الكهربائي سعات متساوية.
- يجب أن تكون مكونات التربيع خارج الطور بمقدار 90 درجة.
إذا كنت مسافرًا على شاشة الموجة الشكل 4، يُقال إن دوران المجال هو عكس اتجاه عقارب الساعة ومستقطب دائريًا إلى اليمين (RHCP). إذا تم تدوير المجال في اتجاه عقارب الساعة، فسيكون المجال استقطابًا دائريًا أعسرًا (LHCP).
الاستقطاب الاهليلجي
إذا كان المجال الكهربائي يحتوي على مكونين متعامدين، بزاوية 90 درجة خارج الطور ولكن لهما نفس الحجم، فسيكون المجال مستقطبًا إهليلجيًا. بالنظر إلى المجال الكهربائي لموجة مستوية تسير في الاتجاه +z، الموصوف بالمعادلة (4):
موضع النقطة التي سيفترض عندها طرف ناقل المجال الكهربائي موضح في الشكل 5
الشكل 5. موجة الاستقطاب البيضاوي الفوري المجال الكهربائي. (4).
الحقل في الشكل 5، الذي يتحرك في اتجاه عكس عقارب الساعة، سيكون بيضاوي الشكل في حالة السفر خارج الشاشة. إذا كان متجه المجال الكهربائي يدور في الاتجاه المعاكس، فسيكون المجال مستقطبًا بشكل إهليلجي أيسر.
علاوة على ذلك، يشير الاستقطاب الإهليلجي إلى انحرافه. نسبة الانحراف المركزي إلى سعة المحاور الكبرى والصغرى. على سبيل المثال، انحراف الموجة من المعادلة (4) هو 1/0.3= 3.33. يتم وصف الموجات المستقطبة بيضاويًا بشكل أكبر من خلال اتجاه المحور الرئيسي. تحتوي المعادلة الموجية (4) على محور يتكون أساسًا من المحور السيني. لاحظ أن المحور الرئيسي يمكن أن يكون في أي زاوية مستوية. الزاوية غير مطلوبة لتناسب المحور X أو Y أو Z. وأخيرا، من المهم أن نلاحظ أن كلا من الاستقطاب الدائري والخطي هما حالتان خاصتان للاستقطاب الإهليلجي. 1.0 موجة مستقطبة بيضاوية لامركزية هي موجة مستقطبة دائريًا. موجات مستقطبة بيضاويًا ذات انحراف لا نهائي. الموجات المستقطبة خطياً.
استقطاب الهوائي
الآن بعد أن أصبحنا على دراية بالمجالات الكهرومغناطيسية ذات الموجة المستوية المستقطبة، تم تعريف استقطاب الهوائي ببساطة.
استقطاب الهوائي تقييم المجال البعيد للهوائي، واستقطاب المجال المشع الناتج. لذلك، غالبًا ما يتم إدراج الهوائيات على أنها "هوائيات مستقطبة خطيًا" أو "هوائيات مستقطبة دائرية أيمنية".
هذا المفهوم البسيط مهم لاتصالات الهوائي. أولاً، لن يتصل الهوائي المستقطب أفقياً بالهوائي المستقطب رأسياً. وبسبب نظرية المعاملة بالمثل، يرسل الهوائي ويستقبل بنفس الطريقة تمامًا. ولذلك، تقوم الهوائيات المستقطبة رأسياً بإرسال واستقبال المجالات المستقطبة رأسياً. لذلك، إذا حاولت نقل هوائي مستقطب أفقيًا مستقطبًا رأسيًا، فلن يكون هناك استقبال.
في الحالة العامة، بالنسبة لهوائيين مستقطبين خطيًا يدوران بالنسبة لبعضهما البعض بزاوية ( )، سيتم وصف فقدان القدرة الناتج عن عدم تطابق الاستقطاب بواسطة عامل فقدان الاستقطاب (PLF):
ولذلك، إذا كان للهوائيين نفس الاستقطاب، فإن الزاوية بين مجالات الإلكترون المشعة تكون صفراً ولا يوجد فقدان للطاقة بسبب عدم تطابق الاستقطاب. إذا كان أحد الهوائيين مستقطبًا رأسيًا والآخر مستقطبًا أفقيًا، فستكون الزاوية 90 درجة، ولن يتم نقل أي طاقة.
ملاحظة: يوضح تحريك الهاتف فوق رأسك بزوايا مختلفة سبب إمكانية زيادة الاستقبال في بعض الأحيان. عادة ما تكون هوائيات الهاتف الخليوي مستقطبة خطيًا، لذا فإن تدوير الهاتف يمكن أن يطابق في كثير من الأحيان استقطاب الهاتف، وبالتالي تحسين الاستقبال.
الاستقطاب الدائري هو خاصية مرغوبة للعديد من الهوائيات. كلا الهوائيين مستقطبان بشكل دائري ولا يعانيان من فقدان الإشارة بسبب عدم تطابق الاستقطاب. الهوائيات المستخدمة في أنظمة GPS مستقطبة بشكل دائري إلى اليمين.
لنفترض الآن أن الهوائي المستقطب خطيًا يستقبل موجات مستقطبة دائرية. وبالمثل، لنفترض أن هوائيًا مستقطبًا دائريًا يحاول استقبال موجات مستقطبة خطيًا. ما هو عامل فقدان الاستقطاب الناتج؟
تذكر أن الاستقطاب الدائري هو في الواقع موجتان مستقطبتان خطيًا متعامدتان، بزاوية 90 درجة خارج الطور. ولذلك، فإن الهوائي المستقطب خطيًا (LP) سيستقبل فقط مكون طور الموجة المستقطب دائريًا (CP). لذلك، سيكون لهوائي LP خسارة عدم تطابق في الاستقطاب قدرها 0.5 (-3 ديسيبل). وهذا صحيح بغض النظر عن زاوية تدوير هوائي LP. لذلك:
يُشار أحيانًا إلى عامل فقدان الاستقطاب على أنه كفاءة الاستقطاب، أو عامل عدم تطابق الهوائي، أو عامل استقبال الهوائي. كل هذه الأسماء تشير إلى نفس المفهوم.
وقت النشر: 22 ديسمبر 2023
