Поляризация электромагнитных волн. Эллиптическая 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

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.

Если на поляроид падает плоскополяризованный луч и между главной плоскостью поляроида и плоскостью поляризации луча существует некоторый угол, то плоскость поляризации луча, вышедшего из поляроида, будет повернута на этот же угол. Собственно говоря, как мы уже видели выше, неправильно в данном случае говорить о повороте плоскости поляризации. Сквозь поляроид проходит лишь проекция на данное направление исходного колебания. Чем больше угол, тем меньше амплитуда прошедшего колебания (§ 35).

В так называемых активных веществах дело обстоит совсем иначе. В них действительно происходит поворот плоскости поляризации проходящего луча. Поворот пропорционален толщине проходимого вещества. Вышедший луч имеет ту же амплитуду, но другую плоскость поляризации. Схема установки для наблюдения явлений вращения плоскости поляризации аналогична схеме для наблюдения интерференции (рис. 140): между поляроидами помещают или кусок активного вещества, или сосуд, наполненный активной жидкостью. Если мы помещаем активное вещество между скрещенными поляроидами, то поле светлеет, и, чтобы опять получить темноту, надо повернуть анализатор (или поляризатор) на некоторый угол. Очевидно, этот угол равен углу поворота плоскости поляризации. Величина и направление поворота зависят от вещества, толщины слоя вещества, а также от длины волны света.

Из твердых веществ к числу сильно вращающих принадлежат сахар и кварц; из жидкостей - винная кислота, моча и сахарный раствор.

Активные вещества делятся на право- и левовращающие в зависимости от направления вращения. Например, кварц бывает право- и левовращающим, есть право- и левовращающая винная кислота.

Явление вращения плоскости поляризации тесно связано со структурой вещества. В органических веществах вращение объясняется наличием асимметричного атома углерода, т. е. атома углерода, у которого все четыре валентности насыщены различными атомами. Схематически при этом возможны два существенно различных расположения, показанных на рис. 147; здесь зачерненный кружок означает атом углерода, а атомы различных элементов. Если левая схема соответствует одному направлению вращения, то правая - другому, причем обе схемы, очевидно, изображают одно и то же химическое вещество. Кроме структуры самих молекул играет роль также и их расположение. Особенно отчетливо это видно из того факта, что кусок неактивного вещества, например желатина, при закручивании приобретает активность вдоль оси вращения. Плоскость поляризации вращается при этом в направлении, обратном направлению закручивания.

Рис. 147. Асимметрический атом углерода.

Явлением вращения плоскости поляризации пользуются для определения концентрации какого-либо активного вещества в растворе. Поскольку величина угла поворота пропорциональна концентрации активного вещества и толщине слоя, от измеренной величины вращения легко перейти к концентрации. Для этого нужно лишь знать величину удельной вращательной способности, относимой к единице концентрации и единице толщины.

Рис. 148, Бикварц (а), Схема сахариметра (б).

Для обнаружения небольших количеств веществ, например сахара, в растворах необходимо иметь достаточно чувствительный прибор, обнаруживающий весьма небольшой поворот плоскости поляризации. Приведенная выше схема непригодна для этой цели; ввиду этого схема сахариметра (прибора для определения концентрации сахара) несколько усложнена. Добавляется обычно кроме николей еще так называемый бикварц. Бикварц состоит из двух кварцевых пластинок, вырезанных перпендикулярно к оптической оси (рис. 148, а). Одна пластинка правовращающая, другая

Рис. 149. Схема опыта Умова.

левовращающая. Толщина пластинок подобрана так (3,75 мм), что плоскость поляризации желто-зеленых лучей поворачивается на 90°.

Поэтому при помощи пластинок между параллельными николями желто-зеленые лучи гасятся и проходят лишь красные и фиолетовые лучи. Поле имеет тогда синевато-фиолетовую «чувствительную» окраску и разделено на две части. При малейшем повороте поляризатора или анализатора окраска обеих половинок бикварца резко меняется. Если одна из половинок окрашивается в синий цвет, то другая - в красный или наоборот в зависимости от направления вращения. В сахариметре бикварц В помещают между сосудом и анализатором (рис. 148). Установив при пустом сосуде S анализатор на чувствительную окраску обоих полей бикварца, наливают жидкость и поворотом анализатора добиваются восстановления одинаковой окраски обоих полей. Как указывалось, поворот анализатора равен повороту плоскости поляризации. На лимбе анализатора наносятся значения концентрации сахара.

