Polarisatie – klein detail, groot effect

Als we het over antennes hebben, letten we vaak op frequentie, lengte of hoogte. Maar er is nog een andere “stille spelbreker” die bepaalt hoe efficiënt antennes koppelen ... en waarom signalen soms zonder duidelijke reden wegvallen: polarisatie.

Wat is polarisatie?

Polarisatie beschrijft de oriëntatie (en het tijdgedrag) van het elektrische veld (E-veld) van een radiogolf. In vrije ruimte staan het E-veld, het magnetische veld (H-veld) en de voortplantingsrichting allemaal loodrecht op elkaar ... precies zoals Maxwells vergelijkingen voorspellen.

De meeste HF-stations gebruiken lineaire polarisatie: verticals produceren (meestal) verticale polarisatie; horizontale dipolen produceren (meestal) horizontale polarisatie. Circulaire polarisatie is gebruikelijk waar de oriëntatie verandert of waar reflecties een grote rol spelen (satellieten, vliegtuigen, drones, sommige microgolflinks).

Ingenieurs kwantificeren polarisatie met Jones-vectoren (volledig gepolariseerde golven) of Stokes-parameters (I, Q, U, V) voor gedeeltelijk gepolariseerde golven ... een mooi raamwerk dat direct koppelt aan vermogen, lineaire hoek en circulaire “hand”.

Axiale ratio: hoe “circulair” is circulair?

Voor circulaire polarisatie spreken we over de axiale ratio (AR): een perfecte cirkel heeft AR = 1 (vaak uitgedrukt als 0 dB). Als AR groter wordt, wordt de golf “meer lineair”.

• Goede CP-zuiverheid: AR ≤ 3 dB (veelgebruikte ontwerptarget).
• Matige CP: AR rond 4–6 dB (werkt, maar met zwakkere discriminatie).
• Bijna lineair: AR ≫ 6 dB (het gedraagt zich grotendeels als een lineair signaal).

Lineair vs circulair (en wanneer elk uitblinkt)

Waarom is polarisatie belangrijk?

Koppeling en mismatchverlies (de “wiskunde die echt telt”)

Twee lineair gepolariseerde antennes die onderling met een hoek Δψ zijn misuitgelijnd, ondervinden een vermogensverlies dat bij benadering volgt uit cos²(Δψ). Daarom kan het draaien van een Yagi van horizontale naar verticale polarisatie (en omgekeerd) een sterk signaal drastisch verzwakken.

Let op: S-units zijn niet overal gelijk gekalibreerd. De klassieke “1 S-unit ≈ 6 dB” is een handig denkmodel ... geen natuurwet.

Lineair versus circulair: vuistregels

• Lineair ontvangen van een circulaire golf: gemiddelde koppeling ≈ 0.5 → ongeveer −3 dB (je “ontvangt” gemiddeld de helft van de golf).
• RHCP vs LHCP: idealiter geen koppeling (zeer sterke isolatie). In een echte toepassing beperken zuiverheid (AR), reflecties en pad-effecten die isolatie.

Fading en QSB zijn vaak “polarisatie-verschijnselen”

Op HF kunnen signalen via meerdere ionosferische paden aankomen, elk met een eigen polarisatie en fase. De resulterende veldsuperpositie aan de antenne kan daardoor constructief en destructief interfereren, wat zich uit als ... QSB.

Faraday-rotatie draait lineaire polarisatie

De ionosfeer gedraagt zich als een gemagnetiseerd plasma. Een lineair gepolariseerde golf splitst effectief in twee karakteristieke modes die zich verschillend voortplanten, waardoor het polarisatievlak tijdens de propagatie kan roteren.

• Belangrijk schaalgedrag: rotatie is doorgaans sterker bij langere golflengtes ... ruwweg evenredig met λ².
• Praktisch gevolg: Bij HF-skywave kan een “verticale” of “horizontale” polarisatie-aanname binnen enkele seconden onjuist worden.

Reflecties kunnen de handigheid (draairichting) omkeren

Bij reflectie op een goede geleider kan de handigheid van een circulair gepolariseerde golf omkeren (RHCP ↔ LHCP), met name bij bijna normale inval. In aanwezigheid van meerdere reflecties en schuine invalshoeken is de resulterende polarisatie niet eenduidig.

Diversiteit is de “cheatcode” voor stabiele ontvangst

Polarisatiediversiteit gebruikt twee antennes met verschillende polarisaties. Door het selecteren of combineren van de ontvangen signalen kan diepe fading worden voorkomen, waardoor marginale signalen vaak bruikbaar blijven.

NVIS & DX — Polarisatie in echte HF-paden

NVIS (Near-Vertical Incidence Skywave)

NVIS domineert korte-afstand HF-verbindingen (typisch 0–500 km) door energie vrijwel recht omhoog te sturen en na terugkaatsing te ontvangen. Deze “reflectie” is echter geen eenvoudige spiegel: de ionosfeer ondersteunt twee magneto-ionische modes die zich in veel gevallen gedragen als tegengestelde circulaire polarisaties (links- versus rechtsdraaiend).

