Polarisation

Polarisationen beskriver åt vilket håll radiovågens elektriska fält svänger. Här går vi igenom linjär, cirkulär och elliptisk polarisation, vad som händer när sändare och mottagare inte matchar, och varför mobilmaster, tv-antenner och GPS väljer olika.

Fördjupning16 min läsningGranskad 24 oktober 2026

Innehåll

Vad är polarisation?
Linjär polarisation
Cirkulär och elliptisk polarisation
Polarisationsförluster
1. Kombinationer av polarisationer
Vilken polarisation används och varför?
Polarisation och utbredning
1. Markvåg och markreflektion
2. Jonosfär och Faraday-rotation
Praktiska råd
Kontrollfrågor

En radiovåg består av ett elektriskt och ett magnetiskt fält som svänger vinkelrätt mot färdriktningen. Polarisationen anger åt vilket håll det elektriska fältet svänger och hur den riktningen ändras med tiden. Det låter som en detalj, men det avgör om en antenn tar emot en signal med full styrka eller nästan inte alls, och varför en mobilmast, en tv-antenn på taket och en GPS-mottagare är byggda på helt olika sätt.

I korthet

Polarisationen är hur det elektriska fältets riktning svänger. En vertikal antenn ger vertikal polarisation, en horisontell antenn ger horisontell.
Den kan vara linjär (fältet svänger fram och tillbaka längs en linje), cirkulär (fältet roterar runt) eller elliptisk (allmänt fall).
Sändare och mottagare bör ha samma polarisation. Mellan två linjära antenner som är vridna vinkeln $ψ$ mot varandra blir förlusten $20 \log_{10} | \cos ψ |$ dB: 3 dB vid 45°, 6 dB vid 60° och i teorin oändlig vid 90°.
Mellan en cirkulär och en linjär antenna är förlusten alltid 3 dB, oavsett hur den linjära antennen är vriden.
Marken, jonosfären och regn kan ändra polarisationen längs vägen. Därför används cirkulär polarisation för satellit och navigation, medan mobilnät och radiolänkar utnyttjar två polarisationer för diversitet och högre kapacitet.

Vad är polarisation?#

I en radiovåg ligger det elektriska fältet $𝐄$ och det magnetiska fältet $𝐇$ i ett plan som är vinkelrätt mot färdriktningen (se Elektromagnetiska vågor). Vågens polarisation är definierad av $𝐄$ . Om du tänker dig att du tittar rakt längs vågens färdriktning ser du fältet som en pil som växer, vänder och krymper i takt med frekvensen. Spetsen på pilen ritar en kurva, och formen på den kurvan är polarisationen.

Antennens utformning bestämmer polarisationen. Strömmen i en lodrät tråd skapar ett lodrätt elektriskt fält, och strömmen i en vågrät tråd ett vågrätt. På en ordinär antenn ser man därför ofta polarisationen direkt på antennen: elementen är lodräta eller vågräta. Hur en antenn gör det beskrivs i Så fungerar en antenn och Dipol och monopol.

Linjär polarisation#

Vid linjär polarisation svänger fältet fram och tillbaka längs en rät linje. Är linjen lodrät kallas polarisationen vertikal, och är den vågrät kallas den horisontell. Linjen kan också luta, och en lutande polarisation anges som vinkel, till exempel ±45° ("slant"). Vertikal och horisontell definieras alltid relativt jordytan.

Två linjära polarisationer som ligger i 90° vinkel mot varandra, till exempel vertikal och horisontell, kallas ortogonala. De störs i princip inte av varandra, vilket gör att samma frekvens kan användas för två olika signaler (se nedan).

Cirkulär och elliptisk polarisation#

Antag att två linjära vågor, en vertikal och en horisontell, färdas i samma riktning. Om de har lika stor amplitud och är förskjutna en kvarts period i tid (90° i fas) roterar summan av deras fält runt en cirkel: cirkulär polarisation. Fältet har samma styrka hela tiden men vrids ett helt varv per period. Är amplituderna olika eller fasskillnaden något annat än 90° blir banan en ellips: elliptisk polarisation. Linjär och cirkulär polarisation är specialfall av den elliptiska.

Cirkulär polarisation finns i två varianter. Man tittar i den riktning vågen färdas (från sändaren mot mottagaren). Roterar fältet då medurs är polarisationen högercirkulär (eng. RHCP, right-hand circular polarization) och roterar det moturs är den vänstercirkulär (LHCP). Det är IEEE-definitionen, som också används inom radio och satellit: tummen på höger hand pekar i färdriktningen och fingrarna visar rotationen vid högercirkulär polarisation.¹ Inom optiken används den motsatta konventionen, så det är viktigt att veta vilken som avses.

