Antenă polarizată circulară sau liniară, care este mai bună pentru FPV? Caracteristici de recepție a semnalelor cu polarizare circulară

Pagina 2

Polarizarea circulară corespunde unei valori constante a fem, indiferent de unghiul de rotație al antenei.  

Polarizarea circulară se realizează în două etape. În primul rând, fluxul de radiație trebuie să fie polarizat în plan, iar apoi fluxul polarizat trebuie să fie trecut printr-un dispozitiv care îl descompune în componente cu dreapta și stânga. polarizare circulară. Apoi, una dintre componente ar trebui să fie deplasată în fază cu un sfert din lungimea de undă. Cele mai importante sunt trei tipuri de dispozitive de polarizare circulară: paralelipipedul Fresnel, modulatorul electro-optic Pockels și modulatorul fotoelastic.  

Polarizarea circulară, iar unda reflectată este polarizare circulară a semnului opus, care se datorează unei modificări a direcției de propagare a acesteia către cel opus cu aceeași direcție de rotație a vectorului E în spațiu.  

Polarizarea circulară poate fi realizată prin trecerea luminii polarizate liniar printr-o placă cu un sfert de undă, astfel încât planul de polarizare al fasciculului incident să facă un unghi de 45 cu direcțiile principale ale plăcii. Prin urmare, se face o distincție între polarizarea eliptică (circulară) stângă și dreaptă.  

O undă polarizată circular poate fi definită ca o radiație în care vectorul unui câmp electric de amplitudine constantă se rotește în jurul direcției de propagare, făcând o revoluție pe perioadă a frecvenței de oscilație.  

Excitatorul de polarizare circulară este o secțiune a unui ghid de undă dreptunghiular, pe peretele larg al căruia este atașat un ghid de undă rotund, conectat la acesta prin trei fante de cuplare.  

Direcția de polarizare circulară poate fi inversată prin schimbarea polarizării luminii incidente cu 90.  

Conversia polarizării circulare în liniară se realizează prin introducerea, folosind un dispozitiv, a unei diferențe de fază suplimentare b l/2 a două unde polarizate în direcții reciproc perpendiculare. În mod obișnuit, în acest scop se folosește o placă cu un sfert de lungime de undă (vezi capitolul. O prismă Fresnel servește de fapt și ca un dispozitiv care introduce o diferență de fază suplimentară între două unde polarizate în direcții reciproc perpendiculare. Această metodă are avantajul că defazarea obținută depinde puțin de lungimea de undă a luminii incidente.  

Cu polarizarea circulară, lungimea vectorului nu se modifică. Cele mai comune tipuri de polarizare sunt verticale și orizontale.  

O undă polarizată circular este incidentă pe o antenă polarizată circular.  

O antenă polarizată circular poate fi, desigur, utilizată și pentru a recepționa unde polarizate liniar, la fel cum o antenă polarizată liniar poate fi folosită pentru a recepționa unde polarizate circular.  

Excitatorul de polarizare circulară este o secțiune a unui ghid de undă dreptunghiular, pe peretele larg al căruia este atașat un ghid de undă rotund, conectat la acesta prin trei fante de cuplare. Dispunerea fantelor este concepută astfel încât să asigure excitarea undelor înainte și înapoi de polarizare circulară, indiferent de frecvență, pe toată gama de frecvență de funcționare a dispozitivului. Pe peretele lat există o sondă de comunicare cu trecere la un conector coaxial.  

Lăsați în direcția axei OZ se propagă două unde electromagnetice. Intensitatea câmpului electric al unei unde oscilează în direcția axei OYîn lege EY(z, t)= Eozină (kz-wt), iar celălalt - în direcția axei BOUîn lege Ex(z, t)= Eocos (kz-wt).Faza oscilaţiilor undei cu un câmp electric orientat de-a lungul axei BOU, rămâne în urmă p/2 din faza altui val. Să aflăm natura oscilațiilor vectorului de tensiune al undei rezultate.

