Что такое круговая поляризация.

Что такое круговая поляризация?

Круговая поляризация - это вращение черного вектора Е- напряженности электрического поля с частотой 4,000,000,000 оборотов в секунду (для С-диапазона).

Вектор Е круговой поляризации можно представить в виде двух ортогональных векторов, H и V величина которых постоянно меняется в процессе вращения черного вектора. Из рисунка видно, что если принимать вместо вращающегося вектора, один из ортогональных векторов, то величина сигнала будет в два раза меньше. Поэтому если принимать линейным конвертором сигнал с круговой поляризацией, то потери составят 3дБ. Поэтому чтобы принять весь сигнал, надо преобразовать круговую поляризацию в линейную, для этого служит деполяризатор. В качестве деполяризатора можно использовать диэлектрик.

В случае расположения диэлектрического поляризатора под углом 45 град вектора H и V на выходе деполяризатора складываются в одной фазе за счет задержки и ускорения составляющих H и V в диэлектрике. Таким образом, величина вектора Е в два раза больше, чем векторов V и H. В зависимости от угла расположения диэлектрического поляризатора к электроду конвертора, будет приниматься круговая поляризация правого или левого вращения. Т.к. Диэлектрик расположенный перпендикулярно или продольно к векторам Н и V не влияет на них, то с использованием механического или магнитного поляризатора можно создать конвертор, принимающий все виды поляризации. Такой конвертор, будет работать на спутниковой антенне, фиксировано направленной на один спутник, что, как правило, лишено смысла или на антенне с полярной подвеской. Волновод конвертора на антенне с полярной подвеской поворачивается в зависимости от направления антенны, а угол поворота конвертора определяется механической конструкцией антенны. Теперь, если Вам требуется принимать круговую поляризацию, то надо установить электрод поляризатора под углом 45 град. к диэлектрику, а если линейную поляризацию, то параллельно или перпендикулярно диэлектрику.

При таком расположении электрода будет приниматься круговая поляризация.

HellasSat

Angle: 39 East

Band: Ku

Frequency: 11630 MHz

Polarization: Horizontal

Symbol Rate: 20.500 Msps

NSS 6

Angle: 95 East

Band: Ku

Frequency: 11017 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 10.500 Msps

Express AM1 NARROW

Angle: 40 East

Band: Ku

Frequency: 11656.75 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 20.802 Msps

Express AM22

Angle: 53 East

Band: Ku

Frequency: 10974.4 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 32.223 Msps

NSS 6

Angle: 95 East

Band: Ku

Frequency: 11017.4 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 10.500 Msps

ABS1

Angle: 75 East

Band: Ku

Frequency: 12609 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 22.000 Msps

HellasSat2

Angle: 39 East

Band: Ku

Frequency: 11512 MHz

Polarization: Horizontal

Symbol Rate: 30.000 Msps

Eutelsat W6

Angle: 21.5 East

Band: Ku

Frequency: 11435 MHz

Polarization: Horizontal

Symbol Rate: 28.782 Msps

Telstar 12

Angle: 15 W

Band: Ku

Frequency: 11000 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 6.336 Msps

Yamal 200 90E

При рассмотрении плоской волны в однородной изотропной среде было показано, что она является поперечной, т.е. векторы иперпендикулярны направлению распространения (оси). В целях упрощения полагалось, что векторориентирован вдоль оси, и было установлено, что в этом случае векторориентирован по оси(рисунок Рисунок 50).

−Простейший случай линейно поляризованной волны

Однако следует иметь в виду, что ориентация векторов иотносительно координатных осей зависит от источника, создающего волну. В общем случае направления векторов могут отличаться от направления координатных осей, а значит, каждый из векторов поля может иметь составляющие по обеим координатным осям, причем начальные фазы составляющих могут отличаться. Это приводит к тому, что положение векторав пространстве будет отличаться от простейшего случая, когда этот вектор всегда колеблется в плоскости.

Поляризация электромагнитной волы − ориентация в пространстве вектора напряженности электрического поля .

Различают три вида поляризации: линейную, круговую и эллиптическую. Как будет показано, все эти три вида являются частными случаями общего эллиптического представления.