Figur 1 visar hur spetsen på fältvektorn rör sig i de olika fallen.

Figur 1. Polarisationstyper, sett i färdriktningen (från sändaren). Linjär polarisation är en linje, cirkulär en cirkel och elliptisk en ellips. Pilen visar rotationsriktningen: medurs är högerhänt och moturs vänsterhänt enligt IEEE-konventionen.

Hur lång och smal ellipsen är anges med axialförhållandet (eng. axial ratio, AR), kvoten mellan ellipsens långa och korta axel, vanligen i dB:

A R = 20 \log_{10} \frac{a_{l å n g}}{a_{k o r t}} d B

Perfekt cirkulär polarisation har AR = 0 dB, och en linjär polarisation har oändligt stort AR. Antenner som ska vara cirkulära specificeras i praktiken med ett högsta AR på några dB. En cirkulär antenn byggs till exempel som en spiral (helix), som två korslagda dipoler matade med 90° fasskillnad eller som en patchantenn med två matningspunkter.

där $δ$ är fasskillnaden. Polarisationen är linjär om $δ = 0$ eller $180 °$ . Är $E_{1} = E_{2}$ och $δ = + 90 °$ roterar fältet medurs sett i färdriktningen (med $x$ åt höger och $y$ uppåt), vilket är högercirkulär polarisation. Med $δ = - 90 °$ roterar det moturs: vänstercirkulär. Alla andra fall ger en ellips.

En elliptisk våg kan också skrivas som summan av en högercirkulär och en vänstercirkulär våg med olika amplituder. Förhållandet mellan dem bestämmer ellipsen: om axialförhållandet som linjär kvot är $r$ blir förhållandet mellan den svagare och den starkare cirkulära komponenten $(r - 1) / (r + 1)$ .

Polarisationsförluster#

En antenn tar bara emot den del av vågen som har samma polarisation som antennen själv. Resten går förlorad. För två linjära antenner som är vridna vinkeln $ψ$ mot varandra är det den komponent av fältet som ligger längs mottagarantennen som räknas, och den är $\cos ψ$ gånger fältet. Effekten är kvadraten på det, så

P L F = \cos^{2} ψ ⟺ L_{p o l} = 20 \log_{10} | \cos ψ | d B

Förlusten är liten för små vinklar och växer snabbt nära 90°. Figur 2 (vänster) visar kurvan, och tabell 1 några värden.

Tabell 1. Polarisationsförlust mellan två linjära antenner som är vridna vinkeln $ψ$ .

Vinkel $ψ$	$\cos^{2} ψ$	Förlust
0°	1	0 dB
10°	0,970	0,13 dB
20°	0,883	0,54 dB
30°	0,750	1,25 dB
45°	0,500	3,01 dB
60°	0,250	6,02 dB
75°	0,067	11,7 dB
80°	0,030	15,2 dB
85°	0,0076	21,2 dB
89°	0,0003	35,2 dB
90°	0	i teorin oändlig

Vid 90° vinkel (vertikal mot horisontell) är förlusten i teorin oändlig, men i verkligheten blir den begränsad. Antennerna sänder och tar upp också lite av den ortogonala polarisationen (korspolarisation), och reflektioner i omgivningen vrider på vågen. Mätt i fri sikt brukar skillnaden mellan samma och korsade polarisationer vara tiotals dB, men den beror starkt på antenner och omgivning.

Figur 2. Vänster: polarisationsförlusten mellan två linjära antenner följer 20·log|cos ψ| och är 3 dB vid 45°. Streckad linje: cirkulär mot linjär ger alltid 3 dB. Höger: hur långt under huvudpolarisationen den oönskade cirkulära komponenten ligger beroende på antennens axialförhållande (kurvan begränsad till 50 dB).

Kombinationer av polarisationer#

För cirkulär polarisation gäller att sändare och mottagare ska ha samma vridningsriktning. En högercirkulär antenna tar emot en högercirkulär våg med full styrka och i teorin ingenting av en vänstercirkulär. Tar en linjär antenna emot en cirkulär våg förlorar den hälften av effekten, 3 dB, eftersom en cirkulär våg kan ses som två lika starka linjära komponenter och antennen bara fångar den ena.

Tabell 2. Förlust för vanliga kombinationer av sändar- och mottagarpolarisation.

