Поляризация радиоволн что это

Поляризация волн

Поляриза́ция волн — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как направление колебаний в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения. [1]

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

несимметричная генерация волн в источнике возмущения; среды распространения волн; и отражение на границе двух сред.

Основными являются два вида поляризации:

линейная — колебания возмущения происходят в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне»;
круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой.

На основе этих двух или только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации. Например, эллиптическая.

Поляризация описывается Фигурами Лиссажу и соответствует сложению поперечных колебаний равной частоты.

Содержание

Поляризация электромагнитных волн

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 тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.

Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света, прошедшего через поляризаторы, подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

Некоторые живые существа [2] , например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая [3] способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией.

История открытия поляризации электромагнитных волн

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO₃), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

Через двадцать лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного 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 оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует 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 1808 г. французский физик Этьен Луи Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

Параметры Стокса

В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например, полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации A_1 , A_2 и разностью фаз $\phi$ , либо полуосями эллипса , и углом $\psi$ между осью и большой осью эллипса. Удобно описывать эллиптически поляризованную волну на основе параметров Стокса:

S_0=A^2_1+A^2_2 , S_1=A^2_1-A^2_2 , $ S_2=2A_1 A_2 \cos \phi» width=»» height=»» />, <img decoding=$

Если ввести вспомогательный угол $\chi$ , определяемый выражением $\tan(\chi)=\pm a/b$ (знак +» width=»» height=»» /> соответствует левой, а <img decoding=

Скорость распространения волны может зависеть от её поляризованности.

Две волны, линейно поляризованные под прямым углом друг к другу, не интерферируют.

Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.

Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн. То есть вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним. В наземных линиях используют антенны линейной поляризации — всегда можно выбрать заранее — горизонтально или вертикально располагать плоскость поляризации антенн. Антенну круговой поляризации выполнить сложнее, чем антенну линейной поляризации. Вообще, круговая поляризация — вещь теоретическая. На практике говорят об антеннах эллиптической поляризации — с левым или правым направлением вращения.

Круговая поляризация света используется также в технологиях стереокинематографа RealD и MasterImage. Эти технологии подобны IMAX с той разницей, что круговая поляризация вместо линейной позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы.

Поляризация частиц

$\rho^a_b$

Аналогичный эффект наблюдается при квантовомеханическом рассмотрении пучка частиц, обладающих спином. Состояние отдельной частицы в этом случае, вообще говоря, не является чистым и должно описываться соответствующей матрицей плотности. Для частицы со спином ½ (скажем, электрона) это эрмитова матрица 2×2 со следом 1:

В общем случае она имеет вид

$\rho^a_b = <1\over 2>(\delta^a_b + 2 \hat <\sigma>^a_b \bar <s>)» width=»» height=»» /> Здесь <img decoding=$ Значение $\rho =1$ соответствует полностью поляризованному пучку частиц, при этом

$\rho^a_b = \psi^a \otimes \psi^\dagger_b$

$\psi$

где — вектор состояния частицы. Фактически, полностью поляризованные частицы можно полностью описать вектором состояния.

См. также

Примечания

↑Волны — статья из Большой советской энциклопедии
↑ Некоторые люди также обладают способностью различать поляризацию света, в частности эти люди могут наблюдать невооруженным глазом эффекты, связанные с частичной поляризацией света дневного неба. Так описывает этот эффект Лев Николаевич Толстой в своей повести «Юность»:
«и, вглядываясь в растворенную дверь балкона … , и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает;»
↑MEMBRANA | Мировые новости | Учёные открыли новую форму зрительного восприятия
↑Ахманов С.А., Никитин С.Ю.Физическая оптика. — МГУ,Наука, 2004. — P. 654. стр. 36. Знак

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.

Поляризация плоских волн

Вопрос поляризации электромагнитных волн имеет практическое значение для задач распространения радиоволн и ориентации антенн в пространстве.

Поляризация электромагнитной волны – важная характеристика, определяющая направление вектора напряженности электрического поля, т.е. его ориентацию в фиксированной точке пространства (обычно это годограф вектора ).

В процессе распространения волны вектор в этой точке совершает колебательное движение. При этом конец вектора описывает некоторую кривую, по виду которой определяют вид поляризации. Различают три вида поляризации электромагнитных волн: линейную, круговую и эллиптическую.

Линейная поляризация

Линейно-поляризованной называют волну, у которой конец вектора в фиксированной точке пространства за период описывает прямую линию
(годограф –прямая). Примером такой волны являются плоские волны и волны излученные элементарным электрическим вибратором. Для примера рассмотрим электрическое поле плоской волны.

График Ex(z) в фиксированный момент времени представлен на рис. 3.7.

Рисунок 3.7 – Линейная поляризация

В фиксированном сечении вектор всё время остается параллельным оси Ox, а его конец за период колебания описывает прямую, параллельную оси Ox.

Так как в линейно-поляризованной волне векторы находятся в одной плоскости
(в нашем случае в плоскости xOz, то такую волну еще называют плоскополяризованной. Плоскость, проходящая через векторы и ,называется плоскостью поляризации.

Вопрос о поляризации ЭМВ в радиотехнике имеет весьма существенное значение. Так, например, если передающая (излучающая) антенна (вибратор) ориентирована вертикально, то излученная волна будет вертикально поляризована, поскольку вектор (рис.3.7)_.

