Что такое круговая поляризация? Особенности приема сигналов с круговой поляризацией

§8. Получение света с эллиптической или круговой поляризацией

Для доказательства этого утверждения рассмотрим суперпозицию двух волн одинаковой частоты, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, что эквивалентно разложению произвольной монохроматической волны на две взаимно ортогональные составляющие .

Уравнения волн

Где φ - сдвиг фаз между волнами.

Уравнения (1) есть уравнение эллипса в параметрической форме. Чтобы убедиться в этом, исключим из этих уравнений параметр времени t .

Для этого запишем уравнения в виде

Возводя уравнения (2)и (4)в квадрат и используя тождество, получим

Откуда после преобразований

Это уравнение эллипса, вписанного в прямоугольник со сторонами 2A x и 2A y (см. рис.)

При φ =π /2 иA x =A y =А эллипс вырождается в окружность, а приφ =π m , гдеm = 0, 1, 2, … -в отрезок прямой:

Таким образом, эллиптическая поляризация является общим случаем поляризации монохроматической волны, частными случаями которой являются круговая и линейная поляризации волн.

§9. Двойное лучепреломление. Способы получения линейно поляризованного света

В природе существуют изотропные и анизотропные кристаллы (одноосные и двуосные). В изотропном кристалле скорость световой волны одинакова во всех направлениях. В анизотропном одноосном кристалле, как показывает опыт, возникает две волны: обыкновенная (о-волна) инеобыкновенная (е-волна). В двуосных кристаллах возникают две необыкновенные волны.

В одноосном кристалле скорость v o распространения о-волны одинакова в разных направлениях, а скорость распространения е-волныv e -различна. Поэтому фронт о-волны сферический, а е-волны-эллиптический. В зависимости от типа кристалла возможноv e >v o (отрицательный кристалл) либоv e >v o (положительный кристалл).

Существует такое направление в кристалле, в котором скорости v e иv o обыкновенной и необыкновенной волн одинаковы. Это направление называютоптической осью кристалла. В направлении оптической оси фронты о- и е-волн (сфера и эллипсоид) касаются друг друга. Любая плоскость, параллельная оптической оси кристалла называетсяглавным сечением кристалла.Если на границу одноосного кристалла задает световой луч, то на его границе образуется два преломленных луча: обыкновенный (о-луч) и необыкновенный (е-луч), соответствующие о- и е-волнам в кристалле. Это явление называетсядвойным лучепреломлением .

Оказывается, что о- и е-лучи линейно поляризованы . Причем о-луч поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости главного сечения кристала, а е-луч -параллельно главному сечению (см. рис.)О-луч подчиняется обычному закону преломления:,а е-луч-не подчиняется. Поэтому, если луч света падает на одноосный кристалл перпендикулярно его границе, то возникающий о-луч не преломляется, а е-луч- преломляется. Если на пути о- или е-луча на выходе кристалла поставить заслонку, то на его выходе останется линейно поляризованный о- или е-луч.

Если кристалл вырезан так, что его оптическая ось параллельна границе кристалла и перпендикулярно границе на кристалл падает световой луч, то образующиеся в кристалле о- и е-лучи не преломляются. В этом случае в кристалле в одном направлении, перпендикулярном оптической оси будут распространяться две волны, поляризованный в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Скорости распространения этих волнv o иv e различны. Поэтому при прохождении через кристалл эти волны сместятся относительно друг друга и между ними возникнет некоторая разность фазφ ,зависящая от толщины кристалла. Как было показано, сложение двух волн одинаковой частоты, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, дает в общем случае эллиптически поляризованную волну той жe частоты.

В частности, на выходе кристалла можно получить циркулярно либо линейно поляризованную волну. Детально этот вопрос будет рассмотрен после изучения интерференции и дифракции волн.

Существуют одноосные кристаллы, поглощающие колебания, перпендикулярные оптической оси кристалла, т.е. поглощающие обыкновенную волну. Такие кристаллы называют поляроидами (например, николь [призма Николя ]). На выходе поляроида всегда будет линейно поляризванный свет в плоскости, параллельной оптической оси кристалла.