1. Линейная поляризация

Простейшим случаем является линейная поляризация. Если рассмотреть выражение для вектора :

то окажется, что половину периода направление вектора совпадает с положительным направлением оси, а вторую половину − противоположно ему (рисунок Рисунок 51). Таким образом, в фиксированной точке пространстваконец векторас течением времени перемещается вдоль отрезка прямой линии, а величина вектора изменяется в интервале. Волны, имеющие такой характер ориентации вектора, называются линейно поляризованными. Плоскость, проходящую через направление распространение волны и вектор, называют плоскостью поляризации. В рассматриваемом примере плоскостью поляризации является плоскость.

−Электромагнитная волна с линейной поляризацией

Линейная поляризация исключительно часто применяется в антенной технике. Так, все местное (не спутниковое) теле- и радиовещание производится на радиоволнах линейной поляризации. Положение плоскости поляризации полностью определяется ориентацией приемных и передающих антенн. Так как плоскостью линейной поляризации может быть как плоскость параллельная земной поверхности, так и перпендикулярная ей, то обычно их называют соответственно горизонтальной и вертикальной плоскостью поляризации. Так, телевещание обычно производится в горизонтальной плоскости поляризации, а радиовещание − в вертикальной, хотя бывают и исключения.

1. Суперпозиция двух линейно поляризованных волн

Предположим теперь, что волна создается более сложной излучающей структурой и вектор имеет две составляющиеи, которые изменяются либо синфазно, либо с некоторым фазовым сдвигом. Векторв этом случае тоже имеет две составляющиеи, связанные с компонентами. Тогда в общем случае выражение для вектораплоской волны в среде без потерь записывается в виде

где и− амплитуды составляющихисоответственно, аи− фазы этих составляющих в точкепри. Волну такого типа можно рассматривать как суперпозицию двух плоских линейно поляризованных волн со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризациии, распространяющихся в одном направлении вдоль оси. Характер изменения векторас течением времени в фиксированной точке пространства зависит от соотношения между начальными фазами,и от амплитуд,.

Рассмотрим, что произойдет при отдельных частных случаях такой волны. Для этого рассмотрим угол между осью и векторомв некоторой фиксированной точке пространства. Очевидно, что величина этого угла зависит от соотношения между мгновенными значениями компонент вектора(рисунок Рисунок 52):

то есть, зависит от соотношения величин,и,и в общем случае меняется со временем. Для получения случая линейной поляризации необходимо, чтобы составляющие векторабыли синфазными или противофазными. Положим сначала, тогда

В этом случае вектор в любой момент времени лежит в плоскости, проходящей через осьи составляющей уголс плоскостью.

−Линейно поляризованная волна

Аналогичное явление имеет место также в том случае, когда разность между начальными фазами равна целому числу :

Очевидно, что при илилинейно поляризованная волна превращается в волну с чисто горизонтальной или чисто вертикальной поляризацией.

− Горизонтальная и вертикальная поляризация

Рассмотрим второй частный случай. Пусть амплитуды составляющих иравны, а начальные фазы отличаются на:

Подставляя эти значения в выражение для угла , получим:

откуда следует, что

где − целое число. Это равенство означает, что уголв фиксированной точке пространстваувеличивается с течением времени. Величина векторапри этом остается неизменной:

Таким образом, в фиксированной точке пространства вектор , оставаясь неизменным по величине, вращается с угловой частотойвокруг направления оси. Конец вектора при этом описывает окружность (рисунок Рисунок 54). Волны такого типа называются волнами с круговой поляризацией.

−Круговая поляризация плоской волны

Нетрудно убедиться также, что волна будет иметь круговую поляризацию не только в случае , но и

Вдоль направления распространения (вдоль оси ) в фиксированный момент временив среде без потерь конец вектораописывает винтовую линию с шагом, равным длине волны. Проекция этой линии на плоскостьобразует окружность. С течением времени эта винтовая линия перемещается вдоль осипо цилиндру с фазовой скоростью.

