Polarisasi sirkular

Dalam elektrodinamika, polarisasi sirkular gelombang elektromagnetik adalah keadaan polarisasi di mana, pada setiap titik, medan elektromagnetik gelombang memiliki besaran konstan dan berputar dengan laju konstan pada bidang yang tegak lurus terhadap arah gelombang.

Vektor medan listrik dari gelombang elektromagnetik terpolarisasi melingkar yang bergerak. Gelombang ini terpolarisasi melingkar searah jarum jam (right-hand/clockwise) sebagaimana didefinisikan dari sudut pandang sumber, atau terpolarisasi melingkar berlawanan arah jarum jam (left-hand/counter-clockwise) jika didefinisikan dari sudut pandang penerima.

Dalam elektrodinamika, kekuatan dan arah medan listrik ditentukan oleh vektor medan listriknya. Dalam kasus gelombang terpolarisasi sirkular, ujung vektor medan listrik, pada suatu titik tertentu dalam ruang, berhubungan dengan fase cahaya saat merambat melalui ruang dan waktu. Pada setiap saat, vektor medan listrik gelombang menunjukkan suatu titik pada heliks yang berorientasi sepanjang arah rambat. Gelombang terpolarisasi sirkular dapat berputar dalam salah satu dari dua kemungkinan: right-handed circular polarization (RHCP) di mana vektor medan listrik berputar dalam arah kanan terhadap arah rambat, dan left-handed circular polarization (LHCP) di mana vektor berputar dalam arah kiri.

Polarisasi sirkular merupakan kasus pembatas dari polarisasi elips. Kasus khusus lainnya adalah polarisasi linear yang lebih mudah dipahami. Ketiga istilah ini dicetuskan oleh Augustin-Jean Fresnel, dalam sebuah memoar yang dibacakan di hadapan Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis pada 9 Desember 1822. Fresnel pertama kali mendeskripsikan kasus polarisasi sirkular, tanpa menyebutkan namanya, pada tahun 1821.

Fenomena polarisasi muncul sebagai konsekuensi dari fakta bahwa cahaya berperilaku sebagai gelombang transversal dua dimensi.

Polarisasi sirkular terjadi ketika dua vektor komponen medan listrik ortogonal memiliki besaran yang sama dan berbeda fase tepat 90°, atau seperempat panjang gelombang.

Jenis Polarisasi

Tiga jenis polarisasi antena utama adalah Linear, Sirkular, dan Elips. Polarisasi linear melibatkan medan listrik yang berosilasi dalam satu garis lurus (baik vertikal maupun horizontal). Polarisasi sirkular menggambarkan gelombang yang medan listriknya berputar dalam lintasan heliks, dan dapat ke kanan atau ke kiri. Polarisasi elips adalah kombinasi linear dan sirkular, di mana medan listriknya mengikuti lintasan elips.

• Polarisasi linear terjadi ketika vektor medan listrik gelombang elektromagnetik berosilasi dalam satu bidang. Orientasi bidang ini dapat vertikal atau horizontal, menghasilkan dua keadaan polarisasi linear ortogonal.
  • Polarisasi Vertikal: Medan listrik berosilasi tegak lurus terhadap permukaan bumi.
  • Polarisasi Horizontal: Medan listrik berosilasi sejajar dengan permukaan bumi.
  • Polarisasi Miring: Suatu bentuk polarisasi linear di mana medan listrik membentuk sudut terhadap bidang horizontal dan vertikal.
• Polarisasi melingkar terjadi ketika vektor medan listrik gelombang elektromagnetik berputar dalam gerakan melingkar. Rotasi tersebut dapat searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam, menghasilkan dua keadaan polarisasi melingkar ortogonal.
  • Polarisasi Sirkular Kanan (RHCP): Medan listrik berputar searah jarum jam saat gelombang bergerak maju.
  • Polarisasi Sirkular Kiri (LHCP): Medan listrik berputar berlawanan arah jarum jam saat gelombang bergerak maju.
• Polarisasi elips merupakan generalisasi dari polarisasi linear dan melingkar, di mana vektor medan listrik menelusuri lintasan elips. Polarisasi elips dapat dicirikan oleh rasio aksialnya, yaitu rasio sumbu mayor terhadap sumbu minor elips.

Transmisi radio

Semua antena radio (dan gelombang mikro) yang digunakan untuk transmisi atau penerimaan terpolarisasi secara intrinsik. Antena-antena ini memancarkan (atau menerima sinyal dari) polarisasi tertentu, dan sama sekali tidak sensitif terhadap polarisasi yang berlawanan; dalam kasus tertentu, polarisasi tersebut merupakan fungsi arah. Sebagian besar antena secara nominal terpolarisasi linier, tetapi polarisasi elips dan sirkuler juga dimungkinkan. Dalam kasus polarisasi linier, jenis penyaringan yang sama seperti yang dijelaskan di atas dimungkinkan. Dalam kasus polarisasi elips (polarisasi sirkuler pada kenyataannya hanyalah jenis polarisasi elips di mana panjang kedua faktor elastisitasnya sama), penyaringan pada satu sudut (misalnya 90°) hampir tidak akan berdampak karena gelombang dapat berada pada salah satu dari 360 derajat tersebut kapan saja.