Handigheid, hemisferen en de realiteit

Operators merken soms dat één circulaire “hand” op bepaalde momenten en locaties lijkt te domineren. Dat is niet louter anekdotisch: dit volgt rechtstreeks uit de magneto-ionische theorie, waarin de ionosfeer een HF-golf splitst in twee karakteristieke propagatiemodes met tegengestelde circulaire polarisatie. Dit gedrag is bovendien experimenteel bevestigd in NVIS- en HF-metingen.

In het werk van Ben Witvliet (PE5B) wordt deze LHCP/RHCP-scheiding expliciet gemeten en wordt polarisatiediversiteit toegepast om fading aantoonbaar te verminderen.

Zie dit daarom niet als “toeval”, maar ook niet als een vaste regel: welke hand langs een bepaald pad domineert kan omslaan door lokale tijd, geomagnetische activiteit, geografische positie, invalshoek en het aantal en type reflecties. Daarbij moet men bedenken dat LHCP en RHCP altijd worden gedefinieerd in de voortplantingsrichting van de golf, waardoor hemisfeer en geometrie mede bepalen wat een antenne daadwerkelijk “ziet”.

DX (lange ionosferische paden)

DX-signalen leggen duizenden kilometers af via meerdere schuine refracties en vaak meerdere hops. Na meerdere passages door verschillende ionosferische regio’s, gecombineerd met reflecties op land en oceaan, is de polarisatie vaak deels willekeurig: elliptisch, tijdvariërend en frequentieafhankelijk.

TX versus RX — Is er een verschil?

Zenden

• Vrij zicht (line of sight): stem de polarisatie van het systeem af op de toepassing. FM- en repeaterverbindingen gebruiken doorgaans verticale polarisatie; veel weak-signal SSB- en CW-opstellingen zijn daarentegen horizontaal gepolariseerd.
• HF-grondgolf / lage-hoek werk: erticals kunnen zeer effectief zijn, mits de locatie en het ruisniveau dit toelaten. In de praktijk is een slecht ontworpen antennesysteem vaak de beperkende factor, met name door onvoldoende choking en gebrekkige symmetrie.
• HF NVIS: een lage horizontale dipool (typisch op 0,1–0,25 λ hoogte) is een klassieke en effectieve keuze.
• HF-skywave in het algemeen: vga er niet van uit dat de uitgezonden polarisatie ongewijzigd aankomt; interactie met de ionosfeer roteert en mengt de polarisatie.

Ontvangen

• Vrij zicht (line of sight): polarisatiemismatch kan een stille beperkende factor zijn. Wanneer een signaal onverklaarbaar zwak is, loont het om eerst de polarisatie te controleren. Polarisatiediversiteit is vaak effectief om zwakke signalen stabiel te ontvangen, al bestaat er geen universele oplossing.
  
• HF-skywave: verwacht polarisatierotatie, depolarisatie en multipath. Veel operators houden rekening met een gemiddeld polarisatieverlies van enkele dB en geven daarom prioriteit aan ontvangers en antennes met een lage ruisvloer.
• NVIS (Near Vertical Incidence Skywave): juist bij NVIS is de polarisatie vaak extra variabel, doordat het pad steil door de ionosfeer loopt en de golf in twee magneto-ionische modes kan splitsen. Daardoor kan op een bepaald moment LHCP of RHCP domineren en later weer omslaan. In de praktijk blijkt polarisatiediversiteit (LH/RH) dan vaak de meest effectieve manier om stabiele ontvangst te verkrijgen. Dit voorkomt dat een lineair gepolariseerde antenne tijdelijk vrijwel orthogonaal staat ten opzichte van de polarisatie-ellips en in een diepe fade terechtkomt. Met echte LH/RH-diversity (selectie of combining) worden diepe wegvallers vaak gereduceerd tot korte, beperkte dips.
• Praktische trucs die werken: A/B-schakelen tussen een verticale en een horizontale antenne; gekruiste dipolen of lussen; of het gebruik van twee ontvangers met diversity combining wanneer ontvangststabiliteit een prioriteit is.
  

Bouwtips (en “waarom is mijn polarisatie raar?”)

• Balans van de voedingslijn telt: Ongewenste common-mode stromen kunnen de bedoelde polarisatie kantelen en het stralingspatroon vervormen. Gebruik correcte baluns en chokes, en controleer of er nog mantel- of retourstromen aanwezig zijn.
• Houd de antenne zoals ontworpen. Een “vertical” met de coax langs de straler, of een dipool zonder adequate choking, kan onbedoeld een gemengd gepolariseerde straler worden. Voldoende choking en het effectief meten van mantelstromen geven de grootste zekerheid over het gedrag van het antennesysteem.
• Grond-effecten zijn reëel. Bodemgeleiding en permittiviteit beïnvloeden reflectie en afstraalhoek. Kustlocaties kunnen zich fundamenteel anders gedragen dan landinwaarts, rotsachtige gebieden of slecht geleidende grond.
• Voor circulair gepolariseerde antennes: streef naar een axiale ratio (AR) ≤ 3 dB als goede RHCP/LHCP-discriminatie gewenst is. Een slechte AR maakt “circulair” al snel “bij benadering circulair”, waardoor het voordeel grotendeels verdwijnt.

