S_2″ width=»» height=»» />,

Инструкции

Статьи и обзоры

Словарь терминов и сокращений по радиосвязи

Нормативные документы

Технические спецификации

Новости и пресс-релизы

Линейная поляризация

Направления электрического E и магнитного H полей в пространственной бегущей электромагнитной волне лежат в плоскости, перпендикулярной направлению движения волны.

Направления полей соответствуют «правилу буравчика»: при повороте от вектора Е, расположенного вертикально (ось Z) к вектору H, лежащему в горизонтальной плоскости (ось Y) продвижение буравчика совпадает с направлением распространения волны (вдоль оси X)

На рисунке электрическая составляющая поля во все моменты остается в вертикальной плоскости. Пространственная ориентация этой составляющей служит признаком свойства волн, называемого поляризацией. Волна, показанная в данном примере, называется вертикально поляризованной. В зависимости от способа получения волн, поляризация может быть также горизонтальной или наклонной. Если в процессе распространения волн поляризация не изменяется, то она называется линейной.

При отражении радиоволн от предметов и рассеянии на атмосферных аномалиях вектор поляризации может измениться.

Круговая (эллиптическая) поляризация. RHCP, LHCP

При распространении радиоволны в свободном пространстве конец вектора электрического поля описывает в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны эллипс — это эллиптическая поляризация.

При эллиптической поляризации существует некоторая комбинация вращательного и колебательного движений, а вектор электрического поля вычерчивает в пространстве эллипс. Эллиптическую поляризацию электромагнитной волны принято характеризовать коэффициентом эллиптичности поляризации, который определяется отношением длин большой и малой осей эллипса и выражается в децибелах. В крайних случаях, когда одна из осей равна 0 (вырожденный эллипс) — получаем линейную поляризацию. В случае равности осей — круговую (циркулярную).

Различают правую RHCP (righthand circular polarization) и левую LHCP (lefthand circular polarization) эллиптическую и круговую поляризацию. Поляризация – левая (конец вектора вращается по часовой стрелке) если смотреть навстречу лучу и правая — если вектор вращается против часовой стрелки.

Применение круговой поляризации

В отличии от линейной поляризации волны с круговой поляризацией не меняют вектор поляризаци проходя через рассеивающую среду. Отраженные паразитные волны наоборот — меняют направление вращения поляризации. Кроме того для приёма сигнала с круговой поляризацией не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн.

Особенность радиоволн с круговой поляризацией используют в случае, если антенны приемника и передатчика не могут быть сонаправлены. Это космическая связь, FPV-антенны, метки и приемники RFID. Круговая поляризация света используется также в технологиях стереокинематографа RealD и MasterImage.

6. Поляризация электромагнитных волн

До сих пор мы говорили об электромагнитной волне, вектор напряженности электрического поля которой имеет проекцию только на одну ось декартовой системы координат. Это означает, что рассматриваемая нами волна поляризована. Обсудим эту ситуацию еще раз.

Плоская электромагнитная волна распространяется вдоль оси z. При этом векторы напряженности поля ориентированы перпендикулярно направлению распространения, так как в свободном пространстве они не имеют продольных составляющих.

Поляризация электромагнитной волны определяется по вектору напряженности электрического поля

Пусть вектор напряженности электрического поля направлен вдоль оси х. Предположим, что в начале периода, при t = 0, его величина максимальна, то есть равна амплитуде, Е = Е₀. Значит, в течение первого полупериода модуль вектора будет уменьшаться до тех пор, пока через половину периода, при t = Т/2, не достигнет минимального значение, Е = —Е₀. В течение следующего полупериода модуль вектора будет возрастать и к концу полупериода, при t = Т, снова станет максимальным и равным амплитуде, Е = Е₀.

Как изменяется ориентация вектора напряженности электрического поля за период в нашем случае? Никак! В течение периода он изменяется только по модулю. Никакие другие изменения формулой (4.1) не предусмотрены. Такая поляризация электромагнитной волны называется линейной.

Линейной называется поляризация, при которой вектор напряженности электрического поля не изменяет направления

Если бы она не была поляризованной, вектор напряженности поля должен был бы иметь множество составляющих, равномерно распределенных по углу вокруг направления распространения.

Вектор напряженности электрического поля нашей линейно поляризованной волны колеблется в плоскости xz, образованной ортамих₀иz₀. То есть ортами вектора напряженности электрического поля и направления распространения. Эта плоскость называетсяплоскостью поляризации.

Рис. 6.1. Мгновенный снимок линейно поляризованной волны

У линейно поляризованной волны положение плоскости поляризации постоянно.