В зависимости от направления вращения вектора вокруг оси распространения различают волны с левой и правой круговой поляризацией. В случае правой поляризации вектор вращается по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления распространения, а в случае левой круговой поляризации − против стрелки. В рассмотренном примере приволна имеет правую поляризацию. Очевидно, что такая же поляризация будет в случае

волна имеет левую круговую поляризацию.

Вектор однородной волны везде и в любой момент времени перпендикулярен векторуи пропорционален ему по величине. Таким образом, в отличие от линейной поляризации, поле бегущей волны с круговой поляризацией в любой момент времени ни в одной точке пространства не равно нулю.

В случае среды с потерями линия, соединяющая концы векторов в один м тот же момент времени в разных точках оси , представляет собой спираль с радиусом, который изменяется вдоль оси по закону.

В самом общем случае распространения волны, когда конец векторабудет описывать при фиксированном и переменномв пространстве некий эллипс (рисунок Рисунок 55). Полуоси эллипса в общем случае не совпадают с осями координат.

−Эллиптически поляризованная волна

Для определения эллиптичности поля используется коэффициент эллиптичности, характеризующий отношение малой полуоси эллипса к большой:

При эллипс вырождается в окружность, этот случай соответствует электромагнитной волне с круговой поляризацией. Если, то эллипс вырождается в прямую линию − это линейно поляризованная волна.

При рассмотрении эллиптической и круговой поляризаций нами рассматривалась суперпозиция двух линейно поляризованных волн. Как мы увидели, поле с любым типом поляризации можно представить суммой двух волн, поляризованных линейно в двух ортогональных плоскостях. Можно доказать и обратное: эллиптически или линейно поляризованную волну можно представить в виде суммы двух волн с круговой поляризацией и противоположными направлениями вращения.

Демонстрация поляризации волн: шнур от ротора перед щелью колеблется по кругу, а за щелью до точки закрепления - линейно

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

Виды поляризации

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды , всегда перпендикулярным к волновому вектору. Волновой вектор показывает направление распространения волны, а вектор амплитуды показывает, в какую сторону происходят колебания. В трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы - возможность вращения вектора амплитуды вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

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

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 .

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, например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например рак-богомол , способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией. 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;»

История открытия поляризации электромагнитных волн

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Расмус Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO 3), 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.

{ E x = E 1 cos ⁡ (τ + δ 1) E y = E 2 cos ⁡ (τ + δ 2) E z = 0 {\displaystyle {\begin{cases}E_{x}=E_{1}\cos \left(\tau +\delta _{1}\right)\\E_{y}=E_{2}\cos \left(\tau +\delta _{2}\right)\\E_{z}=0\end{cases}}}

Здесь набег фазы τ = k z − ω t {\displaystyle \tau =kz-\omega t} .

Преобразовав и сложив первые два уравнения, можно получить уравнение движения вектора E → {\displaystyle {\vec {E}}} :

(E x E 1) 2 + (E y E 2) 2 − 2 E x E 1 E y E 2 cos ⁡ (δ) = sin 2 ⁡ δ {\displaystyle \left({\frac {E_{x}}{E_{1}}}\right)^{2}+\left({\frac {E_{y}}{E_{2}}}\right)^{2}-2{\frac {E_{x}}{E_{1}}}{\frac {E_{y}}{E_{2}}}\cos(\delta)=\sin ^{2}{\delta }} , где разность фаз δ = δ 1 − δ 2 {\displaystyle \delta =\delta _{1}-\delta _{2}} .

Наряду с S 1 {\displaystyle S_{1}} , S 2 {\displaystyle S_{2}} , S 3 {\displaystyle S_{3}} используют также нормированные параметры Стокса s 1 = S 1 / S 0 {\displaystyle s_{1}=S_{1}/S_{0}} , s 2 = S 2 / S 0 {\displaystyle s_{2}=S_{2}/S_{0}} , s 3 = S 3 / S 0 {\displaystyle s_{3}=S_{3}/S_{0}} . Для поляризованного света s 1 2 + s 2 2 + s 3 2 = 1 {\displaystyle s_{1}^{2}+s_{2}^{2}+s_{3}^{2}=1} .

s - и p -поляризации волн

В оптике и электродинамике s -поляризованная волна (сравните нем. senkrecht - перпендикулярный) имеет вектор электрического поля E, перпендикулярный плоскости падения. s σ -поляризованной, сагиттально поляризованной, волной E-типа , TE-волной (Transverse Electric ) . p -поляризованная волна (сравните лат. parallel - параллельный) имеет вектор электрического поля E, параллельный плоскости падения. p -поляризованную волну также называют π -поляризованной, поляризованной в плоскости падения, волной H-типа , TM-волной (Transverse Magnetic ) .