Антенны можно разделить на категории по виду поляризации: линейная или круговая. В этой статье мы подробно рассмотрим различия между этими видами поляризации.

Это перевод статьи Оскара, оригинал: Circular or Linear Polarized Antenna For FPV

Виды поляризации

Поляризация определяет вид волн в пространстве. Этот термин очень часто употребляется при обсуждении FPV оборудования.

Линейная поляризация

В этом случае сигнал колеблется горизонтально или вертикально, но только в одной плоскости.

Большинство простых антенн дают линейную поляризацию сигнала: например, стоковые диполи (в комплекте с видео передатчиками и приемниками), или даже домашний Wifi.

Достоинства и недостатки линейной поляризации

Антенны линейной поляризации очень широко распространены благодаря простоте конструкции, что в самом примитивном виде дает просто кусок провода. Эти антенны имеют малый размер, низкую цену, их легко ремонтировать и собирать.

В общем и целом, линейная поляризация отлично подходит для больших расстояний, т.к. вся энергия будет сосредоточена в одной плоскости. Это преимущество не всегда проявляется из-за многолучевого распространения сигнала (многократные переотражения сигнала), но это мы обсудим чуть позже.

Для того чтобы получить максимальный уровень сигнала, антенны приемника и передатчика должны быть расположены параллельно (для максимального перекрытия излучения.

В самом крайнем случае, когда антенна приемника и антенна передатчика расположены под углом 90 градусов друг относительно друга — получаем наименьший уровень сигнала. Результат — потери сигнала в 30 дБ, это кросс поляризация.

Наши коптеры постоянно перемещаются в небе, поэтому невозможно держать антенны параллельно друг другу, следовательно, прием FPV сигнала будет не стабильным.

Круговая поляризация

При круговой поляризации сигнал распространяется в обоих плоскостях (в вертикальной и горизонтальной) со сдвигом фазы на 90 градусов, представить можно в виде штопора.

Посмотрим на наиболее часто используемые антенны для FPV.

Четырехлепестковый клевер (Skew-Planar Wheel antenna) — антенна круговой поляризации, имеет отличную устойчивость к отраженным сигналам. Обычно она используется там, где аэродинамическое сопротивление не критично. Как правило это антенна на приемнике, хотя и на передатчик ее тоже можно поставить.

Трехлепестковый клевер (The Cloverleaf antenna) — обычно используется на передатчиках. Можно комбинировать с четырехлепестковым клевером для увеличения радиуса приема и увеличения качества сигнала.

Достоинства и недостатки круговой поляризации

Сигнал с круговой поляризацией всегда попадает на антенну, т.е. вне зависимости от угла между антенной на квадрике и на приемнике. Именно поэтому антенны с круговой поляризацией — стандарт для FPV.

Еще одно достоинство антенн с круговой поляризацией — это возможность отсекать отраженный сигнал .

Многолучевое распространение сигнала — одна из главных причин плохого качества видео (изменение цвета, помехи, скрэмблированное изображение, двоение и т.п.). Так бывает, когда сигнал отражается от объектов и приходит с другой фазой, при этом смешиваясь с основным сигналом.

Круговая поляризация бывает, как левой (LHCP), так и правой (RHCP). На передатчике и приемнике должны быть антенны с одним и тем же направлением, иначе будет очень сильная потеря сигнала.

Круговая поляризация хорошо защищает от переотраженных сигналов, потому что, когда сигнал отражается от объекта, меняется направление поляризации. Т.е. антенна LHCP отсекает RHCP сигнал и наоборот (кросс поляризация).

Когда использовать круговую поляризацию?

• При полетах около крупных объектов типа деревьев, зданий, в парках и стадионах
• Акробатические полеты, когда положение коптера постоянное меняется
• Полеты на низкой высоте (вблизи других объектов)

Когда использовать линейную поляризацию?

