Nói chung, sự phân cực của anten thu sẽ không giống như sự phân cực của sóng tới (tới). Điều này thường được gọi là "sự không phù hợp phân cực." Số lượng công suất do ăng-ten trích xuất từ tín hiệu đến sẽ không phải là cực đại vì mất phân cực. Giả sử rằng điện trường của sóng tới có thể được viết là
𝐸𝑖 =𝝆̂𝑤𝐸𝑖 (2.14)
Trong đó 𝝆̂𝑤 là vectơ đơn vị của sóng và sự phân cực của điện trường nơi nhận ăng- ten có thể được biểu thị bằng
𝐸𝑎 =𝝆̂𝑎𝐸𝑎 (2.15)
Với 𝝆̂𝑎 là vectơ đơn vị của nó (vectơ phân cực), sự mất phân cực có thể được tính đến bởi đưa vào hệ số suy hao phân cực (PLF). Nó được xác định, dựa trên sự phân cực của ăng-ten trong chế độ truyền của nó, như
𝑃𝐿𝐹 = |𝝆̂𝑊. 𝝆̂𝑎|2 = |𝑐𝑜𝑠Ψ𝑝|2 (2.16)
Trong đó Ψ𝑝 là góc giữa hai vectơ đơn vị. Sự liên kết tương đối của sự phân cực của sóng tới và của anten được thể hiện trên hình 9. Nếu ăng ten được phân cực phù hợp, PLF của nó sẽ là thống nhất và ăng-ten sẽ trích công suất tối đa từ sóng tới.
Một con số đáng giá khác được sử dụng để mô tả các đặc tính phân cực của sóng và của một ăng-ten là hiệu suất phân cực (hệ số suy hao hoặc sai lệch phân cực) được xác định là “tỷ lệ công suất nhận được bởi một ăng-ten từ một sóng mặt phẳng nhất định có phân cực tùy ý công suất sẽ được nhận bởi cùng một ăng-ten từ một sóng phẳng có cùng thông
24 lượng công suất mật độ và hướng lan truyền, mà trạng thái phân cực đã được điều chỉnh tối đa đã nhận được quyền lực. ” Điều này tương tự như PLF và nó được biểu thị bằng
𝑝𝑒 = |ℓ𝑒𝐸𝑖𝑛𝑐|
2
|ℓ𝑒|2|𝐸𝑖𝑛𝑐|2 (2.17)
Với: ℓ𝑒 = Véc tơ chiều dài hiệu dụng của ăng ten 𝐸𝑖𝑛𝑐 = sự cố điện trường
Hình 9: Vectơ đơn vị phân cực của sóng tới (ρ̂ w) và anten (ρ̂ a), và hệ số suy hao phân cực (PLF).
Liên hợp (∗) không được sử dụng trong (2.16) hoặc (2.17) để xảy ra sự cố phân cực tròn bên phải sóng (khi nhìn theo hướng truyền của nó) được kết hợp với phân cực tròn bên phải anten thu (khi phân cực của nó được xác định trong chế độ phát). Tương tự, một sóng phân cực tròn bên trái sẽ được kết hợp với một ăng ten phân cực tròn bên trái.
Để minh họa nguyên tắc của sự không phù hợp phân cực, chúng ta xét ví dụ sau:
Ví dụ 1:
Điện trường của sóng điện từ phân cực tuyến tính cho bởi 𝐸𝑖 =â𝑥𝐸0(𝑥, 𝑦)𝑒−𝑗𝑘ɀ
là sự cố xảy ra trên một ăng ten phân cực tuyến tính mà phân cực điện trường được biểu thị bằng
25 𝐸𝑎 ≈ (â𝑥+ â𝑦)𝐸(𝑟, 𝜃, 𝜙)
Tìm hệ số suy hao phân cực (PLF).
Lời giải: Đối với sóng tới
𝝆
̂𝑤 = â𝑥
và cho ăng-ten
𝝆̂𝑎 = 1
√2(â𝑥+â𝑦) PLF sau đó bằng
𝑃𝐿𝐹 = |𝝆̂𝑤𝝆̂𝑎|2= |â𝑥. 1
√2(â𝑥+â𝑦)|
2
=1 2
Tính toán bằng đơn vị dB
𝑃𝐿𝐹(𝑑𝐵) = 10𝑙𝑜𝑔10𝑃𝐿𝐹(𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑙𝑒𝑠𝑠) = 10𝑙𝑜𝑔10(0.5) = −3
26 Mặc dù trong Ví dụ 1, cả sóng tới và ăng ten đều phân cực tuyến tính, mất 3 dB trong công suất trích xuất vì phân cực của sóng tới không được căn chỉnh với sự phân cực của anten. Nếu sự phân cực của sóng tới là trực giao với phân cực của ăng-ten, khi đó ăng-ten sẽ không có nguồn điện nào được trích xuất từ đầu đến sóng và PLF sẽ bằng 0 hoặc −∞
dB. Trong hình 10 chúng tôi minh họa sự mất phân cực các yếu tố (PLF) của hai loại ăng- ten: dây và khẩu độ.