Sändare	Mottagare	Förlust
Vertikal	Vertikal	0 dB
Vertikal	Horisontell	tiotals dB (i teorin oändlig)
Vertikal	Lutande 45°	3 dB
Lutande +45°	Lutande −45°	tiotals dB (i teorin oändlig)
Högercirkulär	Högercirkulär	0 dB
Högercirkulär	Vänstercirkulär	stor (begränsas av axialförhållandet)
Cirkulär	Linjär (valfri vinkel)	3 dB

Reflektioner ändrar ofta vridningsriktningen. En högercirkulär våg som studsar mot mark eller vatten blir i de flesta fall vänstercirkulär. Det utnyttjas i satellitnavigering, där GPS-satelliterna sänder högercirkulärt och mottagarens högercirkulära antenn därför dämpar signaler som har studsat en gång mot omgivningen (se Satellitnavigering).²

Ett mått på hur väl en cirkulär antenn undertrycker fel vridningsriktning är axialförhållandet. Om den linjära kvoten är $r$ ligger den oönskade komponenten $(r - 1) / (r + 1)$ gånger amplituden under den önskade, vilket högra diagrammet i figur 2 visar. Antenner med AR 3 dB har en oönskad komponent som är 15,3 dB under den önskade.

Tabell 3. Axialförhållande och nivån på den oönskade cirkulära komponenten.

Axialförhållande	Oönskad komponent relativt önskad
0,5 dB	−30,8 dB
1 dB	−24,8 dB
2 dB	−18,8 dB
3 dB	−15,3 dB
6 dB	−9,6 dB

Måttet för hur väl en kanal håller isär två ortogonala polarisationer kallas korspolarisationsdiskriminering (XPD, eng. cross-polarization discrimination): förhållandet i dB mellan den önskade polarisationens signal och den oönskade polarisationens signal vid mottagaren. Det är viktigt för system som återanvänder frekvenser, se nedan.

Vilken polarisation används och varför?#

Att tjänster väljer olika polarisationer har praktiska skäl: hur antennerna ser ut, hur terminalerna hålls, vilken utbredning som gäller och om man vill återanvända frekvenser.

Tabell 4. Vanlig polarisation hos några tjänster.

Tjänst	Vanlig polarisation	Skäl
Mellan- och långvågsrundradio	Vertikal	Markvågen dämpas mycket snabbare vid horisontell polarisation
Flygradio (VHF), marin VHF, handapparater	Vertikal	Piskantenner är enkla och rundstrålande i horisontalplanet
Amatörradio VHF/UHF	Horisontell för SSB och CW, vertikal för FM och repeatrar	Bandplanernas konvention, så att stationer matchar varandra
Marksänd tv	Ofta horisontell	Takantenner av Yagi-typ sitter horisontellt. Störningar från fordonständning är ofta mer vertikala
FM-radio	Vertikal, horisontell eller blandad	Blandad polarisation når både bilantenner (vertikala) och takantenner
Mobilnät, basstationer	Ofta ±45° med två polarisationer	Handapparater hålls i alla vinklar, och två polarisationer ger diversitet och MIMO
GNSS	Högercirkulär	Tål att satelliten och mottagaren vrids, och dämpar reflektioner
Satellit-tv (geostationär)	Linjär, vertikal och horisontell	Två polarisationer dubblerar kapaciteten på samma frekvens
Väderradar	Både horisontell och vertikal (dubbelpolarisation)	Skillnaden mellan polarisationerna avslöjar nederbördens form
Radiolänk	Vertikal och/eller horisontell	Parvis användning av båda polarisationerna fördubblar kapaciteten (XPIC)

Några av dessa i detalj:

Handapparater och mobil. En telefon eller handradio hålls i alla möjliga vinklar, och antennen är dessutom ofta inbyggd och dåligt orienterad. Därför bygger basstationen på polarisationsdiversitet: två antenner med ortogonala polarisationer (±45°) i samma hölje. Om en signal är svag i den ena brukar den vara bättre i den andra. Samma idé används för MIMO i 5G, se Gruppantenner, lobformning och MIMO.

Satellit-tv och radiolänk. Ortogonala polarisationer störs i princip inte av varandra, så en satellit kan sända två olika signaler på samma frekvens, en vertikal och en horisontell. Mottagarparabolens matarhorn väljer polarisation, ofta via matningsspänningen till LNB:n (lågbrusblocket). På radiolänkar används samma teknik, och vid cirkulär polarisation kan på motsvarande sätt höger- och vänstercirkulär återanvändas. Regn kan dock förvandla en del av den ena polarisationen till den andra, och det är en gräns för hur tätt man kan packa trafiken (se Mikrovåg och millimetervåg: regn och atmosfär).

