Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Genaue Zirkular-Polarisation - und wie man sie erzielen kann
In den Anfangszeiten des Amateurfunks wurden alle Weitverkehrsverbindungen auf Kurzwelle über Raumwellen getätigt. Nachdem die Ionosphäre auch auf die Polarisation von Radiowellen (Faraday-Rotation und andere Effekte) einen starken Einfluß ausübt und sich selbst ständig ändert, gibt es keinen einfach zu beobachtenden Zusammenhang zwischen der Polarisation der gesendeten Welle und der Polarisation der empfangenen Welle. Dementsprechend wurde auf die Polaristion der verwendeten Antennen wenig oder gar nicht geachtet. Bei UKW und noch kürzeren Wellenlängen dagegen, wo die Funkverbindungen meistens Sicht- oder Fast-Sichtverbindungen sind, kann der Zusammenhang zwischen den Polarisationen der gesendeten und der empfangenen Welle leicht beobachtet werden. Die meisten Funkamateure benutzen ausschließlich horizontale Linear-Polarisation für SSB- und CW-Verbindungen über größere Entfernungen, und vertikale Linear-Polarisation für FM-Verbindungen im Ortsbereich beziehungsweise über Relais.
Im Satellitenfunk und in anderen spezialisierten Gebieten schließlich dominiert die Zirkular-Polarisation, wobei rechts- oder linksdrehende, oder beide Arten benutzt werden. Natürlich gibt es keine ideale Polarisation, aber man kann immer eine Polarisationsart finden, die für eine gegebene Anwendung die am besten geeignete ist. Wie man die "Güte" oder Genauigkeit einer Zirkular-Polarisation beurteilt, wodurch sie schlecht, das heißt unrund werden kann, und wie man mit einfachen Mitteln gute Zirkular-Polarisation erzielen kann, soll im Folgenden besprochen werden.
Zur Problematik der Zirkular-Polarisation
Die Theorie sagt, daß man zu jeder beliebigen Polarisation immer eine andere finden kann, die senkrecht zur ersten ausgerichtet ist. Der Ausdruck "senkrecht" (oder rechtwinklig) hat nicht unbedingt eine geometrische Bedeutung wie im Fall horizontaler und vertikaler Linear-Polarisation, sondern sagt lediglich aus, daß zwei rechtwinklig zueinander polarisierte Wellen voneinander völlig unabhängig sind. Mit geeigneten Geräten ist es möglich, im selben Frequenzband zwei unabhängige Informationen ohne jede gegenseitige Störung zu übertragen. Andererseits bedeutet dies, daß es nicht möglich ist eine Universalantenne mit einem einzigen Anschluß zu bauen, die jede beliebige ankommende Welle ohne Umschaltung oder irgend eine andere Änderung an der Antenne selbst empfangen kann. Die Theorie sagt auch, daß man eine beliebig polarisierte Welle immer als komplex addierte Summe zweier zueinander senkrecht polarisierter Wellen erzeugen kann.
Mit einem Paar zueinander rechtwinklig polarisierter Antennen kann man demnach jede beliebige Polarisation senden und empfangen!
In einer typischen Funkverbindung wird die Polarisation des Signals, und damit auch die Güte (Empfangs-Feldstärke) der Verbindung, durch viele Erscheinungen beeinflußt. Man kann sie in zwei Gruppen einteilen: Ausbreitungs-Effekte und Ungenauigkeiten der beiden beteiligten Antennen. Während man gegen Ausbreitungseffekte wenig unternehmen kann, verdienen die Konstruktion, der Abgleich und die Überprüfung geeigneter Antennen Beachtung.
Die Güte der Polarisation einer Antenne läßt sich auf verschiedene Arten beschreiben: beispielsweise als das Verhältnis zwischen gewünschter Welle und der dazu senkrecht polarisierten ungewünschten Welle. Dieses Verhältnis wird auch Kreuzpolarisations-Unterdrückung (oder englisch: cross-polarization rejection ratio CPRR) genannt und üblicherweise in dB angegeben.