Рисунок 3.8 – К вопросу о согласовании поляризаций передающей
и приемной антенн

Если в поле этой волны находится приемная (принимающая) антенна (вибратор), то наводимая в ней ЭДС определится

(3.13)

где α — угол между вектором и осью вибратора длиною l_прн.

Если приемный вибратор ориентирован вертикально (α=0), т.е. поляризация антенн одинакова (согласована) и ЭДС, наводимая в приемной антенне, максимальна (cos0°=1).Если же антенны взаимно перпендикулярны (a =90°), то ЭДС равна нулю (cos90°=0).
В этом случае говорят, что поляризация антенн не согласована.

Кроме вертикальной и горизонтальной поляризаций возможна наклонная поляризация электромагнитных волн как разновидность линейной поляризации (рис. 3.11,а).

Круговая поляризация

Волна, у которой конец вектора в фиксированной точке пространства за период описывает окружность, называется поляризованной по кругу (годограф –круг).Вектор электрического поля Ē по мере распространения волны вдоль оси z совершает вращательные движение, и его конец на плоскости х0у описывает круг
(рис. 3.9). Вращение Ē происходит с частотой ω. Волна с круговой поляризацией может быть получена в результате суперпозиции двух линейно-поляризованных волн при выполнении трех условий:

; ; .(3.14)

Рассмотрим такой случай. Пусть поле волны отстает по фазе от поля волны на угол , т.е. .

Запишем выражения для этих полей:

;

.

В вещественной форме эти две ЭМВ запишутся:

;

.

Мгновенное значение результирующего вектора изображено на рис. 3.9 и может быть описано:

. (3.16)

Рисунок 3.9 – Круговая поляризация

Угол между осью Ox и направлением мгновенного значения равен:

. (3.17)

Из (3.10) следует, что в каждой фиксированной точке наблюдения (z= const) угол α прямо пропорционален t, т.е. с течением времени α равномерно увеличивается. Следовательно, вектор, оставаясь постоянным по модулю, вращается с угловой скоростью и за период описывает один оборот .

Различают правополяризованную и левополяризованную волны. Круговую поляризацию принято называть правой, если вращение вектора происходит по часовой стрелке (если смотреть вдоль направления распространения волны). Таким образом, рассмотренная нами волна имеет правую круговую поляризацию.

Антенны с круговой поляризацией применяют, например, для осуществления устойчивой связи между наземным передатчиком и приемником, установленным на летательном аппарате (самолете, ракете и т.п.). Применение антенн с линейной поляризацией в данном случае нецелесообразно, так как антенна летательного аппарата в процессе его полета меняет свое пространственное положение и при рассогласовании поляризаций приемной и передающей антенн связь может нарушиться.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Поляризация радиоволн определяется ориентировкой вектора Е радиоволны в пространстве, причем направление колебания вектора Е определяет направление поляризации. Плоскость, проходящая через направление поляризации и направление распространения радиоволны, называется плоскостью поляризации. По характеру изменения направления поляризация радиоволн может быть линейной, круговой и эллиптической. Характер поляризации радиоволн определяется типом излучателя ( антенны) и физическими свойствами среды, в которой происходит распространение радиоволн. [2]

Поляризация радиоволн , излучаемых обычным рупором, является линейной и определяется расположением возбуждающего вибратора. [4]

Поляризация радиоволн определяется ориентировкой вектора Е радиоволны и пространстве. Характер поляризации зависит от конструкции и ориентировки передающей антенны: антенна и виде вертикального вибратора излучает вертикально-поляризованную, а антенна в виде горизонтального вибратора горизонтально-поляризованную волну. [6]

Поляризация радиоволн определяется направлением вектора напряженности электрического поля и зависит, в основном, от типа и расположения передающей антенны. [8]

Принято поляризацию радиоволн определять по направлению электрического поля. Когда вибратор расположен вертикально, ( рис. 4.8), волна поляризована вертикально, так как электрические силовые линии расположены в вертикальной плоскости. Если же вибратор расположен горизонтально, то излучаемые им волны имеют горизонтальную поляризацию. [10]

Изменение характера поляризации радиоволн в ионосфере позволяет на приемной стороне пользоваться ( независимо от ориентации передающей антенны) как горизонтальной, так и вертикальной антенной. Горизонтальные антенны дают больший эффект, так как атмосферные и индустриальные помехи имеют преимущественно вертикальную поляризацию. [11]

Поэтому целесообразно выбрать такую поляризацию радиоволн , при которой отраженные волны были бы менее интенсивны. Эксперименты показали, что горизонтально поляризованные волны в среднем отражаются слабее, чем вертикально поляризованные. Кроме того, при распространении вертикально поляризованных радиоволн земная поверхность поглощает примерно 25 % энергии. [12]

Конструкция приемной антенны должна соответствовать поляризации принимаемых радиоволн . [13]

При прохождении сквозь ионосферу происходит вращение плоскости поляризации радиоволны . При применении на передающей и приемной сторонах антенны для плоско-поляризованных волн из-за этого явления возникают дополнительные потери энергии. Для борьбы с ними на частотах до 7000 Мгц приходится применять антенны с круговой поляризацией ( см. разд. [14]

В этом случае при определенной ориентации оси объекта относительно вектора поляризации радиоволн облучающего поля наблюдается интенсивное и направленное вторичное излучение, создающее сильный радиолокационный сигнал. Вторичное излучение зависит также от размеров и конфигурации отражающих объектов. Различают малоразмерные ( точечные) и распределенные ( по объему или поверхности) цели. [15]