Антенна с круговой или с линейной поляризацией, что лучше для FPV? §8. Получение света с эллиптической или круговой поляризацией
Любая антенна, к примеру, "BOF-5xxx + Отражатель" имеет некий сектор излучения. Распространяясь в этом секторе, часть электро-магнитной энергии уходит в космос, не достигая антенны приёмника. Часть энергии, излучённая ниже уровня горизонта, попадает на поверхность земли. При этом энергия частично поглощается поверхностью, а частично отражается от земли. Этот, отражённый сигнал, так же попадает в приёмную антенну. Суммируясь в приёмной антенне с некоторым временным опозданием и со случайной фазой по отношению к основному сигналу, отражённый сигнал является значительной помехой.
Особенностью радиоволн с эллиптической поляризацией является то, что при отражении сигнала, меняется вектор его вращения на противоположный.
Рис.2. Изменение направления вращения при отражении эллиптически поляризованной волны.
Излучённый сигнал с правосторонним вращением после отражения будет вращаться влево. При линейной поляризации сигнал при отражении сохраняет свой вектор поляризации.
Рис.3. Изменение вектора поляризации при отражении радиоволны, имеющей эллиптическую поляризацию.
Антенны круговой поляризации не принимают сигнал противоположного вращения.
И поэтому на приёмной антенне, отражённый сигнал, теперь в противоположной поляризации, Э.Д.С не наведёт. Приёмная антенна просто не "увидит" этот сигнал.
При построении беспроводных каналов связи на антеннах круговой поляризации, следует учитывать особенность отражения сигнала в зеркальных антеннах. Применяя в такой антенне активный элемент, излучающий с правостороннем вращением поляризации (например, облучатель BOF-2xxx RHCP), от антенны Вы получите сигнал с левосторонним вектором вращения (LHCP).
Поэтому, такая антенна (прим.: "Тарелка+BOF-2xxx RHCP") будет работать только с антеннами LHCP-поляризации. И, соответственно, наоборот.
Рис.4. Волна с круговой поляризацией меняет вектор направленности при отражении от параболического рефлектора.
Заметьте, что сменить поляризацию простым поворотом антенн на 90°, как Вы это могли делать с антеннами линейной поляризации, не получится. Вектор поляризации задается в процессе производства антенн и не может быть изменен пользователем.
А потому, продумайте конфигурацию Вашей сети и возможное её дальнейшее развитие (расширение) перед заказом оборудования.
Если сами затрудняетесь определиться какое оборудование Вам нужно - обратитесь к нам. Мы подберем Вам только нужное оборудование, работающее друг с другом. Минимальный набор оптимальных товаров, без "втирания" ненужного хлама.
Другое преимущество использования антенн с круговой поляризацией
В идеальных условиях, когда сигнал распространяется без препятствий, нет никакой разницы в том, как ориентирован в пространстве вектор поляризации сигнала.
В реальной же ситуации, существует масса препятствий, преград на пути распространения радиосигнала. Часть препятствий сигнал свободно проходит, на некоторых частично ослабляется, на третьих - полностью или частично отражается или безвозвратно поглощается.
На рисунке 5 наглядно показано распространение радиоволн с линейной поляризацией, на пути которых встречаются препятствия в виде ряда параллельных металлических стержней, расположенных вертикально и горизонтально.
Рис.5. Прохождение сигнала линейной поляризации через ряд параллельных металлических преград.
Радиоволны, имеющие вертикальную поляризацию полностью отражаются от вертикально ориентированных проводящих препятствий. Но при этом сигнал, имеющий горизонтальную поляризацию, практически без ослабления преодолевает это препятствие.
Напротив радиоволна, имеющая горизонтальную поляризацию, беспрепятственно проникает сквозь ряд вертикальных металлических преград.
Всего лишь одно препятствие, расположенное под углом в 45 градусов, наполовину ослабляет уровень сигнала. Причем это справедливо и для вертикальной, и для горизонтальной поляризации. (См. рис.6)
Рис. 6. Влияние на распространение сигнала помехи, расположенной под углом в 45 градусов.
В реальной практике преодолеть ряд вертикально и горизонтально ориентированных препятствий линейно поляризованная волна не может.
Ситуация хотя и кажется "лабораторной", искусственно созданной, на практике является самой распространенной. Причем эти самые препятствия чаще не бывают строго ортогональными, а наоборот имеют гамму вариаций.
Рисунок 6 наглядно иллюстрирует изменения линейно поляризованного сигнал после прохождения сквозь всего лишь одного дерева:
Рис.6. Прохождение сигнала с линейной поляризацией сквозь крону всего одного дерева.
Обратите внимание на принимающую сторону. Сигнал на антенну приходит ослабленный; одновременно приходит переотраженный сигнал, причем не в фазе основного сигнала
Происходит не только многократные отражения сигнала, причём в разных направлениях, его рассеивание в пространстве, но и искажение вектора поляризации при отражении.
В итоге на приёмную антенну попадает многолучевой сигнал разнородный по уровню сигнала и по поляризации; имеющий случайную фазу и время задержки из-за разного пройденного расстояния.
Все сигналы, попавшие в приёмную антенну с опозданием от основного сигнала, становятся помехой (шумом).