• При полетах на большие расстояния в прямой видимости, без крупных препятствий
• Прямолинейные полеты, без флипов и ролов
• Когда вес, размер и прочность антенны стоят на первом месте

История изменений

• Октябрь 2013 — написана первая версия
• Май 2017 — статья обновлена

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.

Задача 3. Плоская электромагнитная волна с круговой поляризацией по часовой стрелке падает на металлическую пластинку. Напряженность электрического поля волны E0.
а) Покажите, что электроны проводимости под действием электрического поля совершают вращательное движение. Как направлено вращение?
б) Чему равен момент импульса, переданный волной электрону? Какой вывод можно сделать о наличии момента импульса у волны?

Решение. а) Полагаем, что на электроны проводимости не действует возвращающая сила (они свободны), тогда уравнения движения электрона в плоскости XOY будут иметь вид:
meax=-eEocos(kz-wt) Û ax=- cos(wt-a) (2)
meay=-eEo sin(kz-wt) Û ay=+ sin(wt-a). (3)
Модуль ускорения постоянен и равен
a= . (4)
Из выражения для тангенса угла поворота вектора ускорения (аналогично (1)) ясно, что он вращается с постоянной угловой скоростью w . Вращение с направлением распространения волны составляют правый винт (по часовой стрелке). Отсюда следует, что электроны движутся по окружностям постоянного радиуса с угловой скоростью w .Радиус окружности можно определить из кинематического соотношения a=w2r , откуда
(5)
Момент импульса электрона L=me vr=mewr2 с учетом уравнения (5) -
(6)
Момент импульса электрона параллелен направлению распространения волны.

Поскольку электромагнитная волна может распространяться независимо от источника, приобретенный электроном при взаимодействии с электромагнитной волной момент импульса следует отнести к электромагнитной волне (полагаем, что момент импульса сохраняется).

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.

Момент импульса электромагнитной волны с вектором напряженности электрического поля, вращающимся по часовой стрелке, ориентирован по направлению распространения волны. Поляризацию такого типа называют правой круговой поляризацией. Если момент импульса электромагнитной волны ориентирован противоположно направлению распространения, то такую волну называют левополяризованной. На рисунке 28 показаны оба типа поляризации. Крестиком в центре отмечено направление распространения волны.

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 неполяризована.

Cтраница 2

Круговой поляризации соответствует постоянная величина эдс независимо от угла поворота антенны.  

Круговую поляризацию проводят в две ступени. Сначала поток излучения нужно сделать плоскополяризованным, а затем поляризованный поток пропустить через устройство, которое разлагает его на компоненты с правой и левой круговой поляризацией. Затем одну из компонент следует сдвинуть по фазе на одну четверть длины волны. Наиболее важное значение имеют три типа устройств для круговой поляризации: параллелепипед Френеля, электрооптический модулятор Покельса и фотоупругий модулятор.  

Круговую поляризацию, а отраженная волна - круговую поляризацию противоположного знака, что обусловлено изменением направления ее распространения на противоположное при прежнем направлении вращения вектора Е в пространстве.  

Круговую поляризацию можно получить, пропустив линейно поляризованный свет через пластинку в четверть волны так, чтобы плоскость поляризации падающего луча составляла угол 45 с главными направлениями в пластинке. Поэтому различают левую и правую эллиптическую (круговую) поляризацию.  

Волна круговой поляризации может быть определена как такое излучение, при котором вектор электрического поля постоянной амплитуды вращается вокруг направления распространения, делая один оборот за период частоты колебаний.  

Возбудитель круговой поляризации представляет собой отрезок прямоугольного волновода, на широкой стенке которого закреплен круглый волновод, связанный с ним тремя щелями связи.  

Направление круговой поляризации можно изменить на обратное, меняя на 90 поляризацию падающего света.  

Перевод круговой поляризации в линейную достигается введением при помощи какого-либо устройства дополнительной разности фаз б л / 2 двух волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях. Обычно для этой цели используется пластинка в четверть длины волны (см. гл. Призма Френеля фактически также служит устройством, обеспечивающим введение дополнительной разности фаз двух волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях. Такой способ обладает тем преимуществом, что достигаемый сдвиг по фазе мало зависит от длины волны падающего света.  