Tv och FM. I Europa har marksänd tv traditionellt sänts horisontellt, och takantennerna monteras därför med vågräta element. Ett vanligt argument är att många radiostörningar från fordon och maskiner är vertikalt polariserade, så en horisontell antenn störs mindre. För FM-radio, som tas emot både på tak och i bilar med vertikal piskantenn, används ofta en blandad eller cirkulär polarisation så att båda fungerar. Polarisationen bestäms för varje enskild sändare och varierar, så uppgifterna här är typiska exempel och inte regler.

Amatörradio. För trafik med svaga signaler (SSB och CW) på VHF och UHF är horisontell polarisation praxis, medan FM och repeatrar använder vertikal. Det betyder att en amatör som vill köra både FM och SSB på 2 m ofta har två antenner, eller en antenn som kan vridas. Se Amatörbanden och bandplaner.

Polarisation och utbredning#

Markvåg och markreflektion#

För låga frekvenser, där vågen följer jordytan som en markvåg, är vertikal polarisation helt avgörande: horisontellt polariserade fält kortsluts av den ledande marken och försvinner efter några kilometer. Därför är rundradiomasterna på lång- och mellanvåg vertikala (se Markvåg och utbredning på låga frekvenser).

På VHF och UHF reflekteras vågen mot marken, och hur mycket beror på polarisationen och på infallsvinkeln mot marken. Figur 3 visar beloppet av reflektionskoefficienten $| Γ |$ vid 145 MHz för genomsnittlig mark ( $ε_{r} = 15$ , konduktivitet $0,005$ S/m) och för havsvatten ( $ε_{r} = 70$ , $5$ S/m).³

Figur 3. Markreflektion vid 145 MHz för horisontell (H) och vertikal (V) polarisation över genomsnittlig mark och havsvatten. Horisontell polarisation reflekteras nästan fullständigt vid låga vinklar. Vertikal polarisation har ett minimum vid pseudo-Brewster-vinkeln (14,5° över mark), där nästan ingen reflektion sker.

Två saker syns tydligt. För det första reflekteras horisontellt polariserade vågor nästan helt vid låga vinklar ( $| Γ | \approx 0,99$ vid 1° över mark) och med fasvridningen 180°. Det ger kraftiga lober och nollor i antennens vertikaldiagram när antennen sitter ovanför marken (se Dipol och monopol). För det andra har vertikalt polariserade vågor ett minimum, pseudo-Brewster-vinkeln, där marken knappt reflekterar alls. Över genomsnittlig mark ligger den vid ca 14,5° med $| Γ_{V} | < 0,01$ , och över hav vid ca 2,3° där $| Γ_{V} | \approx 0,38$ . Vid andra vinklar är skillnaden mindre. Över havet reflekteras vertikalt polariserade vågor betydligt svagare än horisontella vid låga vinklar, så flervägseffekterna blir mindre. Den vertikala polarisationen är också den som de vanliga piskantennerna på fartyg ger.

Jonosfär och Faraday-rotation#

När en radiovåg passerar jonosfären (se Jonosfären) vrids dess polarisation av jordens magnetfält. Fenomenet kallas Faraday-rotation. Vridningen blir

Ω \approx \frac{2,365 \cdot 10^{4} B_{∥} T E C}{f^{2}} rad

där $B_{∥}$ är jordmagnetfältets komponent längs vägen (i tesla), TEC det totala elektroninnehållet längs vägen (elektroner per kvadratmeter) och $f$ frekvensen i Hz.⁴ Vridningen är omvänt proportionell mot frekvensen i kvadrat. TEC mäts ofta i TEC-enheter (1 TECU = $10^{16}$ elektroner/m²).

Resultatet visas i figur 4. På 145 MHz roterar polarisationen flera varv och ändras dessutom med TEC, så en linjär mottagarantenn kan få en signal som varierar kraftigt, ned mot ingenting. Det är anledningen till att amatörer använder cirkulär polarisation för satellitkontakter på 2 m och 70 cm. En cirkulär våg förblir cirkulär med samma vridningsriktning vid Faraday-rotationen, bara fasen ändras. På mikrovågsfrekvenser över några GHz är rotationen så liten att linjär polarisation fungerar bra, som i satellit-tv.