Puteți pur și simplu să vă asigurați că modulul undei rezultate nu se modifică în timp și este întotdeauna egal cu Eo. Tangenta unghiului dintre axe BOUși vectorul intensității câmpului electric în punct z egală
tgj===tg(kz-wt). (1)

Din (1) rezultă că unghiul dintre vectorul intensității câmpului electric al undei și axă OX-j- se modifica in timp conform legii j(t)=kz-greutate.Vectorul intensității câmpului electric se rotește uniform cu o viteză unghiulară egală cu w. Capătul vectorului intensității câmpului electric se deplasează de-a lungul unei spirale (vezi Figura 27). Dacă te uiți la modificarea vectorului de intensitate de la origine în direcția de propagare a undei, atunci rotația are loc în sensul acelor de ceasornic, adică. în direcția vectorului de inducție magnetică. O astfel de undă se numește polarizat circular drept.

O undă electromagnetică cu polarizare circulară, incidentă pe o substanță, transmite rotația electronilor substanței.

Rezultat: polarizat la dreapta unde electromagnetice are un moment unghiular direcționat de-a lungul propagării undei, stângaci O undă electromagnetică are un moment unghiular îndreptat împotriva propagării undei. Acest rezultat va fi folosit în studiul fizicii cuantice.

Când se adaugă unde plane de polarizare liniară cu planuri orientate în unghi drept și cu o schimbare de fază arbitrară A, modificarea rezultată a vectorului de tensiune într-un punct dat z poate fi rotatie cu simultan schimbare periodică modul. Capătul vectorului intensității câmpului electric al undei în acest caz se mișcă de-a lungul unei elipse. Polarizare de acest tip numite eliptice. Poate fi la stânga sau la dreapta. Figura 29 prezintă traiectoriile sfârșitului vectorului de putere a câmpului electric rezultat a două unde de aceeași amplitudine cu planuri orizontale și verticale de polarizare la diferite valori ale defazajului - de la 0 inainte de p. Când schimbarea de fază este egală cu zero, unda rezultată este polarizată în plan, planul de polarizare formând un unghi. p/4 cu un plan orizontal. Cu o schimbare de fază egală cu p/4, – polarizare eliptică, la p/2– polarizare circulară, la 3p/4– polarizare eliptică, cu p– polarizare liniară.

În cazul în care unda este o sumă de componente polarizate aleatoriu cu un set haotic de schimbări de fază, toate efectele de polarizare se pierd. Ei spun că unda electromagnetică în acest caz nu este polarizată.

Când se consideră o undă plană într-un mediu izotrop omogen, s-a arătat că este transversală, adică. vectorii sunt perpendiculari pe direcția de propagare (axa). Din motive de simplitate, s-a presupus că vectorul este orientat de-a lungul axei și s-a constatat că în acest caz vectorul este orientat de-a lungul axei (Figura 50).

−Cel mai simplu caz al unei unde polarizate liniar

Cu toate acestea, trebuie avut în vedere că orientarea vectorilor în raport cu axele de coordonate depinde de sursa care creează unda. În cazul general, direcțiile vectorilor pot diferi de direcția axelor de coordonate, ceea ce înseamnă că fiecare dintre vectorii de câmp poate avea componente de-a lungul ambelor axe de coordonate, iar fazele inițiale ale componentelor pot diferi. Aceasta duce la faptul că poziția vectorului în spațiu va diferi de cel mai simplu caz, când acest vector oscilează întotdeauna în plan.

Polarizarea unei unde electromagnetice este orientarea în spațiu a vectorului intensității câmpului electric.

Există trei tipuri de polarizare: liniară, circulară și eliptică. După cum se va arăta, toate aceste trei tipuri sunt cazuri speciale ale reprezentării eliptice generale.

1. Polarizare liniară

Cel mai simplu caz este polarizarea liniară. Dacă luăm în considerare expresia pentru vector:

atunci se dovedește că pentru jumătatea perioadei direcția vectorului coincide cu direcția pozitivă a axei, iar pentru a doua jumătate este opusă acesteia (Figura 51). Astfel, într-un punct fix în spațiu, capătul vectorului se mișcă de-a lungul unui segment de linie dreaptă în timp, iar mărimea vectorului se modifică în interval. Undele cu o astfel de orientare vectorială se numesc polarizate liniar. Planul care trece prin direcția de propagare a undei și vectorul se numește plan de polarizare. În exemplul luat în considerare, planul de polarizare este un plan.

