Úvod

Kolem antén s lineární a kruhovou polarizací na této stránce provedu několik úvah, při kterých si na pomoc při jejich porovnávání vezmu software pro numerický výpočet vzdálených elektromagnetických polí (far field).

Vyzařovaní budeme ve všech úvahách uvažovat ve volném prostoru

Referenční antény

V úvahách budu používat pouze dvě referenční antény - dipól, tj. anténu, která má zisk vůči dipólu 0 dBd a optimalizovanou anténu yagi s 11 prvky - obr. 1.:

Pokud je referenční anténa yagi instalována s tzv. horizontální polarizací, jsou její vypočtené vyzařovací charakteristiky následující - obr. 2.:

Poznámky:
1. Anténu jsem nepatrně (o 1°) pootočil vůči horizontální rovině. To proto, aby bylo ve vyzařovacím diagramu vidět vyzařování v horizontální rovině (modrá čára) i vyzařování ve vertikální rovině (červená čára - o více než 30 dB potlačené vyzařování).

Kruhová polarizace

S využitím dvou shodných, ale vhodně instalovaných antén lze docílit vyzařování s kruhovou polarizací obr. 3.:

V prvním případě jsme rozdělili výkon vysílače pomocí děliče výkonu do dvou napájecích vedení. Z jednoho výstupu napájíme dipol  antény 1 a z druhého výstupu napájíme dipól antény 2. Délky napájecích vedení musí být rozdílné o jednu čtvrtinu vlnové délky (fázový posun 90°). Pokud nejsou antény ve směru osy x vzájemně posunuté, generuje nám tato soustava dvou antén vlnu s kruhovou polarizací.

V konfiguraci č. 2 opět dělíme výkon vysílače do dvou napájecích vedení. Pokud jsou obě vedení naprosto shodné délky, musíme jednu z antén posunout ve směru osy x přesně o 1/4 vlnové délky. Opět takovou soustavou vyrobíme kruhově polarizovanou vlnu.

Poznámka: Kruhová polarizace může být buď pravotočivá (RHCP) nebo levotočivá (LHCP). Smysl polarizace změníme v prvním případě záměnou napájecích vedení (jsou rozdílné délky) nebo změnou směru posunutí ve druhé konfiguraci.

Zisk a vyzařování při kruhové polarizaci

Celkové pole (far field) soustavy pro kruhovou polarizaci - obr. 5.:

Far field v horizontální rovině - obr. 6.:

Far field ve vertikální rovině - obr. 7.:

Všimněte si důležitých charakteristik: zisk jedné antény s lineární polarizací - viz obr. 2 a s kruhovou (cirkulární) polarizací - viz obr. 5 je přibližně stejný a vyzařovací diagramy jsou podobné. Malé rozdíly jsou dány skutečností, že stejná anténa vevyzařuje stejně ve vodorovné a ve svislé rovině (všudypřítomná země). 

Všimněte si přibližně 3 dB rozdílu ve vyzařování v horizontální rovině u antény s horizontální polarizací a u antény s kruhovou polarizací (obrázky 2 a 6). Hledejme v tom jednoduchou logiku. Anténa s horizontální polarizací vyzářila stejný výkon pomocí pole s horizontální polarizací. U antény s kruhovou polarizací jsme přece stejný výkon rozdělili do dvou vedení. Každým vedením jsme napájeli jen jednu anténu. Ta musela vyzářit maximálně poloviční výkon.

Anténa s horizontální polarizací nevytvořila ve vertikální rovině téměř žádné vzdálené pole (obr. 2, červená křivka). Anténa s kruhovou polarizací vytvořila vzdálené pole ve vertikální rovině přibližně stejně velké, jako horizontální pole (obr. 7). Opět je právě o 3 dB menší, než celkové pole, protože anténa byla napájena jen polovičním výkonem.

