Поляризация электромагнитных волн

В неполяризованной электромагнитной волне колебания векто­ров напряженности электрических Е и магнитных Н полей происхо­дят в каждой точке пространства по всевозможным направлениям (в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны). Они быстро и беспорядочно сменяют друг друга и ни одно из этих направлений не является преимущественным.

В поляризованной электромагнитной волне в каждой точке про­странства направление колебаний векторов сохраняется неизмен­ным в течение полупериода или изменяется во времени по опре­деленному закону.

Поляризация - это физическая характеристика излучения, описывающая направленность векторов - моментов электриче­ского поля, распространяющейся электромагнитной волны.

К первому случаю относятся электромагнитные волны плоских поляризаций - вертикальной или горизонтальной. Ко второму - эл­липтических и, как частный случай, круговых поляризаций.

За плоскость поляризации электромагнитной волны принимают плоскость, в которой находится вектор ее электрического поля Е и ось, вдоль которой данная волна распространяется.

Направление распространения электромагнитной волны в сво­бодном пространстве и векторы ее напряженности магнитного Н и электрического Е полей всегда взаимно перпендикулярны (ортого­нальны), т.е. сдвинуты по отношению друг к другу на 90°.

Поскольку векторы Е и Н всегда взаимно ортогональны (рис. 2.9), то для направления распространения электромагнитной волны дос­таточно знать направление одного из векторов и для этого выбрано направление вектора Е. В плоскополяризованной электромагнитной волне электрическое поле распространяется в плоскости, и его век­тор Е изменяется линейно от максимального положительного значе­ния до максимального отрицательного. Его проекция на плоскость перпендикулярной плоскости распространения представляет собой линию.

Отсюда, часто встречающееся другое название плоскополяризованных волн - электромагнитные волны линейной поляриза­ции. С помощью соответствующих устройств - поляризаторов при передаче можно суммировать, а в устройствах приема можно раз­делять плоско (линейно) поляризованные электромагнитные волны вертикальной и горизонтальной поляризации. Они после разделе­ния будут независимы друг от друга.

Сумма двух плоско (линейно) поляризованных электромагнит­ных волн, имеющих одинаковые частоты и амплитуды и смещенных друг относительно друга на четверть длины волны - на 90°, приво­дит их к круговой поляризации (рис. 2.10), вращающейся или влево, или вправо. Если их смещение отличается от 90°, то возникает волна эллиптической поляризации, также способная вращаться или влево, или вправо в направлении распространения.

Рис. 2.9. Электромагнитные волны линейных поляризаций: а - вертикальные; б - горизонтальные для одного и того же направления распро­странения

Вектор напряженности электрического поля Е при круговой по­ляризации не изменяется по амплитуде и описывает во времени круг в плоскости перпендикулярной распространению. Отсюда и соответствующее название.

Поляризованные электромагнитные волны обладают важней­шим свойством: электромагнитные волны взаимнопротивоположных плоских поляризаций при приеме можно разделять. Это нахо­дит применение на практике для передачи разных телевизионных программ по одним и тем же частотным каналам.

Благодаря поляризационным свойствам электромагнитных волн, выделенный частотный диапазон может использоваться повторно,' что увеличивает его пропускную способность и снижает стоимость эксплуатации частотного канала.

При ретрансляции телепрограмм через спутники используются электромагнитные волны:

□ двух видов линейных (плоских) поляризаций - вертикальной (V) и горизонтальной (Н);

 

Рис. 2.10. Возникновение волны круговой поляризации:

Ен - напряженность электрического поля волны горизонтальной поляризации;

Ev - напряженность магнитного поля волны вертикальной поляризации;

а - суммарная круговая электромагнитная волна и ее направление

□ двух видов круговых поляризаций - с вращением электромаг­нитного поля вправо (RC) и влево (LC).

Например, западноевропейские спутники INTELSTAT, ASTRA и др. излучают в основном электромагнитные волны линейных поля­ризаций: вертикальных или горизонтальных (V или Н), а российские спутники ГАЛС-1, ГАЛС-2, TDF-2 и т.п. - только круговых поляриза­ций (правосторонних - RC или левосторонних - LC). Теоретически наиболее подходящими для ретрансляции телевизионного веща­ния через спутники являются электромагнитные волны линейных поляризаций. Однако при прохождении электромагнитной волны линейной поляризации через атмосферу под действием магнитного поля Земли она может расщепляться на две составляющие - элек­трическую и магнитную, которые распространяются с разными ско­ростями в ионосфере. В результате между ними возникает сдвиг по фазе, приводящий к повороту плоскости поляризации электромаг­нитной волны, снижению ее мощности в антенне при приеме и к появлению дополнительных (кроссполяризационных) помех. Это явление заметно на частотах ниже 10 ГГц и здесь применяются электромагнитные волны исключительно круговых поляризаций, что в основном используется на российских спутниках. На частотах выше 10 ГГц такие потери незначительны. В этом случае применя­ются и электромагнитные волны линейных поляризаций.

Следует отметить, что применение электромагнитных волн взаимнопротивоположных поляризаций вызвано необходимостью увеличения пропускной способности выделенного частотного диапазо­на для ретрансляции телевизионных программ.

Возможность разделения электромагнитных волн по поляри­зации является важнейшим их свойством.

В первичном облучателе внешнего устройства при приеме элек­тромагнитные волны круговой поляризации разделяются на элек­тромагнитные волны горизонтальной и вертикальной поляризаций. Для этих целей используются электромагнитные, механические и другие поляризаторы.