−Undă electromagnetică cu polarizare liniară

Polarizarea liniară este extrem de des folosită în tehnologia antenei. Astfel, toate emisiunile locale (nesatelit) de televiziune și radio sunt efectuate pe unde radio polarizate liniar. Poziția planului de polarizare este complet determinată de orientarea antenelor de recepție și de transmisie. Deoarece planul de polarizare liniară poate fi fie un plan paralel suprafața pământului, și perpendiculare pe acesta, ele sunt de obicei numite planul de polarizare orizontal și, respectiv, vertical. Astfel, difuzarea de televiziune este produsă de obicei în planul orizontal de polarizare, iar radiodifuziunea în plan vertical, deși există și excepții.

1. Suprapunerea a două unde polarizate liniar

Să presupunem acum că unda este creată de o structură radiantă mai complexă și vectorul are două componente care se schimbă fie în fază, fie cu o schimbare de fază. Vectorul în acest caz are și două componente asociate componentelor. Apoi în caz general expresia pentru vectorul unei unde plane într-un mediu fără pierderi se scrie ca

unde și sunt amplitudinile componentelor și, respectiv, și și sunt fazele acestor componente în punctul la. O undă de acest tip poate fi considerată ca o suprapunere a două unde plane polarizate liniar cu planuri de polarizare reciproc perpendiculare, care se propagă în aceeași direcție de-a lungul axei. Natura schimbării vectorului în timp la un punct fix în spațiu depinde de relația dintre fazele inițiale și de amplitudini.

Să luăm în considerare ce se va întâmpla în anumite cazuri speciale ale unui astfel de val. Pentru a face acest lucru, luați în considerare unghiul dintre axă și vector într-un punct fix din spațiu. În mod evident, mărimea acestui unghi depinde de relația dintre valorile instantanee ale componentelor vectoriale (Figura 52):

adica depinde de rapoarte de cantități, și, și se modifică în general în timp. Pentru a obține cazul polarizării liniare, este necesar ca componentele vectoriale să fie în fază sau antifază. Să o punem pe primul loc, atunci

În acest caz, vectorul în orice moment se află în planul care trece prin axele unghiului care formează planul.

−Undă polarizată liniar

Un fenomen similar are loc și în cazul în care diferența dintre fazele inițiale este egală cu un număr întreg:

Este evident că atunci când unda polarizată liniar se transformă într-o undă cu polarizare pur orizontală sau pur verticală.

− Polarizare orizontală și verticală

Să luăm în considerare a doua caz special. Fie amplitudinile componentelor să fie egale, iar fazele inițiale diferă prin:

Înlocuind aceste valori în expresia unghiului, obținem:

de unde rezultă că

unde este un număr întreg. Această egalitate înseamnă că unghiul la un punct fix din spațiu crește în timp. Mărimea vectorului rămâne neschimbată:

Astfel, într-un punct fix în spațiu, vectorul, deși rămâne neschimbat ca mărime, se rotește cu o frecvență unghiulară în jurul direcției axei. Sfârșitul vectorului descrie un cerc (Figura 54). Undele de acest tip se numesc unde polarizate circular.

−Polarizarea circulară a unei unde plane

De asemenea, este ușor de verificat că unda va avea polarizare circulară nu numai în carcasă, ci și

De-a lungul direcției de propagare (de-a lungul axei) la un moment fix în timp într-un mediu fără pierderi, capătul vectorului descrie o linie elicoidală cu un pas egal cu lungimea de undă. Proiecția acestei drepte pe un plan formează un cerc. În timp, această linie elicoidală se deplasează de-a lungul axei cilindrului cu viteza de fază.

În funcție de direcția de rotație a vectorului în jurul axei de propagare, se disting unde cu polarizare circulară stânga și dreapta. În cazul polarizării la dreapta, vectorul se rotește în sensul acelor de ceasornic atunci când este văzut de-a lungul direcției de propagare, iar în cazul polarizării circulare la stânga, se rotește în sens invers acelor de ceasornic. În exemplul luat în considerare, unda are polarizare la dreapta. Evident, aceeași polarizare va avea loc în cazul respectiv

valul are polarizare circulară stânga.

Vectorul unei unde omogene peste tot și în orice moment este perpendicular pe vector și proporțional cu acesta ca mărime. Astfel, spre deosebire de polarizarea liniară, câmpul unei unde care călătorește cu polarizare circulară nu este zero în niciun punct din spațiu și în niciun moment.

