偏波はアンテナの基本的な特性の一つです。まず平面波の偏波について理解する必要があります。その後、アンテナの偏波の主な種類について説明します。
直線偏光
平面電磁波の偏光について理解を深めていきます。
平面電磁波 (EM 波) にはいくつかの特徴があります。まず、電力は一方向に伝搬します (直交する 2 つの方向では場は変化しません)。次に、電場と磁場は互いに垂直で直交しています。電場と磁場は平面波の伝搬方向に対して垂直です。例として、式 (1) で与えられる単一周波数の電場 (E 場) を考えます。電磁場は +z 方向に伝搬しています。電場は +x 方向を向いています。磁場は +y 方向です。
式（1）において、 という表記に注目してください。これは単位ベクトル（長さ のベクトル）であり、電場点が x 方向にあることを示しています。平面波は図 1 に示されています。
図1. +z方向に伝播する電場の図解。
偏光とは、電場の軌跡と伝搬形状（等高線）のことです。例として、平面波電場の式（1）を考えてみましょう。電場が（X,Y,Z）=（0,0,0）となる位置を時間の関数として観測します。この電場の振幅は、図2にいくつかの時点でプロットされています。電場は周波数「F」で振動しています。
図2. さまざまな時間における電場(X, Y, Z) = (0,0,0)を観察する。
原点において、電場は振幅が前後に振動しながら観測される。電場は常に、図示されたx軸に沿っている。電場は単一の線に沿って維持されるため、この電場は直線偏光であると言える。さらに、x軸が地面と平行な場合、この電場は水平偏光とも表現される。電場がy軸に沿って配向している場合、波は垂直偏光であると言える。
直線偏光波は、水平軸または垂直軸に沿って伝播する必要はありません。例えば、図3に示すように、直線に沿って制約がある電場波も直線偏光となります。
図3. 軌道が角度である直線偏光波の電場振幅。
図3の電場は式(2)で表すことができます。電場にはx成分とy成分があり、両方の成分の大きさは等しいです。
式（2）に関して注目すべき点は、第2段階におけるxy成分と電場です。これは、両方の成分が常に同じ振幅を持つことを意味します。
円偏光
ここで、平面波の電場は式（３）で与えられると仮定する。
この場合、X要素とY要素は90度位相がずれています。以前と同様に、(X, Y, Z) = (0,0,0)として電界を観測すると、電界の時間変化曲線は図4に示すようになります。
図4. 電界強度(X, Y, Z) = (0,0,0) EQ領域。(3)
図4の電場は円を描いて回転します。このような電場は円偏光波と呼ばれます。円偏光となるためには、以下の条件を満たす必要があります。
- 円偏光の標準
- 電場は互いに直交する（垂直な）2つの成分を持たなければならない。
- 電場の直交成分は、等しい振幅を持たなければならない。
- 直交成分は90度位相がずれていなければならない。
図4の波面上を伝搬する場合、電場の回転は反時計回りで右旋円偏光（RHCP）であると言われます。電場が時計回りに回転する場合は、左旋円偏光（LHCP）になります。
楕円偏光
電場が互いに直交し、位相が90度ずれているが大きさが等しい2つの成分を持つ場合、電場は楕円偏光となる。式(4)で表される+z方向に伝搬する平面波の電場を考えると、次のようになる。
電場ベクトルの先端が取る点の軌跡は図5に示されている。
図5. 即発楕円偏光波の電場。(4)
図5の電場は反時計回りに伝播し、画面から手前に向かって伝播する場合、右巻き楕円偏光となる。電場ベクトルが逆方向に回転すると、電場は左巻き楕円偏光となる。
さらに、楕円偏光は偏心率を指します。偏心率と長軸および短軸の振幅の比。たとえば、式 (4) の波の偏心率は 1/0.3 = 3.33 です。楕円偏光波は、長軸の方向によってさらに記述されます。波の式 (4) は、主に x 軸で構成される軸を持ちます。長軸は任意の平面角にすることができます。角度は、X、Y、または Z 軸に適合する必要はありません。最後に、円偏光と直線偏光の両方が楕円偏光の特殊なケースであることに注意することが重要です。偏心率 1.0 の楕円偏光波は円偏光波です。偏心率が無限大の楕円偏光波。直線偏光波。
アンテナ偏波
偏光平面波電磁場について理解できたので、アンテナの偏光は簡単に定義できます。
アンテナ偏波とは、アンテナの遠方界評価において、放射される電界の偏波を表すものです。そのため、アンテナはしばしば「直線偏波アンテナ」または「右旋円偏波アンテナ」として表記されます。
この単純な概念は、アンテナ通信において重要です。まず、水平偏波アンテナは垂直偏波アンテナとは通信できません。相反定理により、アンテナは送受信を全く同じように行います。したがって、垂直偏波アンテナは垂直偏波の電界を送受信します。そのため、垂直偏波アンテナから水平偏波アンテナに信号を送信しようとしても、受信はできません。
一般的に、互いに角度（）だけ回転した2つの直線偏波アンテナの場合、この偏波不整合による電力損失は偏波損失係数（PLF）で表されます。
したがって、2つのアンテナが同じ偏波であれば、放射される電子電界間の角度はゼロとなり、偏波の不一致による電力損失は発生しません。一方が垂直偏波で、もう一方が水平偏波の場合、角度は90度となり、電力は伝送されません。
注：スマートフォンを頭上で様々な角度に動かすことで、受信感度が向上する場合がある理由を説明します。携帯電話のアンテナは通常直線偏波になっているため、スマートフォンを回転させることで偏波に合わせることができ、受信感度が向上することがあります。
円偏波は多くのアンテナにとって望ましい特性です。両方のアンテナは円偏波であり、偏波不整合による信号損失の影響を受けません。GPSシステムで使用されるアンテナは右旋円偏波です。
ここで、直線偏波アンテナが円偏波を受信すると仮定します。同様に、円偏波アンテナが直線偏波を受信しようとすると仮定します。その結果生じる偏波損失係数はいくらでしょうか？
円偏波は実際には90度位相がずれた2つの直交する直線偏波であることを思い出してください。したがって、直線偏波（LP）アンテナは円偏波（CP）波の位相成分のみを受信します。そのため、LPアンテナの偏波不整合損失は0.5（-3dB）になります。これはLPアンテナをどの角度に回転させても変わりません。したがって、次のようになります。
偏波損失係数は、偏波効率、アンテナ不整合係数、アンテナ受信係数などと呼ばれることもあります。これらの名称はすべて同じ概念を指しています。
投稿日時：2023年12月22日