При круговой поляризации длина вектора не меняется. Наиболее распространенными видами поляризации являются вертикальная и горизонтальная.  

Волна круговой поляризации падает на антенну круговой поляризации.  

Антенна круговой поляризации может, конечно, применяться и для приема линейно поляризованных волн, так же как и линейно поляризованная антенна для приема волн круговой поляризации.  

Возбудитель круговой поляризации представляет собой отрезок прямоугольного волновода, на широкой стенке которого закреплен круглый волновод, связанный с ним тремя щелями связи. Расположение щелей рассчитано так, что обеспечивается возбуждение прямой и обратной волн круговой поляризации независимо от частоты во всем рабочем диапазоне частот прибора. На широкой стенке имеется зонд связи с переходом на коаксиальный разъем.  

Cтраница 1

Эллиптическая поляризация (1.146) представляет собой наиболее общий вид поляризации излучения в свободном пространстве.  

Эллиптическую поляризацию электромагнитной волны принято характеризовать коэффициентом эллиптичности поляризации, который определяется отношением длин большой и малой осей эллипса и выражается в децибелах.  

Поэтому эллиптическая поляризация будет правополяризован-ной. Наоборот, для тупых углов (я / 2 С 6 я) составляющие Env и Eav имеют противоположные знаки, и эллиптическая поляризация становится левополяризованной.  

Описание эллиптической поляризации, как и полного сопротивления, основывается на понятиях относительных амплитуд и фаз двух колеблющихся величин. Следовательно, весь математический аппарат, разработанный для описания полного сопротивления, может быть легко приспособлен для описания эллиптической поляризации. Во второй части Десчемпс применяет известный метод Пуанкаре, описывающий эллиптически поляризованные световые волны. Форма и ориентация эллипса задаются широтой и долготой на сфере. Соответствующая проекция сферы Пуанкаре на плоскость приводит к представлению эллиптической поляризации на диаграмме полных сопротивлений, описанной в первой части. Ранее Синклером было установлено, что эквивалентная длина для антенн эллиптической поляризации является комплексной величиной; во второй части показано, как для таких антенн может быть введена действительная эквивалентная длина.  

При эллиптической поляризации существует некоторая комбинация вращательного и колебательного движений, а вектор электрического поля вычерчивает в пространстве эллипс.  

Измерение эллиптической поляризации света, отраженного от поверхности металла при наклонном падении линейно поляризованного света, лежит в основе предложенного Друде экспериментального метода определения оптических характеристик них металла. Теория связывает п и х с эксцентриситетом и положением осей эллипса колебаний.  

Определение эллиптической поляризации луча, отраженного поверхностью стекла (или других материалов), производят на поляризационном спектрометре [ 1 (гл.  

Состояние эллиптической поляризации плоской волны в данной точке может быть описано амплитудами и относительными фазами трех взаимно перпендикулярных компонент электрического (или магнитного) поля. Во многих задачах, особенно связанных с антеннами, вполне допустимо выбирать такую систему координат, в которой одна из координатных плоскостей совпадает с поляризационным эллипсом. При этом состояние эллиптической поляризации может быть описано амплитудами и разностью фаз только двух ортогональных компонент вектора поля. Если каждую из этих компонент представить в виде комплексной колебательной функции, то их отношение будет фазором, модуль которого определяет отношение амплитуд компонент, а аргумент - разность фаз.  

Антенны эллиптической поляризации ставят ряд проблем их математического описания и техники измерений, которые не возникают для антенн линейной поляризации. Например, при снятии диаграммы направленности антенны линейной поляризации обычно просто измеряется напряженность поля на достаточном расстоянии от антенны как функция направления; измерением фазы, как правило, не интересуются. У антенн эллиптической поляризации должны быть измерены две компоненты поля, причем важно знать разность фаз между ними. Эти величины изменяются с направлением, и, естественно, возникает вопрос о способе фиксирования такой информации на бумаге.  

С эллиптической поляризацией связано наиболее общее определение естественного света.