Sebagian besar antena terpolarisasi linier. Bahkan, dapat ditunjukkan dari pertimbangan simetri bahwa antena yang terletak sepenuhnya pada bidang yang juga mencakup pengamat, hanya dapat terpolarisasi searah dengan bidang tersebut. Hal ini berlaku untuk banyak kasus, sehingga memudahkan kita untuk menyimpulkan polarisasi antena tersebut pada arah perambatan yang diinginkan. Jadi, antena Yagi atap atau antena log-periodik dengan konduktor horizontal, jika dilihat dari stasiun kedua ke arah cakrawala, sudah pasti terpolarisasi horizontal. Namun, "antena cambuk" vertikal atau menara siaran AM yang digunakan sebagai elemen antena (sekali lagi, untuk pengamat yang posisinya horizontal) akan memancarkan radiasi dalam polarisasi vertikal. Antena turnstile dengan keempat lengannya pada bidang horizontal juga memancarkan radiasi terpolarisasi horizontal ke arah cakrawala. Namun, ketika antena turnstile yang sama digunakan dalam "mode aksial" (ke atas, untuk struktur berorientasi horizontal yang sama), radiasinya terpolarisasi melingkar. Pada elevasi menengah, terpolarisasi elips.

Polarisasi penting dalam komunikasi radio karena, misalnya, jika seseorang mencoba menggunakan antena terpolarisasi horizontal untuk menerima transmisi terpolarisasi vertikal, kekuatan sinyal akan berkurang secara substansial (atau dalam kondisi yang sangat terkontrol, berkurang hingga nol). Prinsip ini digunakan dalam televisi satelit untuk menggandakan kapasitas kanal pada pita frekuensi tetap. Kanal frekuensi yang sama dapat digunakan untuk dua sinyal yang disiarkan dalam polarisasi yang berlawanan. Dengan menyesuaikan antena penerima untuk salah satu polarisasi, kedua sinyal dapat dipilih tanpa interferensi dari yang lain.

Terutama karena keberadaan tanah, terdapat beberapa perbedaan propagasi (dan juga pantulan yang menyebabkan ghosting TV) antara polarisasi horizontal dan vertikal. Radio siaran AM dan FM biasanya menggunakan polarisasi vertikal, sementara televisi menggunakan polarisasi horizontal. Terutama pada frekuensi rendah, polarisasi horizontal dihindari. Hal ini karena fase gelombang terpolarisasi horizontal terbalik setelah dipantulkan oleh tanah. Stasiun yang jauh di arah horizontal akan menerima gelombang langsung dan pantulan, yang dengan demikian cenderung saling meniadakan. Masalah ini dihindari dengan polarisasi vertikal. Polarisasi juga penting dalam transmisi pulsa radar dan penerimaan pantulan radar oleh antena yang sama atau berbeda. Misalnya, hamburan balik pulsa radar oleh tetesan air hujan dapat dihindari dengan menggunakan polarisasi melingkar. Sebagaimana refleksi spekular cahaya terpolarisasi melingkar membalikkan arah polarisasi, sebagaimana dibahas di atas, prinsip yang sama berlaku untuk hamburan oleh objek yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang seperti tetesan hujan. Di sisi lain, refleksi gelombang tersebut oleh objek logam tak beraturan (seperti pesawat terbang) biasanya akan menyebabkan perubahan polarisasi dan penerimaan (sebagian) gelombang balik oleh antena yang sama.

Polarisasi radar

Polarisasi, bersama dengan deskriptor amplitudo, waktu, frekuensi, fase, dan bearing sinyal radar, melengkapi informasi yang dapat diperoleh tentang target yang kembali pada radar monostatik. Pemanfaatan informasi tentang keadaan polarisasi gema melalui radar polarimetri saat ini menjadi subjek yang menarik, karena kemajuan teoretis dan teknologi, serta perkembangan aplikasi radar baru. Banyak teknik polarisasi, yang telah diusulkan dan dianalisis untuk meningkatkan kinerja radar, diulas dalam makalah ini untuk menilai potensi peningkatan yang dapat diberikannya dalam rasio sinyal terhadap gangguan, kemampuan deteksi target, diskriminasi dan resolusi target, serta klasifikasi dan identifikasi target. Beberapa hasil eksperimen terbaru yang berkaitan dengan aplikasi ini juga disajikan. Teknik-teknik yang ditekankan untuk kemampuan berbasis polarisasi yang tampaknya telah dinilai secara memadai, seperti pembatalan polarisasi adaptif terhadap gangguan, chaff, dan jamming, juga dikaji. Pemrosesan Doppler Polarisasi dari sinyal radar polarisasi ganda, aplikasi meteorologi, dan adaptasi polarisasi untuk deteksi target di ruang bebas juga dikaji.