Термины TM-волна и TE-волна в работах ряда авторов меняются местами. Дело в том, что классически плоская граница предполагает однородность структуры в двух направлениях. В этом случае определяют плоскость падения и перпендикулярность напряженностей по отношению к ней. Разделение электромагнитного поля на два несвязанных решения возможно в более общем случае структуры, однородной в одном направлении. В этом случае удобно определять перпендикулярность напряжённостей по отношению к направлению однородности . Распространение последнего определения на частный классический случай приводит к тому, что напряженность, перпендикулярная к направлению однородности, оказывается в плоскости падения. Отмечается, что в случае металлической поверхности существенны только волны с электрической напряженностью, перпендикулярной к границе металла . Такие волны также удобнее называть TE-волнами. Термины TM и TE связаны также с обозначением поперечных мод в лазерном резонаторе или волноводе.

В сейсмологии p -волна (от англ. primary - первичный) - продольная волна, приходящая от эпицентра землетрясения первой. s -волна (от англ. secondary - вторичный) - поперечная волна (shear wave), имеющая меньшую скорость распространения, чем продольная, и поэтому приходящая от эпицентра позднее.

В рассмотренном примере линейно поляризованной волны предполагалось, что вектор во всех точках направлен параллельно или антипараллельно осиx (см. рис. 1.7). В общем случае у плоской гармонической волны, распространяющейся вдоль осиz , отличны от нуля обе компонентыE x иE y , а вектор электрического поля имеет вид

где ,– единичные векторы, направленные вдоль осейО x ,Oy декартовой системы координат.

Рассмотрим волну, компоненты электрического поля которой изменяются по гармоническому закону

где  сдвиг фаз между колебаниями.

Найдем уравнение траектории, по которой движется конец вектора в плоскостиz = const . Перепишем в виде

и с помощью исключим из этого равенства cos ( t –kz ) иsin ( t –kz ):

Напомним, что амплитуды E 10 иE 20 предполагаются положительными числами. Перенесем первое слагаемое правой части на левую сторону, делим обе части наE 20 и возводим их в квадрат.

Раскрываем скобки и приводим уравнение к виду

Соотношение является уравнением конического сечения. Сечениеимеет форму эллипса, так как соответствующий детерминант неотрицателен, т. е.

Эллипс вписан в прямоугольник, стороны которого имеют длины 2E 10 и 2E 10 (рис. 1.8).Онкасается сторон прямоугольника в точкахAA  (E 10 ,E 20 cos ) иBB  (E 10 cos ,E 20).

Итак, в общем случае при распространении плоской монохроматической световой волны конец вектора в плоскостиz = const описывает эллипс. Аналогично ведет себя и вектор напряженности магнитного поля. Такая волна называетсяэллиптически поляризованной .

Представить себе электрическое поле такой волны при фиксированном t можно так: на поверхности прямого эллиптического цилиндра проведена винтовая линия, начала всех векторовнаходятся в точках оси цилиндра, концына винтовой линии, причем сам вектор везде перпендикулярен оси.

Правая и левая эллиптические поляризации

Двигаясь по эллипсу в плоскости z = const , конец вектораможет вращаться по часовой или против часовой стрелки. Для того чтобы различить эти два состояния, в оптике вводят понятияправой поляризации (для наблюдателя, смотрящего навстречу световому лучу, вращениепроисходит по часовой стрелке) илевой поляризации (вращение векторав противоположном направлении). Покажем, что направление вращения векторазависит от знака разности фаз . Выберем момент времениt 0 , для которого t 0 –kz = 0. В этот момент, согласно формулам и,

Из формулы видно, что в тот момент, когда конец вектора достигает крайней правой точки своей траектории (рис. 1.8), имеемdE y /dt < 0, если 0 < < , иdE y /dt > 0, если – < < 0. Очевидно, что первый из этих случаев соответствует право поляризованной волне, а второй - лево поляризованной.

