AMSAT-HB ist Kollektivmitglied der USKA

E5.2 Polarisation

Einstiegsfrage:
Das Signal eines Satelliten wird während eines Überflugs plötzlich viel schwächer und kommt Sekunden später zurück. Liegt das an deinem Empfänger – oder an der Antenne?

Eine Funkwelle hat ein elektrisches Feld. Die Richtung, in der dieses Feld schwingt, heisst Polarisation.

Schwingt das Feld immer auf derselben Linie, ist die Welle linear polarisiert, zum Beispiel vertikal oder horizontal.

Dreht sich das Feld mit konstanter Stärke im Kreis, ist die Welle zirkular polarisiert. Je nach Drehsinn spricht man von rechtsdrehend (RHCP) oder linksdrehend (LHCP).

Animation: lineare und zirkulare Polarisation Blick in Ausbreitungsrichtung der Welle. Links schwingt die Spitze des elektrischen Feldvektors auf einer senkrechten Linie (linear vertikal). Rechts dreht sich der Feldvektor mit konstanter Länge im Kreis (zirkular). Darunter je eine Empfangsantenne mit dem Hinweis auf die Polarisationsverluste. linear (vertikal) Feldvektor schwingt auf einer Linie zirkular Feldvektor dreht sich im Kreis

Eigene Prinzipdarstellung: Blick in Ausbreitungsrichtung. Bei zirkularer Polarisation ist die Feldstärke in jeder Richtung gleich gross. Eine lineare Antenne fängt deshalb immer genau die Hälfte der Leistung ein (3 dB Verlust), egal wie sie gedreht ist.

Wie viel verlierst du bei falscher Polarisation?

Sende- und Empfangsantenne sollten gleich polarisiert sein. Sonst verlierst du Signal. Die Folie «Polarisationseffekte» nennt drei Fälle:

  • Gleiche Polarisation: kein Verlust.
  • Zirkular gegen linear: 3 dB Verlust, also die Hälfte der Leistung.
  • Komplett entgegengesetzt (vertikal gegen horizontal oder links- gegen rechtsdrehend): mehr als 20 dB Verlust. Das nennt man Kreuzpolarisation.

Zwischen den Extremen liegt der Fall zweier linearer Antennen, die um einen Winkel θ verdreht sind. Der Verlust beträgt dann −20 · log₁₀(cos θ). Bei 45° sind das 3 dB, bei 60° schon 6 dB.

Verlust je nach Polarisation von Sende- und Empfangsantenne

Sendeantenne Empfangsantenne Verlust Bemerkung
linear vertikal linear vertikal 0 dB gleiche Polarisation
linear vertikal linear horizontal > 20 dB Kreuzpolarisation
RHCP (rechtsdrehend) RHCP 0 dB gleicher Drehsinn
RHCP (rechtsdrehend) LHCP (linksdrehend) > 20 dB Kreuzpolarisation
zirkular linear (beliebig gedreht) 3 dB die lineare Antenne nimmt immer die Hälfte auf
linear linear, um Winkel θ verdreht −20 · log₁₀(cos θ) z. B. 45° → 3,0 dB; 60° → 6,0 dB

Werte aus Folie 10 «Operating» (Michael Lipp, HB9WDF). Theoretisch ist der Verlust bei Kreuzpolarisation unendlich; in der Praxis begrenzen Reflexionen und unvollkommene Antennen ihn auf Werte über 20 dB.

Warum der Satellit die Polarisation «verdreht»

Kleine Satelliten drehen sich oft langsam um ihre Achsen. Manche werden mit Magnetorquern am Erdmagnetfeld ausgerichtet, aber auch dann ändert sich ihre Lage zu dir während des Überflugs.

Sendet der Satellit linear und empfängst du linear, ändert sich der Winkel θ laufend. Das Signal schwankt dann stark. Das ist die Antwort auf die Einstiegsfrage.

Mit einer zirkularen Bodenantenne verlierst du gegenüber einem linearen Satelliten zwar konstant 3 dB. Dafür vermeidest du die tiefen Einbrüche.

Weitere Ursachen für Signalschwankungen, etwa Effekte in der Ionosphäre, behandelt Kapitel E4.

