קיטוב הוא אחד המאפיינים הבסיסיים של אנטנות. ראשית עלינו להבין את הקיטוב של גלים מישוריים. לאחר מכן נוכל לדון בסוגים העיקריים של קיטוב אנטנה.
קיטוב ליניארי
נתחיל להבין את הקיטוב של גל אלקטרומגנטי מישורי.
לגל אלקטרומגנטי מישורי (EM) יש מספר מאפיינים. הראשון הוא שהכוח נע בכיוון אחד (אין שינוי בשדה בשני כיוונים אורתוגונליים). שנית, השדה החשמלי והשדה המגנטי מאונכים זה לזה ואורתוגונליים זה לזה. שדות חשמליים ומגנטיים מאונכים לכיוון התפשטות גל מישור. כדוגמה, שקול שדה חשמלי חד-תדר (שדה E) שניתן על ידי משוואה (1). השדה האלקטרומגנטי נע בכיוון +z. השדה החשמלי מכוון לכיוון +x. השדה המגנטי הוא בכיוון +y.
במשוואה (1), שים לב לסימון: . זהו וקטור יחידה (וקטור של אורך), שאומר שנקודת השדה החשמלי היא בכיוון x. הגל המישור מודגם באיור 1.
איור 1. ייצוג גרפי של השדה החשמלי הנוסע בכיוון +z.
קיטוב הוא עקבות וצורת התפשטות (קונטור) של שדה חשמלי. כדוגמה, שקול את משוואת השדה החשמלי של גל מישור (1). נצפה במיקום שבו השדה החשמלי (X,Y,Z) = (0,0,0) כפונקציה של הזמן. המשרעת של שדה זה משורטטת באיור 2, במספר מקרים בזמן. השדה מתנודד בתדר "F".
איור 2. התבונן בשדה החשמלי (X, Y, Z) = (0,0,0) בזמנים שונים.
השדה החשמלי נצפה במקור, מתנודד קדימה ואחורה במשרעת. השדה החשמלי נמצא תמיד לאורך ציר ה-x המצוין. מכיוון שהשדה החשמלי נשמר לאורך קו בודד, ניתן לומר ששדה זה מקוטב ליניארי. בנוסף, אם ציר ה-X מקביל לקרקע, שדה זה מתואר גם כמקוטב אופקית. אם השדה מכוון לאורך ציר ה-Y, ניתן לומר שהגל מקוטב אנכית.
גלים מקוטבים ליניארי אינם צריכים להיות מכוונים לאורך ציר אופקי או אנכי. לדוגמה, גל שדה חשמלי עם אילוץ מונח לאורך קו כפי שמוצג באיור 3 יהיה גם מקוטב ליניארי.
תמונה 3. משרעת השדה החשמלי של גל מקוטב ליניארי שמסלולו הוא זווית.
ניתן לתאר את השדה החשמלי באיור 3 באמצעות משוואה (2). כעת יש רכיב x ו-y של השדה החשמלי. שני הרכיבים שווים בגודלם.
דבר אחד שיש לשים לב למשוואה (2) הוא רכיבי ה-xy והשדות האלקטרוניים בשלב השני. המשמעות היא שלשני הרכיבים יש את אותה משרעת בכל עת.
קיטוב מעגלי
כעת נניח שהשדה החשמלי של גל מישור ניתן באמצעות משוואה (3):
במקרה זה, יסודות X ו-Y נמצאים ב-90 מעלות מחוץ לפאזה. אם השדה נצפה כ- (X, Y, Z) = (0,0,0) שוב כמו קודם, עקומת השדה החשמלי לעומת הזמן תופיע כפי שמוצג להלן באיור 4.
איור 4. חוזק שדה חשמלי (X, Y, Z) = (0,0,0) תחום EQ. (3).
השדה החשמלי באיור 4 מסתובב במעגל. סוג זה של שדה מתואר כגל מקוטב מעגלי. עבור קיטוב מעגלי, יש לעמוד בקריטריונים הבאים:
- תקן לקיטוב מעגלי
- השדה החשמלי חייב להיות בעל שני רכיבים אורתוגונליים (מאונכים).
- הרכיבים האורתוגונליים של השדה החשמלי חייבים להיות בעלי משרעות שוות.
- רכיבי הנצב חייבים להיות מחוץ לפאזה ב-90 מעלות.
אם נוסעים במסך Wave Figure 4, אומרים שסיבוב השדה הוא נגד כיוון השעון ומקוטב מעגלי ביד ימין (RHCP). אם השדה מסובב בכיוון השעון, השדה יהיה קיטוב מעגלי ביד שמאל (LHCP).
קיטוב אליפטי
אם לשדה החשמלי יש שני רכיבים מאונכים, 90 מעלות מחוץ לפאזה אך בגודל שווה, השדה יהיה מקוטב אליפטי. בהתחשב בשדה החשמלי של גל מישור הנוסע בכיוון +z, המתואר במשוואה (4):
המיקום של הנקודה שבה יניח קצה וקטור השדה החשמלי ניתן באיור 5
איור 5. שדה חשמלי גלי קיטוב אליפטי. (4).
