Антенна с круговой или с линейной поляризацией, что лучше для FPV? Что такое круговая поляризация.

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».

Антенны можно разделить на категории по виду поляризации: линейная или круговая. В этой статье мы подробно рассмотрим различия между этими видами поляризации.

Это перевод статьи Оскара, оригинал: Circular or Linear Polarized Antenna For FPV

Виды поляризации

Поляризация определяет вид волн в пространстве. Этот термин очень часто употребляется при обсуждении FPV оборудования.

Линейная поляризация

В этом случае сигнал колеблется горизонтально или вертикально, но только в одной плоскости.

Большинство простых антенн дают линейную поляризацию сигнала: например, стоковые диполи (в комплекте с видео передатчиками и приемниками), или даже домашний Wifi.

Достоинства и недостатки линейной поляризации

Антенны линейной поляризации очень широко распространены благодаря простоте конструкции, что в самом примитивном виде дает просто кусок провода. Эти антенны имеют малый размер, низкую цену, их легко ремонтировать и собирать.

В общем и целом, линейная поляризация отлично подходит для больших расстояний, т.к. вся энергия будет сосредоточена в одной плоскости. Это преимущество не всегда проявляется из-за многолучевого распространения сигнала (многократные переотражения сигнала), но это мы обсудим чуть позже.

Для того чтобы получить максимальный уровень сигнала, антенны приемника и передатчика должны быть расположены параллельно (для максимального перекрытия излучения.

В самом крайнем случае, когда антенна приемника и антенна передатчика расположены под углом 90 градусов друг относительно друга — получаем наименьший уровень сигнала. Результат — потери сигнала в 30 дБ, это кросс поляризация.

Наши коптеры постоянно перемещаются в небе, поэтому невозможно держать антенны параллельно друг другу, следовательно, прием FPV сигнала будет не стабильным.

Круговая поляризация

При круговой поляризации сигнал распространяется в обоих плоскостях (в вертикальной и горизонтальной) со сдвигом фазы на 90 градусов, представить можно в виде штопора.

Посмотрим на наиболее часто используемые антенны для FPV.

Четырехлепестковый клевер (Skew-Planar Wheel antenna) — антенна круговой поляризации, имеет отличную устойчивость к отраженным сигналам. Обычно она используется там, где аэродинамическое сопротивление не критично. Как правило это антенна на приемнике, хотя и на передатчик ее тоже можно поставить.

Трехлепестковый клевер (The Cloverleaf antenna) — обычно используется на передатчиках. Можно комбинировать с четырехлепестковым клевером для увеличения радиуса приема и увеличения качества сигнала.

Достоинства и недостатки круговой поляризации

Сигнал с круговой поляризацией всегда попадает на антенну, т.е. вне зависимости от угла между антенной на квадрике и на приемнике. Именно поэтому антенны с круговой поляризацией — стандарт для FPV.

Еще одно достоинство антенн с круговой поляризацией — это возможность отсекать отраженный сигнал .

Многолучевое распространение сигнала — одна из главных причин плохого качества видео (изменение цвета, помехи, скрэмблированное изображение, двоение и т.п.). Так бывает, когда сигнал отражается от объектов и приходит с другой фазой, при этом смешиваясь с основным сигналом.

Круговая поляризация бывает, как левой (LHCP), так и правой (RHCP). На передатчике и приемнике должны быть антенны с одним и тем же направлением, иначе будет очень сильная потеря сигнала.

Круговая поляризация хорошо защищает от переотраженных сигналов, потому что, когда сигнал отражается от объекта, меняется направление поляризации. Т.е. антенна LHCP отсекает RHCP сигнал и наоборот (кросс поляризация).

Когда использовать круговую поляризацию?

• При полетах около крупных объектов типа деревьев, зданий, в парках и стадионах
• Акробатические полеты, когда положение коптера постоянное меняется
• Полеты на низкой высоте (вблизи других объектов)

Когда использовать линейную поляризацию?

• При полетах на большие расстояния в прямой видимости, без крупных препятствий
• Прямолинейные полеты, без флипов и ролов
• Когда вес, размер и прочность антенны стоят на первом месте

История изменений

• Октябрь 2013 — написана первая версия
• Май 2017 — статья обновлена

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.