• NEC (EZNEC, MMANA-GAL, NEC-4) zijn rekenhulpmiddelen — geen werkelijkheid. Ze leveren geen absolute waarheid, maar wel waardevolle inzichten in trends, verhoudingen en onderliggende mechanismen.

  Zie NEC als een kaart, niet als het terrein. Het helpt bij het maken van keuzes rond hoogte, lengte, voedingspunt, choking, radials, patroon en elevatiehoek. De echte wereld voegt echter altijd variabelen toe: grondgeleiding, nabijheid van gebouwen en leidingwerk, coax-routing en mantelstromen, materiaalverliezen, montagefouten en lokale ruisbronnen.

  De juiste aanpak is daarom: modelleren → bouwen → meten → bijsturen. Wanneer model en meting niet overeenkomen, is dat geen mislukking, maar precies de feedback die nodig is om het antennesysteem verder te verbeteren.

Een snelle stationstest

1. Kies een stabiel signaal: bijvoorbeeld een lokale bakenzender, repeater of een stabiel station op VHF/UHF (lijnzicht).
2. Verander polarisatie: draai een handheld, schakel van verticaal naar horizontaal, of roteer een kleine Yagi 90°.
3. Bekijk de dip: als je verschillen van ongeveer 6–20 dB ziet, speelt polarisatie duidelijk een rol (in combinatie met lokale multipath).
4. Herhaal nu op HF-skywave: hier zie je vaak schommelingen die niet direct “intuïtief” lijken. Dat is het gevolg van ionosferische effecten en multipath, die polarisaties en fasen voortdurend mengen.

Wetenschapsreferenties

• Lineaire mismatch: ontvangen vermogen ≈ cos²(Δψ).
  Voorbeeld: Δψ = 45° → ongeveer 3 dB verlies.
• Lineair versus circulair: gemiddelde koppeling ≈ 0.5 → ongeveer −3 dB.
• Tegengestelde circulaire hand: idealiter ≈ 0 koppeling; in reële systemen beperkt door axial ratio (AR), reflecties en het propagatiepad.
• Faraday-rotatie:  de rotatiehoek wordt vaak geschreven als ≈ RM × λ², met een sterker effect bij langere golflengtes.
• Algemeen (Stokes)-beeld: koppeling kan worden geschreven als 0.5 × (1 + inproduct van genormaliseerde polarisatievectoren). Dit is vooral nuttig wanneer golven slechts gedeeltelijk gepolariseerd zijn.

Definities

• E-veld: het elektrische component van de elektromagnetische golf. Ontvangstantennes zijn hier primair gevoelig voor.
• H-veld: het magnetische component van de elektromagnetische golf, loodrecht op het E-veld en de voortplantingsrichting.
• Lineaire polarisatie: het E-veld oscilleert in één vast vlak (bijvoorbeeld verticaal of horizontaal).
• Circulaire polarisatie (RHCP/LHCP): het E-veld roteert terwijl de golf zich voortplant, met een rechts- of linksdraaiende rotatiezin.
• Elliptische polarisatie: het algemene geval tussen lineair en circulair; zeer gebruikelijk na propagatie door reflecties en anisotrope media.
• Axiale ratio (AR): maat voor hoe dicht een golf of antenne bij perfecte circulaire polarisatie ligt; AR ≤ 3 dB geldt doorgaans als een goede praktische richtwaarde.
• QSB: fading op HF als gevolg van interferentie tussen meerdere propagatiepaden of modes, waardoor de signaalsterkte in de tijd varieert.
• Faraday-rotatie: ionosferisch effect waarbij het vlak van lineaire polarisatie tijdens propagatie roteert.
• NVIS (Near Vertical Incidence Skywave): korte-afstand HF-propagatie via vrijwel verticale uitstraling en ionosferische terugkaatsing.
• Diversiteit: thet gebruik van twee (of meer) verschillende antennes, vaak met verschillende polarisaties, om snelle variaties in ontvangststerkte te verminderen via signaalselectie of combining.

Er valt nog veel te ontdekken

Van de vroege magneto-ionische theorie tot moderne ionosferische modellering blijft polarisatie een actief en fascinerend onderwerp. Voor het dagelijkse radiowerk blijft de praktische vuistregel echter eenvoudig: bouw netjes, match de polarisatie wanneer het pad direct is, en ontwerp je HF-ontvangstsysteem voor de polarisatie die de natuur aanlevert — niet voor de polarisatie die je graag zou willen zien.

Polarisatie beschrijft de richting en tijdsevolutie van het elektrische veld van een golf. Ze bepaalt hoe efficiënt antennes koppelen en hoe en wanneer signalen vervagen. Op HF speelt polarisatie zeker een rol… maar de ionosfeer heeft vaak het laatste woord.

Interesse in meer technische content? Abonneer je op onze updates voor deep-dive RF-artikels en labnotities.

Vragen of ervaringen om te delen? Contacteer RF.Guru.