Die üblichen linear polarisierten Antennen wie Dipole, Yagis, logarithmisch-periodische Yagis und verschiedene Gruppenantennen weisen im VHF- und im unteren UHF-Bereich üblicherweise sehr gute CPRR-Werte auf. Die Struktur dieser Antennen aus dünnen Drähten oder Stäben zwingt die HF-Ströme entlang der Drähte oder Stäbe zu fließen, so daß die Richtung des erzeugten E-Feldes recht einfach bestimmt werden kann. Da ein guter CPRR-Wert bei diesen Antennen durch den Aufbau vorgegeben ist, wird er im Datenblatt üblicherweise nicht einmal angegeben.
Eine gute zirkular-polarisierte Antenne herzustellen ist dagegen sehr viel schwieriger. Eine lange Wendelantenne mit beispielsweise 10 Windungen kann einen CPRR-Wert von nur 15 dB haben! Wenn Zirkular-Polarisation mit Hilfe zweier rechtwinklig zueinander angeordneter linear-polarisierter Antennen (Yagis) erreicht werden soll, kann eine geringfügige Fehlanpassung im Speise-Netzwerk bereits einen noch schlechteren Wert der Kreuzpolarisations-Unterdrückung zur Folge haben.
In einer perfekt zirkular-polarisierten Welle beschreibt der E-Feld-Vektor einen perfekten Kreis. Sobald auch nur ein kleiner Anteil der rechtwinklig dazu zirkular-polarisierten Komponente vorhanden ist, beschreibt der E-Vektor nicht mehr einen Kreis sondern eine Ellipse. Das Achsenverhältnis (englisch: axial ratio AR) dieser Ellipse stellt eine zweite Möglichkeit dar, die Genauigkeit der Polarisation einerzirkular-polarisierten Antenne zu beschreiben. Auch das Achsenverhältnis AR wird üblicherweise in dB angegeben. Der Vorteil des AR-Wertes gegenüber dem CPRR-Wert ist, daß er leicht mit einer linear-polarisierten Meßantenne gemessen werden kann.
Der Zusammenhang zwischen dem AR-Wert und dem CPRR-Wert wird sehr einfach, wenn man beide in linearen Einheiten (wie Spannung oder Feldstärke-Verhältnis, aber nicht in dB!) ausdrückt:
Im UKW-Bereich sind die Abmessungen von Wendelantennen, und besonders ihre Reflektoren, recht unhandlich. Eine zirkular-polarisierte Antenne wird man deshalb lieber mit einem Paar entsprechend gespeister, gekreuzter Dipole oder Yagis realisieren. Dazu ist es im Prinzip nur nötig für eine der beiden Antennen eine zusätzliche Phasenschiebung um 90° zu erzeugen, indem man entweder eine um λ/4 längere (oder kürzere) Speiseleitung einsetzt (Bild 1), oder eine Antenne um λ/4 gegenüber der anderen auf dem Tragrohr versetzt anordnet.
Bild 1: Speisung von zwei linear polarisierten Antennen mit Leitungen unterschiedlicher Länge, um zirkulare Polarisation zu erzielen. Baluns oder andere Anpassungsmaßnahmen sind zur Vereinfachung weggelassen.
Man kann sich vorstellen, daß es für eine genaue Zirkular-Polarisation wichtig ist, daß die beiden Antennen in allen Einzelheiten sehr genau übereinstimmen. Dies ist besonders wichtig bei toleranzempfindlichen Yagis: die beiden Antennen müssen nach Amplitude und Phase gepaart sein! Deshalb sind ein sorgfältiger mechanischer Aufbau der Antennen und eine korrekte Installation (isolierende Stäbe oder Rohre für alle stützenden oder tragenden Teile die nicht senkrecht zum erzeugten E-Feld sind) Voraussetzung, aber noch nicht genug um eine genaue Zirkular-Polarisation zu erzielen.