Přenos výkonu u lineárně polarizovaných antén v případech, kdy jsou polarizační roviny pootočené - obr. 8.:

Přestože je ve všech případech zisk antén stejný (v úvaze byly použity identické antény), nejsou v žádném případě v pootočených rovinách vytvořena stejná vzdálená elektromagnetická pole (far field). Pootočením polarizačních rovin o 45° ztratíme 3 dB, pootočením o 60° ztratíme asi 12 dB a pootočením o 90 ° ztratíme více než 30 dB.

Poznámky:

1. Více než 30 dB rovněž ztratíme, pokud použijeme na straně RX a TX rozdílného smyslu kruhové polarizace.
2. Při provozu EME dochází vlivem různých jevů ke stáčení polarizační roviny.
3. Odrazem se mění smysl kruhové polarizace.

Stručné shrnutí

Případy na číslech řádků (1., 2., 3., 5., 6. 7.1. až 7.4) tabulky č. 1 byly názorně vysvětleny v předchozích příkladech.
Zastavím se u řádku č. 4 tabulky: Pokud při příjmu lineárně polarizované vlny (kde přesně neznáme polarizační rovinu) použijeme antény s kruhovou polarizací, ztratíme maximálně 3 dB. V případě, že při příjmu použijeme lineárně polarizovanou anténu, můžeme při velké rozdílnosti polarizačních rovin ztratit více než 30 dB! Nic však není zadarmo. Pokud s přijímací anténou navrženou pro kruhovou polarizaci přijímáme lineárně polarizovanou vlnu, přijímáme současně vlny ve všech polarizačních rovinách. Včetně veškerého šumu a rušení. A to se nám rovněž nemusí vždycky hodit.

Zde uvádím odkaz na velice cennou recenzi od Matěje, OK1TEH. Recenze podstatným způsobem doplňuje problematiku nejen mnoha odkazy na práce jiných autorů, ale i vlastními zkušenostmi OK1TEH.

Dodatek ze dne 14.10.2017

Tento dodatek píšu na základě článku, který jsem získal z odkazu výše uvedené recenze. Článek napsal G3WGD pod názvem: "Experiences with CP on 10 GHz". Celý článek je pro mě neobyčejně cenný, protože nejsem schopen z důvodů ekonomické i časové náročnosti podobný experiment realizovat. Prostě nemám potřebné vybavení a určitě chybí i zkušenosti. Zastavím se však u několika bodů, které mě ovlivnily natolik, že jsem napsal tento dodatek:

1. Začnu na straně 3, tématem očekávaných výsledků (My initial expectations for CP).
Podobná očekávání v prvních dvou bodech jsem měl i já. Potom jsem spustil programy pro výpočty elektromagnetických polí. Tedy také jsem konkrétně očekával, že potvrdím výpočtem, že úrovně signálů CP to CP a LP to LP musí být stejné. A potvrdil jsem to výpočty a závěrem v tabulce č. 1, na řádcích č. 1 a č. 5.

2. Očekávání ve třetím bodě (CP might narrower signals) jsem měl naprosto opačné. Ani z prezentace G3WDG jsem nepochopil jeho myšlenkové postupy, které ho k takovému předpokladu vedly. Já jsem měl opačné očekávání z naprosto jiného důvodu. Poté, co jsem si pomocí NEC za stejných podmínek a u stejně konstruovaných antén vypočítal, že CP to CP a LP to LP dává z energetického pohledu naprosto stejný výsledek, považoval jsem LP to LP přenos za úzkopásmovější, protože mu stačí k přenosu jen jediná polarizační rovina. A považoval jsem CP to CP za širokopásmovější, protože pole generuji soustavou dvou antén ve dvou rovinách (viz obrázky č. 3 a č. 4 v mém článku nahoře). Proto jsem byl na řádku č. 4 (tab. 1) velice, velice opatrný a pod tabulkou jsem vyslovil, že přenosem LP to CP ztratíme maximálně 3dB (myšleno teoreticky), což může být výhodné pouze v případě, kdy nejsme schopni zjistit a eliminovat rozdílnost polarizačních rovin (viz řádky 7.1. až 7.5.). A současně jsem uvedl, že to nemusí být zadarmo, protože anténou CP přijímáme v obou polarizačních rovinách! Tedy i různé šumy a rušení v obou rovinách.