Polarisasi dalam Komunikasi Satelit

Polarisasi mengacu pada orientasi vektor medan listrik gelombang elektromagnetik. Dalam komunikasi satelit, polarisasi digunakan untuk mengirimkan dan menerima sinyal dengan sifat tertentu, yang memungkinkan penggunaan spektrum frekuensi yang tersedia secara lebih efisien. Pentingnya polarisasi terletak pada kemampuannya untuk memungkinkan penggunaan kembali frekuensi, pemisahan sinyal, dan pengurangan interferensi, yang penting untuk sistem komunikasi satelit yang andal dan berkapasitas tinggi.

Konsep polarisasi telah dikenal sejak awal teori elektromagnetik. Namun, penerapannya dalam komunikasi satelit mulai mendapatkan perhatian pada tahun 1960-an dan 1970-an, dengan peluncuran satelit komersial pertama. Sejak saat itu, polarisasi telah menjadi aspek penting dalam desain sistem komunikasi satelit, dengan penelitian dan pengembangan yang berkelanjutan yang bertujuan untuk meningkatkan pemanfaatannya.

Ada beberapa keunggulan utama polarisasi sirkular dibandingkan polarisasi linier, yang membuatnya lebih menarik untuk kondisi atmosfer. Kondisi ini dapat menyebabkan perubahan rotasi sinyal, dan akan berdampak lebih buruk pada polarisasi linier dibandingkan polarisasi sirkular. Efek sinyal frekuensi tinggi yang melewati hujan dapat menyebabkan atenuasi sinyal dan menjadi penyebab sebagian besar masalah redaman hujan. Awan yang mengandung kelembapan juga merupakan faktor; saat sinyal melewati sistem awan, atenuasinya dapat mencapai 1 dB. Tetesan air pada corong umpan juga dapat menyebabkan efek yang merugikan. Namun, aspek terpenting yang perlu diperhatikan adalah frekuensi yang lebih tinggi (seperti Ku-Band) terdegradasi lebih cepat, lebih keras, dan lebih lama daripada frekuensi yang sama (C-Band).

• Satu-satunya persyaratan adalah memastikan antena diarahkan ke arah yang benar pada satelit; cukup arahkan dan pancarkan. Hal ini memungkinkan pengaturan umpan sirkular lebih cepat, dan risiko ketidaksejajaran lebih kecil.
• Keandalan tautan lebih tinggi karena risiko misalignment dan interferensi yang rendah. Efek Faraday tidak akan memengaruhi transmisi dengan pita-C melingkar, sehingga tidak perlu menyesuaikan ulang alignment. Terakhir, karena transmisi dikirim dan/atau diterima pada frekuensi yang berbeda, interferensi (polarisasi silang) tidak terlalu menjadi perhatian.
• Penggunaan kembali frekuensi adalah teknik yang digunakan untuk meningkatkan kapasitas sistem komunikasi satelit dengan menggunakan kembali pita frekuensi yang sama untuk beberapa sinyal. Polarisasi memainkan peran penting dalam penggunaan kembali frekuensi dengan memungkinkan sinyal dibedakan berdasarkan status polarisasinya. Dengan menggunakan status polarisasi ortogonal, sinyal dapat ditransmisikan dan diterima secara bersamaan pada pita frekuensi yang sama, sehingga secara efektif menggandakan kapasitas sistem.
• Pemisahan sinyal merupakan aplikasi penting lain dari polarisasi dalam komunikasi satelit. Dengan menggunakan status polarisasi yang berbeda, sinyal dapat dipisahkan dan diproses secara independen, mengurangi interferensi dan meningkatkan kinerja sistem secara keseluruhan.
• Polarisasi juga dapat digunakan untuk mengurangi interferensi dalam sistem komunikasi satelit. Dengan menggunakan status polarisasi ortogonal, interferensi dari satelit yang berdekatan atau sumber lain dapat diminimalkan. Misalnya, pertimbangkan skenario di mana dua satelit beroperasi dalam jarak dekat, mentransmisikan sinyal pada pita frekuensi yang sama. Dengan menggunakan status polarisasi ortogonal, interferensi antara kedua sinyal dapat dikurangi, sehingga meningkatkan rasio sinyal terhadap interferensi (SIR) secara keseluruhan.