Um 90° Phasenverschiebung zu bekommen, schalten die meisten Amateure die beiden Speiseleitungen (eine um λ/4 länger als die andere) einfach parallel, und passen dann die erhaltene Impedanz mit einem passenden λ/4-Transformator wieder an den System-Wellenwiderstand an (Bild 1). Damit erhält man nur dann eine perfekte Zirkular-Polarisation, wenn beide Antennen perfekt an ihre Speiseleitungen angepaßt sind. Eine auch nur kleine Fehlanpassung einer oder beider Antennen hat ein sehr schlechtes Achsenverhältnis zur Folge.
Nachdem beide Antennen identisch aufgebaut sind, kann man auch sehr ähnliche Reflexions-Koeffizienten (oder SWR-Werte) erwarten. Am anderen Ende der beiden Speiseleitungen sind die Amplituden der Reflexions-Koeffizienten zwar immer noch ähnlich, doch ihre Phasen differieren wegen der unterschiedlichen Kabellängen um beinahe 180°. Dies verursacht eine ungleiche Leistungsaufteilung, sowohl nach Amplitude wie auch nach Phase. Nachdem die Antennen also nicht mit Signalen gleicher Amplitude gespeist werden, und die Phasenverschiebung zwischen den Signalen nicht 90° beträgt, wird die resultierende Welle sicherlich nicht perfekt zirkular polarisiert sein.
Wenn wir annehmen, daß die beiden Antennen vollständig identisch sind und somit den gleichen SWR-Wert aufweisen, und wenn die Kabelverluste Null sind, wird der Ausdruck zum Bestimmen des Achserwerhältnisses AR sehr einfach: AR ist direkt proportional SWR:
AR = SWR
AR (dB) = 20 log(SWR)
Was bedeutet dies nun in der Praxis?
Üblicherweise wird ein SWR-Wert von 2 an den Bandgrenzen als gut akzeptiert für eine bestimmte Antenne. Zwei solche Antennen ergeben aber bereits den sehr schlechten Wert von 6 dB für das Achsenverhältnis! Dies ist eine stark elliptische Polarisation, die eigentlich linearer Polarisation näher kommt als zirkularer.
Wenn ein Antennensystem in einem breiteren Frequenzband arbeiten muß und Schwankungen des SWR-Wertes über der Frequenz nicht vermieden werden können, dann muß ein 90°-Leistungsteiler als Speise-Netzwerk eingesetzt werden, bei dem der vierte (Differenz-)Anschluß mit einem Widerstand abgeschlossen ist (Bild 2). Der Nachteil dieser Methode ist, daß ein Teil der Sendeleistung im Abschlußwiderstand in Wärme umgesetzt wird.
Bild 2: Speisung zweier linear polarisierter Antennen mit einem 90°-Leistungsteiler (Koppler) zum Erzielen von Zirkular-Polarisation.
Nachdem die meisten Amateur-Antennen jedoch nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich arbeiten müssen, kann die in Bild 1 gezeigte Methode mit unterschiedlichen Kabellängen verwendet, und das Netzwerk so abgeglichen werden, daß gute Zirkular-Polarisation entsteht. Dazu ist es allerdings erforderlich, das Stehwellenverhältnis (SWR) ausreichend genau messen zu können. Man sollte daran denken, daß viele zu niedrigen Preisen auf dem Amateurmarkt angebotene Reflektometer, die angeblich für den Frequenzbereich von 3 bis 150 MHz gut sind, bei 144 MHz bereits einen SWR-Wert von 1,5 oder sogar 2 anzeigen, wenn man sie mit einem Mikro- wellen-Präzisions-Widerstand von 50 Ω abschließt! Bevor man also mit den Abgleicharbeiten beginnt, sollte man sein Reflektometer überprüfen.
Ein praktischer Lösungsvorschlag
Hier soll nun eine sehr einfache Methode gezeigt werden, die 90°-Phasenverschiebung und perfekte Impedanz-Anpassung an eine 50-0-Quelle von zwei rechtwinklig zueinander polarisierten 50-Ω-Antennen ergibt. Wenn das Antennensystem nur für Empfang und/oder Senden mit niedrigen Leistungen (max. 100 W) eingesetzt wird, kann die erforderliche Phasenverschiebung und Impedanz-Anpassung sehr einfach mit zwei konzentrierten Bauelementen nach Bild 3 erzielt werden.