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.

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 неполяризована.

Демонстрация поляризации волн: шнур от ротора перед щелью колеблется по кругу, а за щелью до точки закрепления - линейно

Поляриза́ция волн - характеристика поперечных волн , описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Виды поляризации

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды , всегда перпендикулярным к волновому вектору. Волновой вектор показывает направление распространения волны, а вектор амплитуды показывает, в какую сторону происходят колебания. В трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы - возможность вращения вектора амплитуды вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

• несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
• анизотропность среды распространения волн;
• преломление и отражение на границе двух сред.

Теория явления

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например, поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например, по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса ). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита .

Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн .

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света, прошедшего через поляризаторы, подчиняется закону Малюса . На этом принципе работают жидкокристаллические экраны .

Некоторые живые существа, например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например рак-богомол , способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией. Некоторые люди также обладают способностью различать поляризацию света, в частности, эти люди могут наблюдать невооруженным глазом эффекты, связанные с частичной поляризацией света дневного неба. Так описывает этот эффект Лев Николаевич Толстой в своей повести «Юность»: «и, вглядываясь в растворенную дверь балкона … , и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает;»

История открытия поляризации электромагнитных волн

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Расмус Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO 3), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра , которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

Через двадцать лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Христиана Гюйгенса . Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы).

В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны , то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.

Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

Здесь набег фазы τ = k z − ω t {\displaystyle \tau =kz-\omega t} .

Преобразовав и сложив первые два уравнения, можно получить уравнение движения вектора E → {\displaystyle {\vec {E}}} :

Наряду с S 1 {\displaystyle S_{1}} , S 2 {\displaystyle S_{2}} , S 3 {\displaystyle S_{3}} используют также нормированные параметры Стокса s 1 = S 1 / S 0 {\displaystyle s_{1}=S_{1}/S_{0}} , s 2 = S 2 / S 0 {\displaystyle s_{2}=S_{2}/S_{0}} , s 3 = S 3 / S 0 {\displaystyle s_{3}=S_{3}/S_{0}} . Для поляризованного света s 1 2 + s 2 2 + s 3 2 = 1 {\displaystyle s_{1}^{2}+s_{2}^{2}+s_{3}^{2}=1} .

s - и p -поляризации волн

В оптике и электродинамике s -поляризованная волна (сравните нем. senkrecht - перпендикулярный) имеет вектор электрического поля E, перпендикулярный плоскости падения. s σ -поляризованной, сагиттально поляризованной, волной E-типа , TE-волной (Transverse Electric ) . p -поляризованная волна (сравните лат. parallel - параллельный) имеет вектор электрического поля E, параллельный плоскости падения. p -поляризованную волну также называют π -поляризованной, поляризованной в плоскости падения, волной H-типа , TM-волной (Transverse Magnetic ) .

Термины TM-волна и TE-волна в работах ряда авторов меняются местами. Дело в том, что классически плоская граница предполагает однородность структуры в двух направлениях. В этом случае определяют плоскость падения и перпендикулярность напряженностей по отношению к ней. Разделение электромагнитного поля на два несвязанных решения возможно в более общем случае структуры, однородной в одном направлении. В этом случае удобно определять перпендикулярность напряжённостей по отношению к направлению однородности . Распространение последнего определения на частный классический случай приводит к тому, что напряженность, перпендикулярная к направлению однородности, оказывается в плоскости падения. Отмечается, что в случае металлической поверхности существенны только волны с электрической напряженностью, перпендикулярной к границе металла . Такие волны также удобнее называть TE-волнами. Термины TM и TE связаны также с обозначением поперечных мод в лазерном резонаторе или волноводе.

В сейсмологии p -волна (от англ. primary - первичный) - продольная волна, приходящая от эпицентра землетрясения первой. s -волна (от англ. secondary - вторичный) - поперечная волна (shear wave), имеющая меньшую скорость распространения, чем продольная, и поэтому приходящая от эпицентра позднее.