Н. А. Умов использовал явление вращения плоскости поляризации для создания чрезвычайно красивого демонстрационного опыта (опыт Умова). В сборнике, посвященном памяти Умова, А. А. Эйхенвальд следующим образом описывает этот опыт:

«При помощи небольшого зеркала, поставленного на пути горизонтального пучка поляризованного света, мы отклоняем его вертикально вверх так, чтобы он мог пройти по оси этого цилиндрического сосуда (рис. 149).

Рис. 150. Винтообразный ход луча в опыте Умова.

Сперва мы наполним сосуд водой и сделаем ее мутной прибавкой небольшого количества раствора канифоли в спирту. Тотчас же путь луча обрисовывается во всю высоту сосуда в виде белого столба со слегка размытыми контурами. Только благодаря присутствию мути в воде мы и можем видеть этот путь лучей (явление Тиндаля): действительно, ведь луч света идет вертикально вверх, а потому к нам в глаз непосредственно попасть не может; но каждая частичка мути разбрасывает свет во все стороны диффузно и часть этого диффузно отраженного света попадает в наши глаза.

Однако это еще не все: оказывается, что каждая разбрасывающая свет частица поляризует свет (§ 35), и, следовательно, может служить нам анализатором. Положим, что наш горизонтальный луч,

идущий из фонаря, имеет колебания по оси фрнаря; при этих условиях путь света в воде будет виден, если смотреть справа и слева по оси фонаря, но ни спереди, ни сзади по оси фонаря он виден не будет.

Если повернуть поляризатор на какой-либо угол, то на тот же угол повернется и весь столб с его темными и светлыми сторонами.

Заменим теперь воду раствором сахара, тоже слегка мутным; тогда по мере того, как луч света все глубже и глубже входит в раствор сахара, плоскость его колебаний поворачивается, и если внизу сосуда колебания происходили по оси фонаря, то на некоторой высоте колебания эти будут уже в другом направлении, под углом к оси. Этот поворот колебаний увеличивается по высоте с равномерной постепенностью, и мы видим, что путь луча с его светлыми и темными сторонами как бы закручивается в растворе сахар а винтообразно (рис. 150).

Рис. 151. Разложение прямолинейного колебания на два круговых колебания»

Если поместить между поляризатором и раствором сахара кристаллическую пластинку, то все явление расцвечивается: столб света оказывается винтообразно обмотанным разноцветными лентами всевозможных оттенков».

Френель разработал феноменологическую теорию естественного вращения плоскости поляризации, рассматривая его как проявление своеобразного двойного лучепреломления. С этой целью Френель разложил плоскополяризованное колебание, входящее в оптически активную среду, на два круговых противоположно направленных колебания (рис. 151). В каждый момент времени вращающиеся векторы круговых колебаний образуют равные углы с вектором плоскополяризованного колебания. Предположим теперь, что оба круговых колебания распространяются в среде с различными скоростями. Тогда между ними возникнет дополнительная разность фаз и нарушится

указанное равенство углов. Биссектрисой угла между векторами круговых колебаний явится уже новое направление, соответствующее новому результирующему световому вектору. Таким образом, возникнет поворот светового вектора в сторону, соответствующую направлению вращения более быстро распространяющегося в среде кругового колебания.

Теория Френеля не освещает причины различия скоростей двух противоположно направленных круговых колебаний. На этот вопрос дает ответ молекулярная теория вращения плоскости поляризации. В молекулярной теории приходится учитывать конечные размеры молекул, сказывающиеся на интерференции вторичных волн, возникающих в отдельных частях молекулы под действием проходящей световой волны.

В 1846 г. Фарадей опубликовал статью под странным названием «О магнетизации света и освещении магнитных силовых линий». Фарадей понимал необычность такого заголовка и сделал следующее пояснение: «Заголовок этой статьи, я думаю, привел многих в недоумение относительно ее содержания, и потому я считаю долгом прибавить объяснительное примечание... Я думаю, что в опытах, описанных мной в этой статье, свет подвергался действию магнитной силы, т. е. магнетизм в силах материи подвергался действию и в свою очередь действовал на магнетизм в силе света». Речь шла об открытом Фарадеем новом эффекте вращения плоскости поляризации света, проходящего сквозь тело, помещенное в продольное магнитное поле. Это явление получило название эффекта Фарадея.

Приведенное примечание Фарадея показывает, что, несмотря на неудачное название статьи, он понимал, что причиной наблюдающихся эффектов является не непосредственное действие магнитного поля на свет, а изменение оптических свойств вещества в магнитном поле.

