Polarisation von Antennen: waagerecht, senkrecht und über Kreuz

Was Polarisation beschreibt

Antennen hängen waagerecht oder senkrecht, und die Gegenstation entscheidet selbst, wie sie ihre aufbaut. Was passt zusammen, und was kostet ein Unterschied?

Im Fernfeld schwingen elektrisches und magnetisches Feld einer Funkwelle quer zur Ausbreitungsrichtung und quer zueinander. Die Polarisation beschreibt, welche Figur die Spitze des elektrischen Felds an einem festen Ort im Lauf der Zeit zeichnet^[1]. Benannt wird sie nach dem elektrischen Feld, nicht nach dem magnetischen.

Schwingt das elektrische Feld in einer festen Richtung hin und her, ist die Welle linear polarisiert. Schwingt es waagerecht, heißt sie horizontal polarisiert, schwingt es senkrecht, vertikal polarisiert. Das Magnetfeld steht jeweils quer dazu. Eine horizontal polarisierte Welle, die flach über dem Horizont läuft, hat also ein senkrecht schwingendes Magnetfeld und heißt trotzdem horizontal polarisiert.

Die Lage des Strahlers bestimmt das Feld

Im Fernfeld schwingt das elektrische Feld in Richtung des Stroms auf der Antenne, genauer im Anteil dieser Richtung, der quer zur Ausbreitungsrichtung liegt^[2]. Von der Gegenstation aus gesehen schwingt es deshalb in der Richtung, in der sie den Draht vor sich sieht, nicht quer zu ihm. Auf Höhe der Mitte eines senkrechten Dipols zeigt es senkrecht (Modul 3, Lektion 4).

Flach in der Hauptstrahlrichtung heißt das für die üblichen Antennen:

• Ein waagerechter Dipol strahlt quer zu seinem Draht horizontal polarisiert.
• Eine Groundplane und ein vertikaler Dipol strahlen vertikal polarisiert. Die Felder gegenüberliegender waagerechter Radials heben sich in der Ferne weitgehend auf (Modul 3, Lektion 1).
• Ein schräg gespannter Draht strahlt Anteile beider Polarisationen ab^[4].

In ihrer Hauptstrahlrichtung strahlen gerade Antennen wie Dipol oder Yagi in der jeweils anderen Polarisation kaum ab, das zeigen auch Cebiks Modellrechnungen^[7]. Abseits davon ändert sich mit dem Blick auf den Draht auch die Polarisation.

Quer zum Draht sieht eine Gegenstation einen waagerechten Dipol unter jedem Erhebungswinkel waagerecht vor sich, seine Welle ist dort horizontal polarisiert. Rückt sie in Richtung der Drahtenden und schaut sie steiler von oben, erscheint ihr der Draht kürzer und in einer anderen Richtung. Mit dieser Richtung ändert sich die Polarisation, und die Welle kommt dort schwächer an (12db-Rechnung, freier Raum).

Über Kreuz

Eine linear polarisierte Empfangsantenne nimmt den Anteil des ankommenden elektrischen Felds auf, der in ihrer Richtung schwingt. Ist $\psi$ der Winkel zwischen der Polarisation der Welle und der der Antenne, sinkt die aufgenommene Leistung auf den Anteil^[3]

$$p = \cos^2 \psi$$

Bei 45° kommt die halbe Leistung an, 3 dB weniger. Bei 90°, über Kreuz, wäre es theoretisch nichts mehr. Diese Lage heißt gekreuzte Polarisation.

Dasselbe Gesetz gilt für Licht hinter zwei Polarisationsfiltern, etwa den Gläsern zweier polarisierender Sonnenbrillen: Drehst du den zweiten Filter gegen den ersten, sinkt die Intensität dahinter mit $\cos^2$ des Winkels, über Kreuz wird es fast dunkel^[11]. Der Filter lässt den Anteil durch, der in seiner Richtung schwingt, die Antenne nimmt ihn auf.

In der Praxis kommt trotzdem etwas an. Auf UKW ist bei gekreuzter Polarisation mit 20 dB oder mehr Verlust zu rechnen^[4]. Das sind über drei S-Stufen, wenn das S-Meter die 6 dB je Stufe nach der Empfehlung R.1 der IARU Region 1 einhält^[9].

Wie viel ankommt, hängt vom Weg ab. Wo die Welle gebeugt und reflektiert wird, wird ein Teil ihrer Energie in die andere Polarisation gestreut.

Bei Messungen für den Landmobilfunk auf 900 MHz lag dieser Anteil in Stadt und Wohngebiet im Mittel 5 bis 8 dB unter dem ursprünglichen, im offenen Gelände mehr als 10 dB. Zu tieferen Frequenzen hin wächst der Abstand, bei 35 MHz auf rund 18 dB^[5]. Am meisten kostet gekreuzte Polarisation wahrscheinlich auf einer Sichtverbindung, einem direkten Weg ohne Hindernis zwischen beiden Antennen.

Ebenfalls 3 dB kostet eine Welle mit zirkularer Polarisation, deren elektrisches Feld sich um die Ausbreitungsrichtung dreht^[8]. Eine linear polarisierte Antenne nimmt von ihr in jeder Lage die halbe Leistung auf^[3]. Waagerecht gegen senkrecht ist dagegen ein Winkel von 90°.

Auf UKW nach der Betriebsart

Auf UKW, besonders auf 2 m, haben sich Gewohnheiten gebildet^[4]:

• FM über Relais und im Mobilbetrieb läuft meist vertikal polarisiert, weil senkrechte Antennen sich für Rundstrahlung und am Auto deutlich einfacher einsetzen lassen.
• Der übrige Betrieb auf 50 MHz und darüber läuft überwiegend horizontal polarisiert. Im 2-m-Band nutzen nach US-Angaben die meisten aktiven SSB-Stationen waagerechte Antennen^[10].
• Von Menschen erzeugte Störungen, besonders Zündfunken, sind horizontal tendenziell schwächer.

Örtlich kann das abweichen. Empfohlen wird, die übliche Polarisation vorher zu erfragen^[4].

Auf Kurzwelle über die Ionosphäre

Über die Raumwelle ist es anders. Im Plasma der Ionosphäre teilt das Erdmagnetfeld eine Welle in zwei gegensinnig polarisierte Anteile, die verschieden schnell laufen, die ordentliche und die außerordentliche Welle aus Lektion 5. Längs der Feldlinien sind beide nahezu zirkular, ihre gemeinsame Schwingrichtung dreht sich dann, die Faraday-Drehung^[6].

Wie stark die Drehung ist, hängt von der Elektronendichte ab, die über den Tag und über den Sonnenfleckenzyklus stark schwankt. Wie eine Kurzwelle nach der Ionosphäre polarisiert ist, lässt sich deshalb kaum vorhersagen^[6]. Bei der Gegenstation kann sie in einem Augenblick waagerecht, senkrecht oder dazwischen schwingen^[4].

Über die Ionosphäre müssen beide Stationen nicht gleich polarisiert sein, für eine DX-Antenne zählt ein flacher Abstrahlwinkel mehr als ihre Polarisation^[4] (Lektion 1). Die Polarisation deiner Antenne wirkt dort an anderer Stelle: Der Boden reflektiert waagerecht und senkrecht polarisierte Wellen verschieden^[8], das bestimmt den Abstrahlwinkel mit (Modul 3, Lektion 4).