השדה באיור 5, הנוסע נגד כיוון השעון, יהיה אליפטי ימני אם יוצא מהמסך. אם וקטור השדה החשמלי מסתובב בכיוון ההפוך, השדה יהיה ביד שמאל מקוטב אליפטי.
יתר על כן, קיטוב אליפטי מתייחס לאקסצנטריות שלו. היחס בין אקסצנטריות לאמפליטודה של הצירים הגדולים והמשניים. לדוגמה, אקסצנטריות הגל מהמשוואה (4) היא 1/0.3= 3.33. גלים מקוטבים אליפטי מתוארים עוד יותר לפי כיוון הציר הראשי. למשוואת הגלים (4) יש ציר המורכב בעיקר מציר ה-x. שימו לב שהציר הראשי יכול להיות בכל זווית מישור. הזווית אינה נדרשת כדי להתאים לציר X, Y או Z. לבסוף, חשוב לציין שגם קיטוב מעגלי וגם קיטוב ליניארי הם מקרים מיוחדים של קיטוב אליפטי. גל מקוטב אליפטי אקסצנטרי 1.0 הוא גל מקוטב מעגלי. גלים מקוטבים אליפטית עם אקסצנטריות אינסופית. גלים מקוטבים ליניארי.
קיטוב אנטנה
כעת, כאשר אנו מודעים לשדות אלקטרומגנטיים של גל מישור מקוטב, הקיטוב של אנטנה מוגדר בפשטות.
אנטנה קיטוב הערכת שדה רחוק של אנטנה, הקיטוב של השדה המוקרן המתקבל. לכן, אנטנות מופיעות לעתים קרובות כ"קוטב ליניארי" או "אנטנות מקוטבות מעגליות ימניות".
הרעיון הפשוט הזה חשוב לתקשורת אנטנה. ראשית, אנטנה מקוטבת אופקית לא תתקשר עם אנטנה מקוטבת אנכית. בשל משפט ההדדיות, האנטנה משדרת ומקבלת בדיוק באותו אופן. לכן, אנטנות מקוטבות אנכית משדרות ומקבלות שדות מקוטבים אנכית. לכן, אם תנסה להעביר אנטנה מקוטבת אנכית מקוטבת אופקית, לא תהיה קליטה.
במקרה הכללי, עבור שתי אנטנות מקוטבות ליניאריות המסובבות זו לזו בזווית ( ), אובדן ההספק עקב אי התאמה לקיטוב זה יתואר על ידי מקדם אובדן הקיטוב (PLF):
לכן, אם לשתי אנטנות קיטוב זהה, הזווית בין שדות האלקטרונים המקרינים שלהן היא אפס ואין איבוד הספק עקב אי התאמה של קיטוב. אם אנטנה אחת מקוטבת אנכית והשנייה מקוטבת אופקית, הזווית היא 90 מעלות, ולא יועבר כוח.
הערה: הזזת הטלפון מעל הראש לזוויות שונות מסבירה מדוע לפעמים ניתן להגביר את הקליטה. אנטנות טלפונים סלולריים מקוטבות בדרך כלל באופן ליניארי, כך שסיבוב הטלפון יכול לעתים קרובות להתאים לקיטוב של הטלפון, ובכך לשפר את הקליטה.
קיטוב מעגלי הוא מאפיין רצוי של אנטנות רבות. שתי האנטנות מקוטבות בצורה מעגלית ואינן סובלות מאובדן אות עקב אי התאמה של קיטוב. אנטנות המשמשות במערכות GPS הן מקוטבות מעגלית ביד ימין.
כעת נניח שאנטנה מקוטבת ליניארי קולטת גלים מקוטבים מעגלי. באופן שווה, נניח שאנטנה מקוטבת מעגלית מנסה לקלוט גלים מקוטבים ליניארית. מהו גורם אובדן הקיטוב שנוצר?
נזכיר שקיטוב מעגלי הוא למעשה שני גלים אורתוגונליים מקוטבים ליניאריים, 90 מעלות מחוץ לפאזה. לכן, אנטנה מקוטבת ליניארית (LP) תקבל רק את רכיב שלב הגל המקוטב מעגלי (CP). לכן, לאנטנת LP תהיה אובדן אי-התאמה לקיטוב של 0.5 (-3dB). זה נכון לא משנה באיזו זווית מסובבת אנטנת LP. לָכֵן:
גורם אובדן קיטוב מכונה לפעמים יעילות קיטוב, גורם אי התאמה של אנטנה או גורם קליטה של אנטנה. כל השמות הללו מתייחסים לאותו מושג.
זמן פרסום: 22 בדצמבר 2023