До сих пор речь шла лишь о плоскополяризованном свете. Однако понятие поляризации света является гораздо более общим и обнимает гораздо больший круг явлений. Поляризованным, вообще говоря, называют луч, в котором существует какая-либо упорядоченность колебаний. Например, световой луч, в каждой точке которого равномерно вращается его электрический вектор, называется поляризованным по кругу. Световой луч, у которого конец электрического вектор а описывает эллипс, называется эллиптически поляризованным.

В природе эллиптически поляризованный свет получается при отражении естественного света от металла. Накаленные металлы испускают свет, обладающий некоторой долей эллиптической поляризации. Легко также получить эллиптически поляризованный свет из плоскополяризованного. Собственно говоря, мы его уже получали в наших схемах в качестве промежуточного состояния, но не обращали на это внимание. В самом деле, при прохождении света

сквозь кристаллическую пластинку в интерференционных опытах из нее выходил луч, состоявший из двух взаимно-перпендикулярных колебаний, отстававших друг от друга по фазе. При разности фаз, не равной нулю или целому числу , сложение таких колебаний дает, вообще говоря, движение по эллипсу, а в частном случае равенства осей - по окружности (т. 1, § 59, 1959 г. ; в пред. изд. § 69). Таким образом, кристалл кварца, вырезанный параллельно оптической оси и расположенный соответствующим образом, может превратить плоскополяризованный свет в свет, поляризованный по кругу. Кварц же, вырезанный перпендикулярно к плоскости оси, просто поворачивает плоскость поляризации на некоторый угол, как это указывалось выше. Анализ эллиптически поляризованного света заключается в определении осей эллипса, равных соответствующим амплитудам, и разности фаз слагающих колебаний. Для этой цели употребляют кроме анализаторов упомянутые выше компенсаторы, служащие для определения разности фаз. Эллиптически поляризованный свет является самым общим типом поляризованного света; все остальные виды поляризации являются частными случаями эллиптически поляризованного света, как мы это уже указывали.

С эллиптической поляризацией связано наиболее общее определение естественного света. С. И. Вавилов пишет: «Естественный свет теоретически можно осуществить бесчисленными способами, рассматривая его или как результат наложения однотипных эллипсов с хаотически распределенными осями, или как сумму всевозможных, беспорядочно ориентированных эллипсов».

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.

Поляризация электромагнитных волн.

Для ЭМВ, распространяющихся в какой-либо среде, существует понятие поляризации. Поляризация ЭМВ - это упорядоченность в ориентации векторов напряженности электрического и магнитного полей в плоскости перпендикулярной вектору скорости распространения ЭМВ. Различают эллиптическую, круговую и линейную поляризации.

Характер поляризации определяется конструкцией и ориентацией передающей антенны. В случае линейной поляризации вектор Е, периодически изменяясь, в процессе распространения остается перпендикулярным самому себе. Антенна в виде вертикального вибратора излучает вертикальную линейно-поляризованную волну. Для приема без потерь вибратор приемной антенны должен быть ориентирован также вертикально

Для создания горизонтальной линейно-поляризованной волны передающие вибраторы антенны должны располагаться горизонтально. Однако для спутниковой связи радиоволны в процессе распространения пронизывают ионосферу, находящуюся в магнитном поле Земли. В результате происходит вращение плоскости поляризации линейно-поляризованной волны (эффект Фарадея).

Ионосфера оказывается средой с двойным лучепреломлением, и радиоволна, распространяющаяся через нее, расщепляется на две составляющие. Эти составляющие распространяются в ионосфере с различными фазовыми скоростями. Поэтому при прохождении некоторого расстояния между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации. В результате рассогласования поляризации волны, пришедшей в точку приема, и поляризации приемной антенны происходит потеря энергии - возникают поляризационные замирания. Для предотвращения замираний необходимо использовать антенны с круговой поляризацией, при которой вектор Е вращается с частотой радиоволны, описывая при распространении винтовую линию. При этом величина вектора Е останется постоянной. На пути равном длине волны вектор Е поворачивается на 360 градусов.

Для создания антенны с круговой поляризацией необходимо иметь два передающих вибратора, смещенных в пространстве на 90 градусов один относительно другого. Они должны питаться токами равной амплитуды со сдвигом фазы на 90 градусов.

Радиоволны с круговой поляризацией излучают, например, турникетная антенна. Прием волн с круговой поляризацией возможен как на однотипные (турникетная, спиральная) антенны, так и на обычные вибраторы

В зависимости от направления вращения вектора Е круговая поляризация может быть:

· левовинтовая;
· правовинтовая.