До появления проекта НТВ-Плюс российским энтузиастам спутникового телевидения редко приходилось сталкиваться с круговой поляризацией - наибольший интерес для индивидуального приема представляют европейские спутники с линейно поляризованным излучением. Однако особенности приема сигналов с круговой поляризацией ярко проявились с началом цифрового вещания НТВ-Плюс. При приеме сигнала со спутника BONUM-1 на ту же антенну, что используется для приема европейских спутников (с конвертором без деполяризатора), картинка "рассыпается" даже при очень большом уровне сигнала.

При приеме сигналов "старых" спутников "Галс", TDF-2 и Hot Bird на одну подвижную антенну деполяризатор был не нужен. Во-первых, сигнал "Галсов" намного мощнее сигнала спутников Hot Bird и, даже с потерями 3 дБ, принимался не хуже. Во-вторых, несущие частоты транспондеров "Галсов" и TDF-2 разнесены довольно далеко, не менее чем на 36 МГц (11767 LZ и 11803 RZ). Это больше, чем ширина полосы пропускания приемника (27 МГц), поэтому даже при одновременном приеме сигналов в обеих поляризациях без развязки они не перекрывались по частоте. Эта особенность позиции 360 в.д. успешно использовалась при коллективном приеме - для одновременного приема сигналов с правой и левой поляризацией использовалась антенна с запасом усиления 3 дБ (диаметр примерно в 1,5 раза больше минимально необходимого) и штатный конвертор НТВ-Плюс, из которого намеренно удалялся деполяризатор. Отпадала необходимость использовать спаренные конверторы, разделители поляризаций, мультисвитчинги и т.д.

Транспондеры спутника BONUM-1 расположены "вплотную". Центральные частоты транспондеров с разной поляризацией разнесены всего на 19 МГц. При приеме сигнала, например, с правой круговой поляризацией часть мощности сигнала соседнего по частоте транспондера с левой круговой поляризацией попадет в полосу пропускания приемника. Такой сигнал не является полезным сигналом, следовательно, его можно рассматривать как шум. Увеличение диаметра антенны в данном случае не улучшает качество приема, так как уровень шума растет пропорционально уровню сигнала.

У волны с круговой поляризацией вектор электрического поля имеет постоянную величину, но изменяет направление (вращается), делая один оборот на 3600 за один период несущей частоты. Можно представить волну с круговой поляризацией как сумму двух линейно поляризованных волн, векторы Е’ и E" которых расположены ортогонально, а фаза колебаний отличается на p/2 (правая круговая поляризация) или на 3p/2 (левая круговая поляризация). На рис. 1 показан один период волны с круговой поляризацией. Вектор E’ расположен вертикально, а вектор E" - горизонтально. Из рисунка видно, что суммарный вектор Eкр постоянно изменяет свое направление, делая полный оборот за один период. Теперь предположим, что сигнал с круговой поляризацией будет приниматься на переключаемый конвертор.* Так как его штыри расположены ортогонально (под углом 900), можно расположить векторы составляющих E’ и E" параллельно "вертикальному" и "горизонтальному" штырям конвертора соответственно. Нетрудно догадаться, что сигнал будет приниматься на оба штыря одинаково, составляющая E’ будет возбуждать штырь вертикальной поляризации, составляющая E" - штырь горизонтальной поляризации. Амплитуда каждого из векторов E’ и E" будет меньше амплитуды вектора Eкр в Ц2 раз, т. е. потери по мощности составят 3 дБ (мощность сигнала разделится поровну между двумя штырями).

