Поляризация плоских волн

Вопрос поляризации электромагнитных волн имеет практическое значение для задач распространения радиоволн и ориентации антенн в пространстве.

Поляризация электромагнитной волны – важная характеристика, определяющая направление вектора напряженности электрического поля, т.е. его ориентацию в фиксированной точке пространства (обычно это годограф вектора ).

В процессе распространения волны вектор в этой точке совершает колебательное движение. При этом конец вектора описывает некоторую кривую, по виду которой определяют вид поляризации. Различают три вида поляризации электромагнитных волн: линейную, круговую и эллиптическую.

Линейная поляризация

Линейно-поляризованной называют волну, у которой конец вектора в фиксированной точке пространства за период описывает прямую линию
(годограф –прямая). Примером такой волны являются плоские волны и волны излученные элементарным электрическим вибратором. Для примера рассмотрим электрическое поле плоской волны.

График Ex(z) в фиксированный момент времени представлен на рис. 3.7.

Рисунок 3.7 – Линейная поляризация

В фиксированном сечении вектор всё время остается параллельным оси Ox, а его конец за период колебания описывает прямую, параллельную оси Ox.

Так как в линейно-поляризованной волне векторы находятся в одной плоскости
(в нашем случае в плоскости xOz, то такую волну еще называют плоскополяризованной. Плоскость, проходящая через векторы и ,называется плоскостью поляризации.

Вопрос о поляризации ЭМВ в радиотехнике имеет весьма существенное значение. Так, например, если передающая (излучающая) антенна (вибратор) ориентирована вертикально, то излученная волна будет вертикально поляризована, поскольку вектор (рис.3.7)_.

Рисунок 3.8 – К вопросу о согласовании поляризаций передающей
и приемной антенн

Если в поле этой волны находится приемная (принимающая) антенна (вибратор), то наводимая в ней ЭДС определится

(3.13)

где α - угол между вектором и осью вибратора длиною l_прн.

Если приемный вибратор ориентирован вертикально (α=0), т.е. поляризация антенн одинакова (согласована) и ЭДС, наводимая в приемной антенне, максимальна (cos0°=1). Если же антенны взаимно перпендикулярны (a =90°), то ЭДС равна нулю (cos90°=0).
В этом случае говорят, что поляризация антенн не согласована.

Кроме вертикальной и горизонтальной поляризаций возможна наклонная поляризация электромагнитных волн как разновидность линейной поляризации (рис. 3.11,а).

Круговая поляризация

Волна, у которой конец вектора в фиксированной точке пространства за период описывает окружность, называется поляризованной по кругу (годограф –круг). Вектор электрического поля Ē по мере распространения волны вдоль оси z совершает вращательные движение, и его конец на плоскости х0у описывает круг
(рис. 3.9). Вращение Ē происходит с частотой ω. Волна с круговой поляризацией может быть получена в результате суперпозиции двух линейно-поляризованных волн при выполнении трех условий:

; ; . (3.14)

Рассмотрим такой случай. Пусть поле волны отстает по фазе от поля волны на угол , т.е. .

Запишем выражения для этих полей:

;

(3.15)

.

В вещественной форме эти две ЭМВ запишутся:

;

.

Мгновенное значение результирующего вектора изображено на рис. 3.9 и может быть описано:

. (3.16)

Рисунок 3.9 – Круговая поляризация

Модуль вектора:

Угол между осью Ox и направлением мгновенного значения равен:

. (3.17)

Из (3.10) следует, что в каждой фиксированной точке наблюдения (z= const) угол α прямо пропорционален t, т.е. с течением времени α равномерно увеличивается. Следовательно, вектор, оставаясь постоянным по модулю, вращается с угловой скоростью и за период описывает один оборот .

Различают правополяризованную и левополяризованную волны. Круговую поляризацию принято называть правой, если вращение вектора происходит по часовой стрелке (если смотреть вдоль направления распространения волны). Таким образом, рассмотренная нами волна имеет правую круговую поляризацию.

Антенны с круговой поляризацией применяют, например, для осуществления устойчивой связи между наземным передатчиком и приемником, установленным на летательном аппарате (самолете, ракете и т.п.). Применение антенн с линейной поляризацией в данном случае нецелесообразно, так как антенна летательного аппарата в процессе его полета меняет свое пространственное положение и при рассогласовании поляризаций приемной и передающей антенн связь может нарушиться.