Figur 4. Faraday-rotationen i jonosfären som funktion av frekvensen för 20 och 50 TECU, med B∥ = 40 µT (komponent av jordmagnetfältet längs vägen). Den avtar med frekvensen i kvadrat och blir försumbar över några GHz. Vid 145 MHz är rotationen flera varv.

Faraday-rotation påverkar också hur kortvågen ter sig. Skywave-signalen delas dessutom i två vågtyper (ordinarie och extraordinär) med olika polarisation, och resultatet vid mottagaren är i praktiken en slumpmässig polarisation som varierar. Därför spelar det mindre roll om en HF-antenn är horisontell eller vertikal när signalen färdats via jonosfären, och hur väl den fungerar bestäms i stället av strålningsvinkel och omgivning.

Praktiska råd#

Kontrollfrågor#

Vilken polarisation har en lodrät piskantenn, och vad händer med signalen om mottagarens antenn är horisontell?

Antennen ger vertikal polarisation. Mot en horisontell mottagarantenn blir förlusten i teorin oändlig (90° vinkel) och i praktiken tiotals dB på grund av korspolarisation och reflektioner.

Hur stor är polarisationsförlusten om två linjära antenner är vridna 45° mot varandra?

$20 \log_{10} \cos 45 ° = 20 \log_{10} 0,707 = - 3,01$ dB. Hälften av effekten går förlorad.

Vad är förlusten mellan en cirkulär och en linjär antenna, och varför?

3 dB oavsett hur den linjära antennen är vriden. En cirkulär våg motsvarar två lika starka ortogonala linjära komponenter, och den linjära antennen tar bara emot den ena.

En GPS-mottagare har en antenn med axialförhållandet 3 dB. Hur långt under den önskade komponenten ligger den oönskade (vänstercirkulära)?

Axialförhållandet 3 dB motsvarar kvoten $r = 10^{3 / 20} = 1,41$ . Den oönskade komponenten är $(r - 1) / (r + 1) = 0,171$ gånger den önskade, alltså $- 20 \log_{10} 0,171 = 15,3$ dB under.

Varför är mellan- och långvågssändare vertikala?

Vid låga frekvenser följer vågen jordytan som markvåg. Den vertikala polarisationen dämpas långsammare av den ledande marken, medan horisontellt polariserade fält kortsluts och försvinner. Rundradiomasterna är därför vertikala.

Varför är cirkulär polarisation vanligt i satellitlänkar på VHF/UHF men inte på 10 GHz?

Faraday-rotationen avtar med $1 / f^{2}$ . På 145 MHz roterar polarisationen flera varv och en linjär antenna får en signal som varierar, medan rotationen på 10 GHz bara är en bråkdel av en grad. En cirkulär våg tål rotationen, så den är fördelaktig på de lägre frekvenserna. På mikrovåg går det bra med linjär polarisation.

Beräkna Faraday-rotationen på 435 MHz för TEC = 20 TECU och

B_{∥} = 40 μ

$Ω = 2,365 \cdot 10^{4} \cdot 4 \cdot 10^{- 5} \cdot 2 \cdot 10^{17} / (435 \cdot 10^{6})^{2} = 1,89 \cdot 10^{17} / 1,89 \cdot 10^{17} \approx 1,0$ rad ≈ 57°.

IEEE Std 145 (definitioner av antennbegrepp): högerhänt (medurs) polarisation sett i vågens färdriktning. Den optiska konventionen definierar vridningsriktningen sett mot sändaren och blir därför den omvända. GPS L1-signalen anges som högercirkulärt polariserad i IS-GPS-200. ↩
Reflektion mot en slät yta vänder i de flesta fall vridningsriktningen hos en cirkulär våg. Nära strykande infall (mycket låga elevationsvinklar) kan en elliptisk våg med oförändrad vridningsriktning uppstå. Se Balanis, Antenna Theory, för reflektionsformlerna. ↩
Fresnels reflektionskoefficienter för plan mark, med komplex permittivitet $ε_{c} = ε_{r} - j σ / (ω ε_{0})$ . Typiska värden för genomsnittlig mark ( $ε_{r} = 15$ , $σ = 0,005$ S/m) och havsvatten ( $ε_{r} = 70$ , $σ = 5$ S/m) finns i ITU-R P.527. Vågrät axel i figuren är vinkeln mellan strålen och marken. ↩
Konstanten $2,365 \cdot 10^{4}$ gäller med $B_{∥}$ i tesla, TEC i elektroner per m² och $f$ i Hz, och ger vridningen i radianer. Se ITU-R P.531 för TEC-modeller och Faraday-rotation i satellitlänkar. ↩