În cazul unui mediu cu pierderi, linia care leagă capetele vectorilor în același moment în timp în diferite puncte ale axei este o spirală cu o rază care variază de-a lungul axei conform legii.

În cel mai general caz de propagare a undelor, când capătul vectorului va descrie, cu un spațiu fix și variabil, o anumită elipsă (Figura 55). Semiaxele elipsei, în general, nu coincid cu axele de coordonate.

−Undă polarizată eliptic

Pentru a determina elipticitatea câmpului se folosește coeficientul de elipticitate, care caracterizează raportul dintre semiaxa minoră a elipsei și cea majoră:

Când elipsa degenerează într-un cerc, acest caz corespunde unei unde electromagnetice cu polarizare circulară. Dacă, atunci elipsa degenerează într-o linie dreaptă - aceasta este o undă polarizată liniar.

Când luăm în considerare polarizările eliptice și circulare, am luat în considerare suprapunerea a două unde polarizate liniar. După cum am văzut, un câmp cu orice tip de polarizare poate fi reprezentat ca suma a două unde polarizate liniar în două plane ortogonale. Se poate dovedi și contrariul: o undă polarizată eliptic sau liniar poate fi reprezentată ca suma a două unde cu polarizare circulară și direcții opuse de rotație.

În exemplul considerat de undă polarizată liniar, s-a presupus că vectorul în toate punctele este îndreptat paralel sau antiparalel cu axa. X(vezi Fig. 1.7). În cazul general, o undă armonică plană care se propagă de-a lungul axei z, ambele componente sunt diferite de zero E XȘi E y, iar vectorul câmp electric are forma

unde , sunt vectori unitari direcționați de-a lungul axelor DESPREX,Oi Sistemul de coordonate carteziene.

Să considerăm o undă ale cărei componente ale câmpului electric variază conform legii armonice

Unde  defazare între oscilaţii.

Să găsim ecuația traiectoriei de-a lungul căreia capătul vectorului se mișcă în plan z = const. Să-l rescriem în formă

și folosind aceasta eliminăm cos (  t–kz) și păcatul (  t–kz):

Amintiți-vă că amplitudinile E 10 Și E Se presupune că 20 sunt numere pozitive. Să mutăm primul termen din partea dreaptă în partea stângă și să împărțim ambele părți la E 20 și pătrați-le.

Deschideți parantezele și reduceți ecuația la formă

Relația este ecuația unei secțiuni conice. Secțiunea are forma unei elipse, deoarece determinantul corespunzător este nenegativ, adică.

O elipsă este înscrisă într-un dreptunghi ale cărui laturi au lungimea 2 E 10 și 2 E 10 (Fig. 1.8) atinge laturile dreptunghiului în puncte A.A. ( E 10, E 20cos  ) Și BB ( E 10cos  , E 20).

Deci, în cazul general, atunci când o undă luminoasă monocromatică plană se propagă, capătul vectorului în plan z= const descrie o elipsă. Vectorul intensității câmpului magnetic se comportă în mod similar. Acest val se numește polarizat eliptic.

Imaginați-vă câmpul electric al unei astfel de unde la un fix t puteți face acest lucru: o linie elicoidală este trasată pe suprafața unui cilindru eliptic drept, începuturile tuturor vectorilor sunt în puncte de pe axa cilindrului, capetele sunt pe linia elicoidală și vectorul în sine este peste tot perpendicular pe axa.

Polarizări eliptice dreapta și stânga

Deplasarea de-a lungul unei elipse într-un plan z= const, capătul vectorului se poate roti în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic. Pentru a distinge aceste două stări, conceptele sunt introduse în optică dreapta polarizarea (pentru un observator care se uită spre fasciculul de lumină, rotația are loc în sensul acelor de ceasornic) și stânga polarizare (rotație vectorială direcție opusă). Să arătăm că direcția de rotație a vectorului depinde de semnul diferenței de fază  . Să alegem un moment în timp t 0 pentru care  t 0 –kz= 0. În acest moment, conform formulelor și,

Din formula este clar că în momentul în care capătul vectorului atinge punctul cel mai din dreapta al traiectoriei sale (Fig. 1.8), avem dE y /dt < 0, если 0 < < , Și dE y /dt> 0 dacă –  < < 0. Очевидно, что первый из этих случаев соответствует право поляризованной волне, а второй - лево поляризованной.

