Ce este polarizarea circulară? Caracteristici de recepție a semnalelor cu polarizare circulară

§8. Producerea de lumină cu polarizare eliptică sau circulară

Pentru a demonstra această afirmație, luați în considerare suprapunerea a două unde de aceeași frecvență, polarizate în planuri reciproc perpendiculare, ceea ce este echivalent cu descompunerea unei unde monocromatice arbitrare în două componente reciproc ortogonale.

Ecuații de unde

Unde φ - defazare între unde.

Ecuațiile (1) sunt ecuația unei elipse în formă parametrică. Pentru a verifica acest lucru, să excludem parametrul timp din aceste ecuații t.

Pentru a face acest lucru, scriem ecuațiile sub forma

Punând la pătrat ecuațiile (2) și (4) și folosind identitatea, obținem

De unde după transformări

Aceasta este ecuația unei elipse înscrise într-un dreptunghi cu laturile 2 O xși 2 O y(vezi poza)

La φ =π /2 și O x =O y =O elipsa degenerează într-un cerc, iar când φ =π m, Unde m= 0, 1, 2, … -într-un segment drept:

Astfel, polarizarea eliptică este un caz general de polarizare a unei unde monocromatice, cazuri speciale ale cărora sunt polarizarea circulară și liniară a undelor.

§9. Birefringență. Metode de producere a luminii polarizate liniar

În natură, există cristale izotrope și anizotrope (uniaxiale și biaxiale). Într-un cristal izotrop, viteza undei luminii este aceeași în toate direcțiile. Într-un cristal uniaxial anizotrop, după cum arată experiența, apar două valuri: comun(o-undă) și extraordinar(undă electronică). Două valuri extraordinare apar în cristale biaxiale.

Într-un cristal uniaxial viteza v o propagarea undei O este aceeași în direcții diferite, iar viteza de propagare a undei e v e-diverse. Prin urmare, partea frontală a undei O este sferică, iar partea frontală a undei e este eliptică. În funcție de tipul de cristal este posibil v e >v o(cristal negativ) sau v e >v o(cristal pozitiv).

Există o direcție în cristal în care vitezele v eŞi v o valurile obișnuite și cele extraordinare sunt aceleași. Această direcție se numește axa optică cristal. În direcția axei optice, fronturile undelor o și e (sferă și elipsoid) se ating. Se numește orice plan paralel cu axa optică a cristalului secțiunea principală cristal Dacă o rază de lumină este aplicată la limita unui cristal uniaxial, atunci se formează două raze refractate la limita acestuia: obișnuită (rază O) și extraordinară (rază e), corespunzătoare undelor o și e. cristalul. Acest fenomen se numește birefringenta.

Se pare că razele o și e polarizat liniar. Mai mult decât atât, raza O este polarizată într-un plan perpendicular pe planul secțiunii principale a cristalului, iar raza E este paralelă cu secțiunea principală (vezi figura O-ray respectă legea obișnuită a refracției:). dar e-ray nu. Prin urmare, dacă un fascicul de lumină cade pe un cristal uniaxial perpendicular pe granița acestuia, atunci raza O rezultată nu este refractă, ci raza e este refractă. Dacă un obturator este plasat pe calea razei o sau e la ieșirea cristalului, atunci o rază o sau e-ray polarizată liniar va rămâne la ieșirea sa.

Dacă un cristal este tăiat astfel încât axa sa optică să fie paralelă cu limita cristalului și o rază de lumină cade pe cristal perpendicular pe graniță, atunci razele o și e formate în cristal nu sunt refractate. În acest caz, două unde se vor propaga în cristal într-o direcție, perpendiculară pe axa optică, polarizate în două plane reciproc perpendiculare.

Viteza de propagare a acestor unde v oŞi v e sunt diferite. Prin urmare, atunci când trec prin cristal, aceste unde se vor deplasa unele față de altele și va apărea o anumită diferență de fază între ele φ , în funcție de grosimea cristalului. După cum s-a arătat, adăugarea a două unde de aceeași frecvență, polarizate în două plane reciproc perpendiculare, dă în general o undă polarizată eliptic de aceeași frecvență.