Bây giờ chúng ta muốn xem xét một ví dụ trong đó sự phân cực của ăng-ten và đầu vào sóng được mô tả dưới dạng các vectơ phân cực phức tạp.
Ví dụ 2:
Một sóng phân cực tròn bên phải (theo chiều kim đồng hồ) được bức xạ bởi một ăng- ten, đặt cách gốc của một hệ tọa độ hình cầu một khoảng nào đó, đang truyền theo hướng xuyên tâm hướng theo một góc (𝜃, 𝜙) và nó cản trở việc nhận phân cực tròn bên phải ăng ten đặt tại điểm gốc. Phân cực của ăng ten thu được xác định trong chế độ phát, như mong muốn của định nghĩa của IEEE. Giả sử sự phân cực của sóng tới được biểu diễn bằng
𝐸𝑤 = (â𝜃+ 𝑗â𝜙)𝐸(𝑟, 𝜃, 𝜙) Xác định hệ số suy hao phân cực (PLF).
Lời giải: Sự phân cực của sóng phân cực tròn bên phải tới truyền đi dọc theo hướng bán kính −r được mô tả bằng vectơ đơn vị
Hình 10: Hệ số suy hao phân cực (PLF) cho ăng ten khẩu độ và ăng ten dây tuyến tính.
27 𝝆
̂𝑤 =â𝜃+ 𝑗â𝜙
√2
trong khi ăng ten thu, ở chế độ phát, được biểu diễn bằng vectơ đơn vị 𝝆̂𝑎 =â𝜃− 𝑗â𝜙
√2 Do đó hệ số mất phân cực là
𝑃𝐿𝐹 = |𝝆̂𝑤𝝆̂𝑎|2 =1
4|1 + 1|2 = 0 𝑑𝐵
Vì sự phân cực của sóng tới khớp với sự phân cực của anten thu, nên sẽ không có bất kỳ suy hao nào. Rõ ràng là câu trả lời phù hợp kỳ vọng.
Dựa trên các định nghĩa của sóng truyền và nhận bởi một ăng-ten, sự phân cực của một ăng ten ở chế độ thu liên quan đến ăng ten ở chế độ phát như sau:
1. “Trong cùng một mặt phẳng phân cực, các elip phân cực có cùng tỉ số trục, giống nhau cảm giác phân cực (quay) và định hướng không gian giống nhau.
2. “Vì các giác phân cực và định hướng không gian của chúng được xác định bằng cách xem các hình elip phân cực của chúng theo các hướng tương ứng mà chúng đang lan truyền, nên lưu ý rằng:
a. Mặc dù các giác quan của chúng về sự phân cực là giống nhau, chúng sẽ có vẻ trái ngược nhau nếu cả hai sóng được xem theo cùng một hướng.
b. Các góc nghiêng của chúng sao cho chúng là tiêu cực của nhau đối với một điểm chung tài liệu tham khảo."
Vì phân cực của một ăng-ten hầu như sẽ luôn được xác định trong chế độ truyền của nó, theo IEEE Std 145-1993, “phân cực thu có thể được sử dụng để xác định đặc tính phân cực của một ăng ten không có phần tử có thể truyền và nhận khác nhau tùy ý phân cực. ”
Mất phân cực luôn phải được tính đến trong thiết kế tính toán liên kết của hệ thống thông tin liên lạc vì trong một số trường hợp, nó có thể là một yếu tố rất quan trọng. Tính
28 toán liên kết của các hệ thống liên lạc cho các cuộc thám hiểm ngoài không gian rất nghiêm ngặt vì những hạn chế về trọng lượng tàu vũ trụ. Trong những trường hợp như vậy, quyền lực là một yếu tố hạn chế. Thiết kế phải đưa vào tính toán tất cả các yếu tố tổn thất để đảm bảo hệ thống hoạt động thành công. Một ăng ten được phân cực hình elip bao gồm hai lưỡng cực bắt chéo, như được minh họa trong Hình 2.26. Hai lưỡng cực chéo nhau cung cấp hai thành phần trường trực giao không nhất thiết phải có cùng cường độ trường đối với tất cả các góc quan sát. Nếu hai lưỡng cực giống hệt nhau, cường độ trường của mỗi thiên đỉnh (vuông góc với mặt phẳng của hai lưỡng cực) sẽ là cường độ như nhau. Ngoài ra, nếu hai lưỡng cực được nuôi với sự lệch pha thời gian 90 độ (pha vuông góc), sự phân cực dọc theo thiên đỉnh sẽ là hình tròn và hình elip về các hướng khác. Một cách để có được độ lệch pha 90◦ thời gian Δ𝜙 giữa hai thành phần trường trực giao, bức xạ tương ứng bởi hai lưỡng cực, là bằng cách nuôi một trong hai lưỡng cực với một sự truyền đường thẳng dài hơn hoặc ngắn hơn λ ∕ 4 [Δ𝜙 = kΔℓ = (2𝜋 ∕ λ) (λ ∕ 4) = 𝜋 ∕ 2]. Một độ dài (dài hơn hoặc ngắn hơn) sẽ cung cấp xoay bên phải (CW) trong khi bên kia sẽ cung cấp quay bên trái (CCW).
Hình 11: Ăng ten lưỡng cực chéo phân cực elip.