Jeder Satellit ist anders

Die Wahl der richtigen Antenne und ihrer Polarisation ist entscheidend. Nicht jeder Satellit hat dasselbe Antennensystem. Die Folie nennt drei Beispiele:

Nicht jeder Satellit hat dasselbe Antennensystem

Satellit Antennen Folge für den Empfang Status
SO-50 (SaudiSat-1C) zwei Antennen mit 90° Polarisationstrennung je nach Lage des Satelliten ist eine Antenne günstiger; das Signal schwankt (Fading) aktueller Betriebsstatus, AMSAT-Statusseite
AO-85 (Fox-1A) eine Antenne für VHF/UHF lineare Stabantenne: Fading, wenn der Satellit sich dreht Seit Dezember 2018 Sender wegen Batterieproblemen weitgehend abgeschaltet
FO-29 (JAS-2) zirkulare Antennenpolarisation mit zirkularer Bodenantenne gleichen Drehsinns kein Polarisationsverlust Januar 2026: Transponder instabil, nur zeitweise eingeschaltet. [PRÜFEN: aktueller Stand]

Satellitenstatus ändert sich laufend. Aktuelle Angaben: AMSAT-Statusseite und AMSAT News Service.

Manche Stationen können deshalb zwischen vertikal, horizontal, rechts- und linksdrehend umschalten. Dafür braucht es zwei Antennenebenen – und zwei Vorverstärker, die phasengleich arbeiten (E5.4).

Lineare Antennen, um den Winkel θ gegeneinander verdreht

L pol = − 20 · log 10 ( cos θ ) dB
  • L pol: Polarisationsverlust in dB
  • θ: Winkel zwischen den beiden linearen Polarisationsrichtungen in Grad
  • Beispiele: 0° → 0 dB; 30° → 1,25 dB; 45° → 3,0 dB; 60° → 6,0 dB; 84° → 19,6 dB; 90° → theoretisch unendlich, praktisch über 20 dB

Zirkular gegen linear

L pol = 10 · log 10 ( 2 ) ≈ 3 dB
  • Die lineare Antenne nimmt nur eine der beiden gleich grossen Feldkomponenten auf, also die halbe Leistung.

Simulator-Aufgabe: Polarisationsverlust ablesen

Im Simulator [LINK: Simulator] kannst du die Polarisation von Satelliten- und Bodenantenne einstellen. Trage die Werte der Tabelle der Reihe nach ein und lies jeweils den Polarisationsverlust in den Messwerten ab.

Richtwerte: gleiche zirkulare Polarisation 0 dB, zirkular gegen linear 3 dB.

Simulator-Aufgabe: Polarisation der Bodenantenne umschalten

Nr. Schritt / Feld im Simulator Wert Erwartetes Ergebnis (Messwert «Polarisationsverlust Down») Toleranz
1 Schritt 1 «Orbit wählen»: Preset LEO – –
2 Schritt 3 bzw. Kaskade «Satellit Transponder»: TX-Antenne, Polarisation zirkular – –
3 Kaskade Downlink: «Downlink-Antenne», Polarisation zirkular (gleicher Drehsinn wie Satellit) 0,0 dB ± 0,2 dB
4 Kaskade Downlink: «Downlink-Antenne», Polarisation Linear Vertikal 3,0 dB ± 0,2 dB
5 Kaskade Downlink: «Downlink-Antenne», Polarisation Linear Horizontal 3,0 dB ± 0,2 dB
6 Satellit TX-Antenne auf Monopol (linear), Bodenantenne Linear Vertikal; Zeitraffer laufen lassen – Verlust schwankt mit der Lage des Satelliten zwischen etwa 0 dB und über 20 dB qualitativ

Sollwerte aus den Formeln berechnet, im Simulator zu prüfen. [PRÜFEN: genaue Feld- und Messwertnamen in der aktuellen Simulator-Version]

Kontrollfrage: In Zeile 6 schwankt der Polarisationsverlust stark. Warum bleibt er in Zeile 4 konstant bei 3 dB, obwohl sich der Satellit genauso dreht?

Lösung anzeigen

Weil der Satellit in Zeile 4 zirkular sendet. Ein zirkulares Feld ist in jeder Richtung gleich gross. Die lineare Bodenantenne nimmt deshalb unabhängig von der Lage des Satelliten immer die Hälfte der Leistung auf. In Zeile 6 sind beide Antennen linear: Ihr Winkel zueinander ändert sich laufend, also auch cos θ und damit der Verlust.

Merksatz:
Gleiche Polarisation: 0 dB. Zirkular gegen linear: 3 dB. Kreuzpolarisation (V–H oder links–rechts): mehr als 20 dB.

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