Итак, в общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. Полная характеристика эллипса поляризации дается тремя параметрами E 10 ,E 20 и . И, как видно из рис. 1.8, оси эллипса могут быть не параллельны осямOx и Oy . Однако если заданыE 10 ,E 20 и разность фаз , относящиеся к произвольному положению осей, и если (0 <   /2) - угол, определяемый соотношением

то главные полуоси эллипса a и b и угол      , который большая ось образует с осьюOx , находятся из формул

где  (      )–вспомогательный угол, определяющий форму и ориентацию эллипса колебаний, а именно:

Численное значение tg определяет величину отношения осей эллипса, а знак при характеризует два варианта, которые можно использовать при описании эллипса. Из последней формулы видно, что при правой эллиптической поляризации, когдаsin  > 0, то угол меняется в пределах 0 <   /4, что соответствует знаку "+" в формуле. Соответственно для левой поляризациизнак "–".

Параметры a ,b и можно определить на опыте, а, зная эти величины, по формулам можно рассчитать амплитудыE 10 ,E 20 и разность фаз .

Пусть в направлении оси OZ распространяются две электромагнитные волны. Напряженность электрического поля одной волны колеблется в направлении оси OY по закону EY(z, t) = Eosin(kz-wt) , а другой - в направлении оси OX по закону Ex(z, t) = Eocos(kz-wt) .Фаза колебаний волны с электрическим полем, ориентированным по оси OX , отстает на p/2 от фазы другой волны. Выясним характер колебаний вектора напряженности результирующей волны.

Можно просто убедиться, что модуль результирующей волны со временем не изменяется и всегда равен Eo . Тангенс угла между осью OX и вектором напряженности электрического поля в точке z равен
tgj===tg(kz-wt). (1)

Из (1) следует, что угол между вектором напряженности электрического поля волны и осью OX - j - со временем изменяется по закону j(t)=kz-wt .Вектор напряженности электрического поля равномерно вращается с угловой скоростью, равной w . Конец вектора напряженности электрического поля движется по винтовой линии (см. рисунок 27). Если смотреть на изменение вектора напряженности из начала координат в направлении распространения волны, то вращение происходит по часовой стрелке, т.е. в направлении вектора магнитной индукции. Такую волну называют право поляризованной по кругу.

Электромагнитная волна с круговой поляризацией, падая на вещество, передает вращение электронам вещества.

Итог: правополяризованная электромагнитная волна обладает моментом импульса, направленным вдоль распространения волны, левополяризованная электромагнитная волна обладает моментом импульса, направленным против распространения волны. Этот результат будет использоваться при изучении квантовой физики.

При сложении плоских волн линейной поляризации с плоскостями, ориентированными под прямым углом и с произвольным сдвигом фаз a , результирующее изменение вектора напряженности в данной точке z может быть вращением с одновременным периодическим изменением модуля. Конец вектора напряженности электрического поля волны в этом случае движется по эллипсу. Поляризация данного типа называется эллиптической. Она может быть как левой, так и правой. На рисунке 29 изображены траектории конца вектора напряженности результирующего электрического поля двух волн одинаковой амплитуды с горизонтальной и вертикальной плоскостями поляризации при различных значениях сдвига фаз – от 0 до p . При сдвиге фаз, равномнулю, результирующая волна является плоскополяризованной с плоскостью поляризации, составляющей угол p/4 с горизонтальной плоскостью. При сдвиге фаз, равном p/4 , – эллиптическую поляризацию, при p/2 – круговую поляризацию, при 3p/4 – эллиптическую поляризацию, при p – линейную поляризацию.

В том случае, когда волна представляет собой сумму случайно поляризованных составляющих с хаотическим набором сдвигов фаз, все эффекты поляризации теряются. Говорят, что электромагнитная волна в этом случае не поляризована.