Deci, în cazul general, o undă monocromatică plană are polarizare eliptică la dreapta sau la stânga. O descriere completă a elipsei de polarizare este dată de trei parametri E 10 ,E 20 și  . Și, după cum se poate observa din fig. 1.8, axele elipsei pot să nu fie paralele cu axele Bou Și Oi. Cu toate acestea, dacă este dat E 10 ,E 20 și diferența de fază  , legat de o poziție arbitrară a axelor și dacă  (0 <   /2) - unghi determinat de raport

apoi semiaxele principale ale elipsei A Și bși unghi       , pe care axa mare o formează cu axa Bou, se gasesc din formule

Unde  (      ) este un unghi auxiliar care determină forma și orientarea elipsei de vibrație și anume:

Valoarea numerică tg  determină raportul dintre axele elipsei și semnul la  caracterizează două opțiuni care pot fi folosite la descrierea unei elipse. Din ultima formulă reiese clar că pentru polarizarea eliptică de dreapta, atunci când sin  > 0, apoi unghiul  variază în intervalul 0<   /4, care corespunde semnului „+” din formulă. În consecință, pentru polarizarea stângă semnul este „–”.

Opțiuni A,bȘi  pot fi determinate experimental, iar, cunoscând aceste valori, amplitudinile pot fi calculate folosind formule E 10 ,E 20 și diferența de fază  .

Polarizarea undelor electromagnetice.

Pentru undele electromagnetice care se propagă în orice mediu, există conceptul de polarizare. Polarizarea EMW este ordinea în orientarea vectorilor de intensitate a câmpului electric și magnetic într-un plan perpendicular pe vectorul viteză de propagare EMW. Există polarizări eliptice, circulare și liniare.

Natura polarizării este determinată de proiectarea și orientarea antenei de transmisie. În cazul polarizării liniare, vectorul E, schimbându-se periodic, rămâne perpendicular pe el însuși în timpul propagării. O antenă sub forma unui vibrator vertical emite o undă verticală polarizată liniar. Pentru o recepție fără pierderi, vibratorul antenei de recepție trebuie să fie și el orientat vertical

Pentru a crea o undă polarizată liniar orizontal, vibratoarele antenei de transmisie trebuie să fie poziționate orizontal. Cu toate acestea, pentru comunicațiile prin satelit, undele radio în procesul de propagare pătrund în ionosferă, situată în câmpul magnetic al Pământului. Ca urmare, planul de polarizare al unei unde polarizate liniar se rotește (efectul Faraday).

Ionosfera se dovedește a fi un mediu birefringent, iar o undă radio care se propagă prin ea este împărțită în două componente. Aceste componente se propagă în ionosferă cu viteze diferite de fază. Prin urmare, la trecerea unei anumite distanțe între ele, apare o schimbare de fază, care duce la o rotație a planului de polarizare. Ca urmare a unei nepotriviri între polarizarea undei care ajunge la punctul de recepție și polarizarea antenei de recepție, are loc o pierdere de energie - are loc decolorarea polarizării. Pentru a preveni decolorarea, este necesar să se utilizeze antene cu polarizare circulară, în care vectorul E se rotește cu frecvența undei radio, descriind o linie elicoidală în timpul propagării. În acest caz, valoarea vectorului E va rămâne constantă. Pe o cale egală cu lungimea de undă, vectorul E se rotește la 360 de grade.

Pentru a crea o antenă cu polarizare circulară, este necesar să existe două vibratoare de transmisie, deplasate în spațiu cu 90 de grade unul față de celălalt. Ele trebuie să fie alimentate de curenți de amplitudine egală cu o defazare de 90 de grade.

Undele radio cu polarizare circulară sunt emise, de exemplu, de o antenă turnichet. Recepția undelor polarizate circular este posibilă atât pe același tip de antene (tornichet, spirală), cât și pe vibratoare convenționale

În funcție de direcția de rotație a vectorului E, polarizarea circulară poate fi:

• · stângaci;
• dreptaci