În special, o undă polarizată circular sau liniar poate fi obţinută la ieşirea cristalului. Această problemă va fi analizată în detaliu după studierea interferenței și difracției undelor.

Există cristale uniaxiale care absorb vibrațiile perpendiculare pe axa optică a cristalului, adică. absorbind unde obișnuite. Astfel de cristale se numesc polaroid (de exemplu, Nicole[Prisma Nicolas]). Ieșirea polaroidului va fi întotdeauna lumină polarizată liniar într-un plan paralel cu axa optică a cristalului.

Antenele pot fi împărțite în categorii în funcție de tipul de polarizare: liniare sau circulare. În acest articol vom arunca o privire mai atentă asupra diferențelor dintre aceste tipuri de polarizare.

Aceasta este o traducere a articolului lui Oscar, original: Circular or Linear Polarized Antenna For FPV

Tipuri de polarizare

Polarizarea determină apariția undelor în spațiu. Acest termen este folosit foarte des atunci când discutăm despre echipamente FPV.

Polarizare liniară

În acest caz, semnalul oscilează orizontal sau vertical, dar numai într-un singur plan.

Cele mai multe antene simple asigură polarizarea liniară a semnalului: de exemplu, dipoli stoc (complet cu transmițătoare și receptoare video) sau chiar Wifi acasă.

Avantajele și dezavantajele polarizării liniare

Antenele de polarizare liniară sunt foarte răspândite datorită simplității lor de design, care în forma sa cea mai primitivă este doar o bucată de fir. Aceste antene sunt de dimensiuni mici, preț redus și ușor de reparat și asamblat.

În general, polarizarea liniară este excelentă pentru distanțe lungi, deoarece... toată energia va fi concentrată într-un singur plan. Acest avantaj nu se manifestă întotdeauna datorită propagării pe mai multe căi a semnalului (reflexii multiple ale semnalului), dar despre asta vom discuta puțin mai târziu.

Pentru a obține nivelul maxim al semnalului, antenele receptorului și emițătorului trebuie să fie amplasate în paralel (pentru suprapunerea maximă a radiațiilor.

În cel mai extrem caz, când antena receptorului și antena emițătorului sunt situate la un unghi de 90 de grade una față de cealaltă, obținem cel mai scăzut nivel de semnal. Rezultatul este o pierdere de semnal de 30 dB, aceasta este polarizare încrucișată.

Copterele noastre se mișcă în mod constant pe cer, așa că este imposibil să menținem antenele paralele între ele, prin urmare, recepția semnalului FPV nu va fi stabilă.

Polarizare circulară

Cu polarizare circulară, semnalul se propagă în ambele planuri (vertical și orizontal) cu o defazare de 90 de grade, ceea ce poate fi imaginat ca un tirbușon.

Să aruncăm o privire la cele mai frecvent utilizate antene FPV.

Trifoiul cu patru foi (antena Skew-Planar Wheel) este o antenă polarizată circular cu rezistență excelentă la semnalele reflectate. Este de obicei folosit acolo unde rezistența aerodinamică nu este critică. De regulă, aceasta este o antenă pe receptor, deși poate fi instalată și pe transmițător.

Antena Cloverleaf - folosită de obicei pe transmițătoare. Poate fi combinat cu un trifoi cu patru foi pentru a crește raza de recepție și calitatea semnalului.

Avantajele și dezavantajele polarizării circulare

Un semnal polarizat circular ajunge întotdeauna la antenă, adică. indiferent de unghiul dintre antena de pe quad și receptor. Acesta este motivul pentru care antenele polarizate circular sunt standardul pentru FPV.

Un alt avantaj al antenelor polarizate circular este capacitatea de a întrerupe semnalul reflectat.

Propagarea semnalului pe mai multe căi este unul dintre principalele motive pentru calitatea video slabă (schimbări de culoare, interferențe, imagini amestecate, fantomă etc.). Acest lucru se întâmplă atunci când un semnal este reflectat de la obiecte și ajunge cu o fază diferită, în timp ce se amestecă cu semnalul principal.