Изменение векторов напряженности электрического и магнитного полей линейно поляризованной волны в пространстве иллюстрирует рис. 6.1. Вектор напряженности электрического поля Е направлен вертикально, а вектор напряженности магнитного поля Н — горизонтально. Направление распространения волны показывает вектор Пойнтинга П. Во времени эта картинка будет перемешаться в направлении распространения с фазовой скоростью.

Электромагнитная волна с линейной поляризацией — это частный случай. В общем случае положение плоскости поляризации изменяется в течение периода. Для понимания этого рассмотрим волновой процесс, который является суммой двух плоских линейно поляризованных волн одинаковой частоты. Вектор напряженности электрического поля первой волны направим вдоль оси х, а второй – вдоль оси у. Следовательно, плоскость поляризации первой волны xz, а второй — yz.

Определим поляризацию получившейся волны. Для этого запишем формулы, описывающие складываемые волны. В фиксированной точке пространства имеем:

— амплитуда волны, вектор напряженности электрического поля которой направлен по оси х, В/м;

— фаза этой волны, рад;

— амплитуда волны, вектор напряженности электрического поля которой направлен по оси у, В/м;

β

— фаза этой волны, рад;

Эти волны необходимо сложить. Для упрощения задачи положим, что волны синфазны, то есть α = β. В результате получим:

Рис. 6.2. Сложение двух синфазных волн

Таким образом, в результате сложения двух линейно поляризованных синфазных волн мы получили новую линейно поляризованную волну. Ориентация вектора напряженности электрического поля суммарной волны постоянна, а в течение периода изменяется только его амплитуда.

Теперь рассмотрим сложение двух волн, сдвинутых по фазе. Величина сдвига фаз принципиального значения не имеет, поэтому для простоты положим его равным π/2. Это позволяет описать слагаемые волны следующими формулами:

При записи этих формул начальная фаза опущена, так как она не имеет значения, важен только сдвиг. Сдвиг фазы на π/2 учтен тем, что зависимость от времени напряженности поля второй волны описывается не косинусом, а синусом.

Рис. 6.3. Эллипс поляризации

Далее возведем оба равенства в квадрат и сложим. Получим:

Это — уравнение эллипса.Он изображен на рис. 6.3.Эллипс лежит в плоскости xy и вписан в прямоугольник со сторонами2E₁и2Е₂.Получилось, что за период конец суммарного вектора напряженности электрического поля описывает эллипс. Такую волну называют эллиптически поляризованной.

Эллиптической называется поляризация, при которой конец вектора напряженности поля за период описывает эллипс

Поляризация электромагнитной волны определяется по вектору напряженности электрического поля. Однако в этом определении пропущено слово «электрического». Это сделано потому, что в однородной среде, о которой мы говорим, характер изменений векторов напряженности электрического и магнитного полей во времени и пространстве одинаков. Конец вектора напряженности магнитного поля в эллиптически поляризованной волне также будет описывать эллипс. Более того, в определении можно опустить и слово «напряженность» потому, что в однородной среде векторы напряженностей поля и индукций направлены одинаково и изменяются во времени по одному закону. Если в среде есть потери, векторы напряженности электрического и магнитного поля будут сдвинуты по фазе, но характер их изменения будет одинаков.

В случае эллиптической поляризации вращаться будет и плоскость поляризации, совершая за период полный оборот.

В зависимости от соотношения между фазами слагаемых результирующий вектор может вращаться в разные стороны. Посмотрим на вектор напряженности электрического поля с конца оси z. На рис. 6.3 она направлена к нам. При заданном соотношении слагаемых результирующий вектор будет вращаться против часовой стрелки. Такая поляризация волны называется правой.

Правой называется поляризация, при которой вращение вектора напряженности поля с конца вектора Пойнтинга представляется происходящим против часовой стрелки

Изменим знак сдвига фаз между проекциями вектора напряженности электрического поля на оси координат на противоположный, то есть зависимость проекции на ось х опишем синусом, а на ось у – косинусом. В этом случае вектор напряженности электрического поля суммарной волны будет вращаться по часовой стрелке. Такая поляризация называетсялевой.

Левой называется поляризация, при которой вращение вектора напряженности поля с конца вектора Пойнтинга представляется происходящим по часовой стрелке

Для характеристики степени эллиптичности волны вводится коэффициент эллиптичности. Он определяется как отношение полуосей эллипса поляризации:

— большая полуось эллипса поляризации;

— малая полуось эллипса поляризации.