3. Pokračuji v článku G3WDG na straně 17: Autor zde píše, že naměřil při polarizaci CP to CP úroveň signál/šum S/N = 14.2 dB při experimentu se stanicí LX1DB. A dále naměřil při polarizaci CP to LP úroveň S/N = 12.2 dB. Potvrdil, že očekával rozdíl 3 dB, ale v praxi docílil jen 2 dB. Rozdíl v počáteční úvaze, kdy já jsem očekával vliv větší šířky pásma při CP to CP přenosu (myšlenkově mě k tomu vedlo využití dvou polarizačních rovin) a při přepnutí na CP to LP maximálně 3 dB rozdíl. Kvůli předpokládané úvaze o šířce pásma CP to CP jsem byl velice opatrný a neuvedl jsem ho v tabulce č. 1, pouze v poznámce pod tabulkou.  Věřím naměřené skutečnosti, kdy rozdíl byl stanoven z hodnot 14.2 dB - 12.2 dB, tedy jen 2 dB.

4. Zastavím se u závěrů G3WDG na straně 20: Autor oprávněně konstatuje na prvním řádku, že CP to CP je o 1.6 dB horší, než LP to LP. Tato skutečnost neodporuje mé mentalitě, přestože jsem ji výpočtem s nástroji, které mám, nedokázal kvantifikovat. Kvalitativní názor jsem si však po jednoduchých výpočtech, které mi trvaly se vším všudy asi 10 minut jsem byl schopen učinit. Samozřejmě, že jsem nebyl schopen výpočtem prokázat ani dvoudecibelový výsledek ve druhém bodě. Výpočtem jsem byl pouze schopen stanovit takovou hodnotu jako maximální (3 dB). Byl jsem však schopen přijmout kvalitativní názor, který je ve skutečnosti příčinou této skutečnosti. Nikdy jsem bezdůvodně neuvažoval o předpokladu, že šířka pásma CP to CP musí být užší než při LP to LP. Z konstrukcí antén pro CP (kdy jsem uvažoval klasicky, tedy s použitím dvou LP yagi a dvou rovin s lineárně polarizovanou vlnou) mi vyšla stejná bilance v přenosu energií u CP to CP i u LP to LP, kde je využita jen jedna rovina. Na základě této skutečnosti jsem přijal myšlenku o tom, kde je skutečně větší šířka pásma. Měřením to G3WDG prokázal velice věrohodně.

S ostatními závěry autora souhlasím. Jsou dané jeho osobními zkušenostmi i výborným týmem, se kterým prováděl experimenty (LX1DB, OK1KIR a dalších).

Pokusím se rovněž udělat stručný závěr k mému článku, který pravděpodobně působil na čtenáře zmatečně. Nicméně, musím konstatovat, pokud jsem někde nepřehlédl nějakou vlastní chybu (já po sobě nikdy články nečtu a vloudit se může), podařilo se mi velice jednoduchým způsobem numerického výpočtu dospět k obdobným závěrům, ke kterým dospěl renomovaný autor G3WDG experimentálně. Samozřejmě s omezením, kdy při jednoduchém výpočtu jsem nemohl provést některé konkrétní kvantifikace a musel jsem se smířit s teoretickými mezemi. A co mě potěšilo? Že mě ani tyto jednoduché technické úvahy nedovedly na zcestí.

Pokusím se udělat ještě další závěr. Pravděpodobně bych se při uvažovaném jiném druhu komunikace, než EME, nedostal k podobným úvahám. Např. při silných signálech satelitů (provozu jsem se věnoval v minulosti, hlavně přes AO13) jsem nikdy nebyl donucen precizně řešit každý dB ztrát. Bohužel, s QRP provozem a při příjmu slabých signálů je to jinak. Rozhodují jednotky dB a často jen desetiny dB.