Polarizarea circulară poate fi pentru stângaci (LHCP) sau dreptaci (RHCP). Emițătorul și receptorul trebuie să aibă antene cu aceeași direcție, altfel va exista o pierdere de semnal foarte puternică.

Polarizarea circulară este bună pentru a proteja împotriva semnalelor reflectate înapoi, deoarece atunci când semnalul este reflectat de la un obiect, direcția de polarizare se schimbă. Aceste. Antena LHCP întrerupe semnalul RHCP și invers (polarizare încrucișată).

Când să folosiți polarizarea circulară?

• Când zburați lângă obiecte mari, cum ar fi copaci, clădiri, parcuri și stadioane
• Zboruri acrobatice când poziția elicopterului se schimbă constant
• Zburând la altitudine joasă (aproape de alte obiecte)

Când să folosiți polarizarea liniară?

• Când zburați pe distanțe lungi în linia de vedere, fără obstacole majore
• Zboruri drepte, fără răsturnare sau rostogolire
• Când greutatea, dimensiunea și puterea antenei sunt pe primul loc

Istoricul schimbărilor

• Octombrie 2013 - prima versiune scrisă
• Mai 2017 — articol actualizat

Lăsați în direcția axei OZ două unde electromagnetice se propagă. 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 egal
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.

Sarcina 3. O undă electromagnetică plană cu polarizare circulară este incidentă în sensul acelor de ceasornic pe o placă metalică. Intensitatea câmpului electric al valurilor E0.
O) Arătați că electronii de conducție suferă mișcare de rotație sub influența unui câmp electric. Care este sensul de rotație?
b) Care este momentul unghiular transferat de undă către electron? Ce concluzie se poate trage despre prezența momentului unghiular al undei?

Soluţie. O) Presupunem că electronii de conducere nu sunt acționați de o forță de restabilire (sunt liberi), atunci ecuațiile mișcării electronilor în plan XOY va arata ca:
mex=-eEocos(kz-wt) Û ax=- cos(wt-a) (2)
meay=-eEo sin(kz-wt) Û ay=+ sin(wt-a). (3)
Modulul de accelerație este constant și egal cu
a= . (4)
Din expresia pentru tangentei unghiului de rotație a vectorului de accelerație (similar cu (1)) este clar că acesta se rotește cu o viteză unghiulară constantă w. Rotația cu direcția de propagare a undei este alcătuită dintr-un șurub drept (în sensul acelor de ceasornic). Rezultă că electronii se mișcă în cercuri de rază constantă cu viteză unghiulară w.Raza cercului se poate determina din relatia cinematica a=w2r, unde
(5)
Momentul unghiular al electronilor L =eu v r=mewr2ținând cont de ecuația (5) -
(6)
Momentul unghiular al electronului este paralel cu direcția de propagare a undei.

Deoarece o undă electromagnetică se poate propaga independent de sursă, momentul unghiular dobândit de un electron atunci când interacționează cu o undă electromagnetică ar trebui să fie atribuit undei electromagnetice (presupunem că momentul unghiular este conservat).

Rezultat: o undă electromagnetică de dreapta are un moment unghiular direcționat de-a lungul propagării undei, o undă electromagnetică polarizată de stânga are un moment unghiular îndreptat împotriva propagării undei. Acest rezultat va fi folosit în studiul fizicii cuantice.

Momentul de impuls al unei unde electromagnetice cu vectorul intensității câmpului electric care se rotește în sensul acelor de ceasornic este orientat în direcția de propagare a undei. Acest tip de polarizare se numește polarizare circulară la dreapta. Dacă impulsul unghiular al unei unde electromagnetice este orientat opus direcției de propagare, atunci o astfel de undă se numește polarizat la stânga. Figura 28 prezintă ambele tipuri de polarizare. Crucea din centru marchează direcția de propagare a undei.

Când se adaugă unde plane de polarizare liniară cu planuri orientate în unghi drept și cu o schimbare de fază arbitrară o, modificarea rezultată a vectorului tensiune într-un punct dat z poate fi rotație cu schimbare periodică simultană a modulului. Capătul vectorului intensității câmpului electric al undei în acest caz se mișcă de-a lungul unei elipse. Polarizarea de acest tip se numește eliptică. 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 la 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, la p– polarizare liniară.