Коэффициентом эллиптичности называется отношение большой и малой полуосей эллипса поляризации

Волна с эллиптической поляризацией является самым общим случаем плоской электромагнитной волны. Этот случай включает в себя и волну с линейной поляризацией. Коэффициент эллиптичности линейно поляризованной воны равен бесконечности, так как величина малой полуоси равна нулю.

Другой важный частный случай — волна с круговой поляризацией.

Круговой называется поляризация, при которой конец вектора напряженности поля за период описывает окружность

Пример сложения двух линейно поляризованных волн в волну с круговой поляризацией иллюстрирует рис. 6.4.

Обе складываемые волны имеют одинаковые амплитуды Е₀, но сдвинуты по фазе на 90˚. Мгновенное значение напряженности поля первой волны, ориентированной по горизонтали, обозначено Е₁, а второй волны, ориентированной по вертикали — Е₂. Зависимости напряженности поля этих волн от времени описываются формулами (6.4) и (6.5) соответственно.

Рис. 6.4. Сложение двух линейно поляризованных волн в волну с круговой поляризацией

Левая картинка соответствует моменту времени t= 0. В этот момент времени напряженность поля первой волны максимальна и равна Е₀. Напряженность поля второй волны равна нулю. Следовательно, вектор суммы направлен горизонтально и равен Е₀.

Следующая картинка иллюстрирует положение векторов через 1/8 периода. Фаза волны при этом ωt= π/4,cos(π/4) =sin(π/4) = 0.707. Следовательно, Е₁= Е₂= 0.707Е₀. Модуль суммарного вектора равен корню квадратному из суммы квадратов амплитуд составляющих. Поэтому модуль не изменится, но вектор повернется в пространстве против часовой стрелки на угол 45˚ относительно начального положения.

На третьей картинке, при t= Т/4, Е₂= Е₀, а Е₁= 0. Модуль суммарного вектора остался прежним, но он повернулся еще на 45˚ относительно начального положения.

И так далее. Очевидно, что модуль суммарного вектора постоянен и равен E₀, а вектор вращается вокруг направления распространения.

Коэффициент эллиптичности этой волны равен единице. Мгновенный снимок электрического поля волны с круговой поляризацией приведен на рис. 6.5. Важно понять, что вектор напряженности электрического поля в эллиптически поляризованной волне вращается вокруг направления распространения. При этом плоскость поляризации тоже вращается. За период они описывают полный оборот.

Рис. 6.5. Мгновенный снимок волны с круговой поляризацией

Рис. 6.6. Сложение двух волн с круговой поляризацией

Векторы напряженности электрического поля складываемых волн изображены тонкими линиями, а вектор суммарной волны – более толстой. Из построения видно, что результирующая волна оказывается линейно поляризованной. Плоскость ее поляризации на рис. ориентирована вертикально, а амплитуда в два раза превышает амплитуду слагаемых волн.

Поляризация волны имеет большое значение для практической радиотехники. Для примера рассмотрим штыревую антенну. Это прямой отрезок металлического стержня, в котором электрическое поле создает ток проводимости. Электрическое поле действует на свободные электроны металла и заставляет их двигаться. В антенне возникает ток, который используется для выделения сигнала. Как видите, все просто. За исключением одного. Для получения максимального напряжение сигнала на выходе антенны ось стержня должна быть ориентирована параллельно вектору напряженности электрического поля. Или, что то же самое, параллельно плоскости поляризации. Если ось антенны будет направлена под углом к вектору напряженности электрического поля, уровень сигнала уменьшится. А если антенну направить перпендикулярно плоскости поляризации, то сигнала на выходе не будет вовсе.

С другой стороны, такая же штыревая антенна в поле волны с круговой поляризацией, размещенная перпендикулярно направлению распространения, будет создавать выходной сигнал неизменной амплитуды независимо от ориентации в поперечной плоскости. Это обстоятельство делает волны с круговой поляризацией предпочтительными для организации радиосвязи с подвижными объектами, антенны которых могут занимать любые, заранее не предсказуемые положения.

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн (ПЭВ) — одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в искажении различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). [1]

ПЭВ — явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.

Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

Линейную поляризацию — в направлении,

Для понимания явления поляризации света имело её проявление в эффекте интерференции света. Именно тот факт, что когда два световых луча, линейно поляризованных под прямым углом друг к другу, при простейшей постановке опыта не интерферируют, явился решающим доказательством поперечности световых волн (Френель, Араго, Т. Юнг, 1816—19). Поляризация света нашла естественное объяснение в электромагнитной теории света Дж. К. Максвелла (1865—73).