Bild 3: Speisung zweier linear polarisierter Antennen über ein Anpaß-Netzwerk mit konzentrierten Elementen zum Erzielen zirkularer Polarisation.
Eine Reaktanz von -j50 Ω entspricht bei 144 MHz einem Kondensator von 22 pF. Die Induktivität von j50 Ω, kann leicht mit Hilfe eines Dipmeters ermittelt werden, da sie bei der Arbeitsfrequenz, hier also 144 MHz, mit dem Kondensator Resonanz ergeben muß. Eine perfekte Impedanz-Anpassung an einen 50-Ω-Sender ist garantiert weil:
Wenn eine Umschaltung zwischen rechts- und links-drehender Zirkular-Polarisation erforderlich ist, wandelt man die Schaltung entsprechend Bild 4 ab. Es wird nur ein einziger Umschaltkontakt benötigt, dessen parasitäre Kapazität zwischen den offenen Kontakten einbezogen wird, indem man sie vom errechneten Wert für den Kondensator abzieht.
Bild 4: Geänderte Schaltung, um eine Umschaltung zwischen RHCP und LHCP zu ermöglichen.
Die ganze Schaltung wird noch einfacher, wenn die Antennen über einen sogenannten Gamma-match gespeist werden. Die Gamma-Anpassung enthält bereits einen Kondensator in Serie, um die Antenne auf 5012 abzugleichen. Alles was wir zu tun haben ist, die Werte dieser Kondensatoren zu ändern und dann die beiden Antennen einfach parallel zu schalten. So erhält man gleichzeitig 90° Phasenverschiebung und 50-Ω-Anpassung (Bild 5).
Bild 5: Speisen von zwei Antennen mit "Gamma-match" zum Erzeugen von Zirkular-Polarisation.
Den Abgleich der beiden variablen Kondensatoren nimmt man folgendermaßen vor:
- Nur eine Antenne mit dem Sender verbinden und durch Abgleich des variablen Kondensators und Verschieben des Gamma-match eine Anpassung von SWR = 1 herbeiführen.
- Nur die andere Antenne anschließen und diese durch dieselbe Prozedur ebenfalls auf SWR = 1 bringen. Wenn am Schluß die Abmessungen der beiden Gamma-Anpassungen sowie die Werte der beiden Kondensatoren gleich sind, ist dies eine Bestätigung dafür, daß beide Antennen hinreichend ähnlich sind.
- Nachdem jetzt beide Antennen an 50 Ω angepaßt sind, betreffen weitere Abgleichmaßnahmen nur noch die Kondensatoren.
- Diejenige Antenne anschließen, die -45° Phasenverschiebung (Nacheilung) haben soll, und durch Vergrößern des Kondensatorwertes ein Stehwellenverhältnis von SWR = 2,62 einstellen. Damit hat diese Antenne nun eine Impedanz von (50 + j50) Ω. Sollte es selbst mit einem sehr großen Wert für den Kondensator nicht möglich sein ein SWR von 2,62 einzustellen, muß der Kondensator durch eine Induktivität ersetzt werden. Eine alternative, elegantere Methode ist es, das Gamma-match aus dünnerem Draht zu bauen und dann die Schritte 1 bis 4 zu wiederholen.
- Die andere Antenne, die eine Phasenverschiebung von +45° (Voreilung) haben soll, anschließen und durch Verkleinern des Kondensator-Wertes einen SWR-Wert von 2,62 einstellen. Diese Antenne bekommt damit eine Impedanz von (50 - j50)Ω.
- Beide Antennen parallel schalten und durch eine Messung sich überzeugen, daß das Stehwellenverhältnis nahe 1 ist.
- Abschließend sollte man beispielsweise durch Empfang eines Signals mit bekannter Drehrichtung (Satellitensignal!) überprüfen, ob man die gewünschte Polarisationsart - also rechtsdrehend zirkular (RHCP) oder linksdrehend zirkular (LHCP) - erreicht hat. Sehr leicht unterlaufen einem nämlich Fehler mit den Phasen der einzelnen Antennen.
YU3UMV, Matjaz Vidmar.