Чтобы избежать потерь при приеме сигнала с круговой поляризацией, используются устройства - деполяризаторы. Наиболее простой деполяризатор - диэлектрический. Он представляет собой секцию круглого волновода с диэлектрической пластиной внутри (рис. 2). Допустим, что в таком волноводе распространяется волна с круговой поляризацией. Разложим ее на две составляющих, направив вектор E’ параллельно пластине деполяризатора, а вектор E" - перпендикулярно ей. Фазовая скорость составляющей, вектор E’ которой направлен параллельно пластине, не изменится и останется равной скорости распространения волны в волноводе Св. Скорость же волны, вектор E" которой перпендикулярен пластине, будет больше или меньше скорости Св, это зависит от размеров волновода, толщины и диэлектрической проницаемости материала пластины. Соответственно длина волны будет больше или меньше, чем длина волны в свободном пространстве. Необходимо задержать или ускорить составляющую E" таким образом, чтобы к концу секции деполяризатора обе составляющих E’ и E" отличались по фазе на 0 или на p. В этом случае на выходе деполяризатора они окажутся в фазе или в противофазе, и суммарный вектор будет иметь постоянное направление (450 по отношению к каждой составляющей, см. рис. 2). Таким образом, длина пластины подбирается с таким расчетом, чтобы задержка составляющей E" составляла p/2, т. е. количество длин волн составляющих E’ и E", укладывающихся на длине пластины L, должно отличаться на l/4. В конверторе Cambridge AE37 (штатный конвертор НТВ-Плюс) используется пластина из полистирола толщиной 1 мм и длиной 46 мм. Пластина располагается в волноводе таким образом, чтобы угол между плоскостью пластины и плоскостью, в которой расположен "вертикальный" штырь конвертора, составлял 450. При таком расположении пластины деполяризатор преобразует волну с правой круговой поляризацией в волну с линейной вертикальной поляризацией, а волну с левой круговой - в волну с линейной горизонтальной.

Нетрудно убедиться, что деполяризатор - обратимое устройство. Если на входе секции деполяризатора присутствует линейно поляризованная волна, вектор Eл которой расположен под углом 450 к диэлектрической пластине, то на выходе секции волна приобретает круговую поляризацию. Как принимается сигнал с круговой поляризацией на переключаемый конвертор с двумя штырями, уже рассматривалось выше. Таким образом, если линейно поляризованный сигнал (например, со спутников Hot Bird) принимать на конвертор с деполяризатором, потери по мощности составят не менее 3 дБ, и сигналы обеих поляризаций (и вертикальной и горизонтальной) будут приниматься одинаково на оба штыря, мешая приему друг друга.

Заметим, что если диэлектрическую пластину расположить параллельно или перпендикулярно направлению вектора Е линейно поляризованной волны, она будет вносить минимальное затухание, не изменяя при этом направление поляризации. Значит, деполяризатор можно "отключить" на время приема спутника с линейной поляризацией, установив пластину параллельно штырю вертикальной поляризации (или перпендикулярно ему). Это можно сделать с помощью комбинации устройств "диэлектрический деполяризатор + механический или магнитный поляризатор". При первоначальной настройке пластина деполяризатора устанавливается по направлению вектора Е вертикально поляризованной волны. Для приема сигналов с линейной поляризацией механическим поляризатором приемный штырь разворачивается параллельно или перпендикулярно пластине. Для приема сигналов с круговой поляризацией штырь устанавливается таким образом, чтобы угол между ним и плоскостью пластины составлял 450 в ту или иную сторону. Если используется магнитный поляризатор, штырь конвертора остается неподвижным, а направление поляризации линейно поляризованной волны (прошедшей параллельно или перпендикулярно пластине деполяризатора или сформированной из волны с круговой поляризацией) приводится магнитным поляризатором в плоскость штыря.

Использование обоих этих устройств связано с некоторыми ограничениями.

• Первое: для управления как магнитным, так и механическим поляризатором ресивер должен иметь соответствующий интерфейс. У цифровых ресиверов, за редкими исключениями (например, PRAXIS DVB9800 ADP), такого интерфейса нет. Для управления магнитным поляризатором в упрощенном варианте можно использовать выход ресивера 0/12 В с некоторыми доработками.
• Второе: и тот и другой поляризаторы рассчитаны на работу с конверторами без переключения поляризации (с прямоугольным фланцем). Как правило, если такой конвертор двухдиапазонный, то гетеродины верхнего и нижнего диапазона переключаются напряжением питания 13/18 В. У большинства цифровых ресиверов этот управляющий сигнал используется только для переключения поляризации. Это обстоятельство сильно усложняет программирование ресивера.
• Третье: оба эти устройства вносят собственные потери от 0,2 до 0,5 дБ, уменьшая добротность приемной установки в целом.

В большинстве случаев выгоднее использовать для приема спутников в позиции 360 в.д. отдельную антенну или отдельный конвертор. Все без исключения цифровые ресиверы поддерживают протокол DiSEqC, поэтому проблем с коммутацией антенн не возникнет.