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

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 făcut polarizat în plan, iar apoi fluxul polarizat trebuie trecut printr-un dispozitiv care îl descompune în componente cu polarizare circulară dreapta și stânga. 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 polarizarea circulară a semnului opus, care se datorează unei schimbări a direcției de propagare a acesteia spre 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.  

Pagina 1

Polarizarea eliptică (1.146) este cel mai general tip de polarizare a radiației în spațiul liber.  

Polarizarea eliptică a unei unde electromagnetice este de obicei caracterizată de coeficientul de elipticitate de polarizare, care este determinat de raportul dintre lungimile axelor majore și minore ale elipsei și este exprimat în decibeli.  

Prin urmare, polarizarea eliptică va fi polarizată la dreapta. Dimpotrivă, pentru unghiurile obtuze (i / 2 C 6 i) componentele Env și Eav au semne opuse, iar polarizarea eliptică devine stângă.  

Descrierea polarizării eliptice, ca și impedanța, se bazează pe conceptele de amplitudini și faze relative a două mărimi oscilante. În consecință, întregul aparat matematic dezvoltat pentru a descrie impedanța poate fi ușor adaptat pentru a descrie polarizarea eliptică. În a doua parte, Deschamps folosește faimoasa metodă Poincaré, care descrie unde luminoase polarizate eliptic. Forma și orientarea elipsei sunt date de latitudinea și longitudinea sferei. Proiecția corespunzătoare a sferei Poincaré pe plan conduce la reprezentarea polarizării eliptice în diagrama de impedanță descrisă în prima parte. Sinclair stabilise anterior că lungimea echivalentă pentru antenele de polarizare eliptică este o mărime complexă; a doua parte arată cum poate fi introdusă lungimea echivalentă reală pentru astfel de antene.  

Cu polarizarea eliptică, există o combinație de mișcare de rotație și vibrație, iar vectorul câmpului electric urmărește o elipsă în spațiu.  

Măsurarea polarizării eliptice a luminii reflectate de suprafața unui metal la o incidență oblică a luminii polarizate liniar stă la baza metodei experimentale propuse de Drude pentru determinarea caracteristicilor optice ale unui metal. Teoria leagă n și x cu excentricitatea și poziția axelor elipsei de oscilație.  

Determinarea polarizării eliptice a unui fascicul reflectat de suprafața sticlei (sau a altor materiale) se realizează cu ajutorul unui spectrometru de polarizare [1 (cap.  

Starea de polarizare eliptică a unei unde plane într-un punct dat poate fi descrisă prin amplitudinile și fazele relative a trei componente reciproc perpendiculare ale câmpului electric (sau magnetic). În multe probleme, în special cele legate de antene, este destul de acceptabil să se aleagă un sistem de coordonate în care unul dintre planurile de coordonate coincide cu elipsa de polarizare. În acest caz, starea de polarizare eliptică poate fi descrisă prin amplitudinile și diferența de fază a doar două componente ortogonale ale vectorului de câmp. Dacă fiecare dintre aceste componente este reprezentată ca o funcție oscilativă complexă, atunci raportul lor va fi un fasor, al cărui modul determină raportul amplitudinilor componentelor, iar argumentul este diferența de fază.  

Antenele cu polarizare eliptică prezintă o serie de probleme în descrierea lor matematică și tehnici de măsurare care nu apar pentru antenele polarizate liniar. De exemplu, atunci când se ia modelul de radiație al unei antene polarizate liniar, este obișnuit să se măsoare pur și simplu intensitatea câmpului la o distanță suficientă de antenă în funcție de direcție; De regulă, ei nu sunt interesați de măsurătorile de fază. Pentru antenele de polarizare eliptică, trebuie măsurate două componente de câmp și este important să cunoaștem diferența de fază dintre ele. Aceste cantități se modifică în funcție de direcție și, în mod firesc, apare întrebarea despre cum să înregistrăm astfel de informații pe hârtie.  

Definiția cea mai generală a luminii naturale este asociată cu polarizarea eliptică.