Поперечность световых волн (как и любых др. электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля интерференции Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Е и Н выделяют (отсюда указанное выше неравноправие) определённые направления в пространстве, занятом волной. При этом Е и Н почти всегда взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризация света требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

Круговая поляризация [ ]

Круговая поляризация — состояние распространяющейся электромагнитной волны (например, световой), при котором концы её электрического и магнитного векторов Е и Н в каждой точке пространства, где проходит волна, описывают окружности в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

В России и США используются спутниковы станции, оснащённые вращающимися антенами с круговой поляризацией. В Европе — навигационные телевизионные станции оснащены прямолинеёной поляпизацией. Исторически так сложилось, что раньше СССР использовал для ТВ вещания спутники серии «Молния», находящиеся на высокоэлептических орбитах. Для приема сигнала и слежения за спутниками использовались станции, оснащенные весьма большими антеннами и дорогим высокочувствительным оборудованием Теория явления [ ]

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита .

Свет солнца, являющийся рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при фотографии и т. д.

Линейную поляризацию имеет обычно излучение

Содержание

История открытия [ ]

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами Христиана Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы).
В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.

Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

В Параметры Стокса [ ]

Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. В оптике правым считается вращение электрического вектора ЭМ волны E по часовой стрелке, если смотреть против направления луча, и левым — против часовой стрелки, в радиофизике — наоборот. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например, амплитудами ортогональных колебаний — полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации A 1 <\displaystyle A_<1>> , A 2 <\displaystyle A_<2>> и разностью фаз ϕ <\displaystyle \phi >, либо полуосями эллипса a <\displaystyle a>, b <\displaystyle b>и углом ψ <\displaystyle \psi >(азимутом эллипса) между осью x <\displaystyle x>и большой осью эллипса. Удобно описывать эллиптически поляризованную волну на основе параметров S 0 = A 1 2 + A 2 2 <\displaystyle S_<0>=A_<1>^<2>+A_<2>^<2>> , S 1 = A 1 2 − A 2 2 <\displaystyle S_<1>=A_<1>^<2>-A_<2>^<2>> , S 2 = 2 A 1 A 2 cos ⁡ ϕ <\displaystyle

S_<2>=2A_<1>A_<2>\cos \phi > , S 2 = 2 A 1 A 2 sin ⁡ ϕ <\displaystyle

Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

-> — левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

S 1 = S 0 cos ⁡ ( 2 χ ) cos ⁡ ( 2 ψ ) <\displaystyle

S_<1>=S_<0>\cos(2\chi )\cos(2\psi )> , S 2 = S 0 cos ⁡ ( 2 χ ) sin ⁡ ( 2 ψ ) <\displaystyle

S_<2>=S_<0>\cos(2\chi )\sin(2\psi )> , S 3 = S 0 sin ⁡ ( 2 χ ) <\displaystyle

На основе этих формул можно характеризовать поляризацию световой волны наглядным геометрическим способом. При этом параметры Стокса S 1 <\displaystyle

S_<3>> интерпретируются, как декартовы координаты точки, лежащей на поверхности сферы радиуса S 0 <\displaystyle

2\psi > имеют смысл сферических угловых координат этой точки. Такое геометрическое представление предложил Пуанкаре , поэтому эта сфера называется S 1 <\displaystyle

S_<3>> используют также нормированные параметры Стокса s 1 = S 1 / S 0 <\displaystyle

s_<3>=S_<3>/S_<0>> . Для поляризованного света s 1 2 + s 2 2 + s 3 2 = 1 <\displaystyle

Использование явления поляризации света [ ]

Особенности взаимодействия поляризованного света с веществом позволили найти его широкое применение в научных исследованиях, в определении структуры твёрдых тел, строения биологических объектов (см., например, анизотропное свойство излучения, позволяет изучать все виды анизотропии вещества — поведение газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (механических, звуковых, электрических, световых), в структуре — в подавляющем большинстве — оптически анизотропных материалов, в технике (например, в машиностроении) — упругие напряжения в конструкциях (например, поляризационно-оптический метод исследования напряжений) и т.д.

Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или к настройке генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и др. С другой стороны, исследование деполяризации света при фотолюминесценции дает сведения о взаимодействии поглощающих и излучающих центров в частицах вещества, при рассеянии света — ценные данные о структуре и свойствах рассеивающих молекул или иных частиц, в других случаях — о протекании фазовых переходов и т.д. (См. также Флюоресцентный наноскоп).