Нередко в таких случаях, при очень высоком уровне принимаемого сигнала, устанавливается низкая канальная скорость. Вызвано это тем, что только простые виды модуляции могут безошибочно детектироваться в условиях многолучевого интерференционного приёма.
Можно ли как-то с этим бороться?
Единственное, что реально работает в подобных условиях - антенны с эллиптической поляризацией.
Их "дальнобойность и пробиваемость" объясняется особенностью прохождения радиоволн с вращающимся вектором поляризации сквозь препятствия.
Рис.7. Прохождение сигнала эллиптической поляризации через ряд преград. Наш "лабораторный" пример.
Мы видим, что при прохождении параллельно ориентированных препятствий, сигнал эллиптической поляризации теряет только половину своей энергии на отражение, причём абсолютно независимо от расположения этих препятствий. На практике сигнал эллиптической поляризации, как штопор сквозь пробку, проникает через "сложные" препятствия там, где линейная поляризация бессильна.
Рассмотрим на примере как будет проходить сигнал с эллиптической поляризацией сквозь то же самое дерево (что и в примере выше). И как этот сигнал будет восприниматься приёмной антенной.
Очевидно, что вне зависимости от вектора поляризации, переотражаться сигнал будет одинаково.
Т.е. на выходе из кроны мы увидим примерно одинаковую картину, как в случае с линейной поляризацией (см. рис.6), так и в случае с эллиптической поляризацией.
В распространении радиоволн эллиптической поляризации наблюдается точно такая же интерференция сигнала, как и в случае с линейно поляризованным сигналом. Однако, отраженные сигналы эллиптической поляризации приходят на антенну в противоположной поляризации, практически не оказывая никакого влияния на уровень основного сигнала, т.к. с ним не суммируются.
А все сигналы, пришедшие в одной поляризации с основным, суммируются, повышая общий уровень принятого сигнала. Они имеют разную временну ю задержку, т.е. фазу (угол вхождения сигнала в антенну). На выходе антенны будет регистрироваться один сигнал с задержкой, определяемой векторным сложением. Причем этот выходной сигнал будет "гулять" только по уровню и по временной задержке.
Этими особенностями и обусловлена такая высокая "проникаемость" эллиптически поляризованного сигнала.
В реальных условиях системы MIMO "УМЕЮТ" ЛУЧШЕ развязывать каналы именно на эллиптической поляризации. А значит, в таких системах при работе на антеннах с круговой поляризацией выше скорость и стабильнее связь.
Cтраница 1
Эллиптическая поляризация (1.146) представляет собой наиболее общий вид поляризации излучения в свободном пространстве.
Эллиптическую поляризацию электромагнитной волны принято характеризовать коэффициентом эллиптичности поляризации, который определяется отношением длин большой и малой осей эллипса и выражается в децибелах.
Поэтому эллиптическая поляризация будет правополяризован-ной. Наоборот, для тупых углов (я / 2 С 6 я) составляющие Env и Eav имеют противоположные знаки, и эллиптическая поляризация становится левополяризованной.
Описание эллиптической поляризации, как и полного сопротивления, основывается на понятиях относительных амплитуд и фаз двух колеблющихся величин. Следовательно, весь математический аппарат, разработанный для описания полного сопротивления, может быть легко приспособлен для описания эллиптической поляризации. Во второй части Десчемпс применяет известный метод Пуанкаре, описывающий эллиптически поляризованные световые волны. Форма и ориентация эллипса задаются широтой и долготой на сфере. Соответствующая проекция сферы Пуанкаре на плоскость приводит к представлению эллиптической поляризации на диаграмме полных сопротивлений, описанной в первой части. Ранее Синклером было установлено, что эквивалентная длина для антенн эллиптической поляризации является комплексной величиной; во второй части показано, как для таких антенн может быть введена действительная эквивалентная длина.
| Электромагнитная волна с круговой поляризацией. (Эллиптическая поляризация занимает промежуточное положение между плоской (и круговой (поляризацией. |
При эллиптической поляризации существует некоторая комбинация вращательного и колебательного движений, а вектор электрического поля вычерчивает в пространстве эллипс.
Измерение эллиптической поляризации света, отраженного от поверхности металла при наклонном падении линейно поляризованного света, лежит в основе предложенного Друде экспериментального метода определения оптических характеристик них металла. Теория связывает п и х с эксцентриситетом и положением осей эллипса колебаний.
Определение эллиптической поляризации луча, отраженного поверхностью стекла (или других материалов), производят на поляризационном спектрометре [ 1 (гл.
Состояние эллиптической поляризации плоской волны в данной точке может быть описано амплитудами и относительными фазами трех взаимно перпендикулярных компонент электрического (или магнитного) поля. Во многих задачах, особенно связанных с антеннами, вполне допустимо выбирать такую систему координат, в которой одна из координатных плоскостей совпадает с поляризационным эллипсом. При этом состояние эллиптической поляризации может быть описано амплитудами и разностью фаз только двух ортогональных компонент вектора поля. Если каждую из этих компонент представить в виде комплексной колебательной функции, то их отношение будет фазором, модуль которого определяет отношение амплитуд компонент, а аргумент - разность фаз.
Антенны эллиптической поляризации ставят ряд проблем их математического описания и техники измерений, которые не возникают для антенн линейной поляризации. Например, при снятии диаграммы направленности антенны линейной поляризации обычно просто измеряется напряженность поля на достаточном расстоянии от антенны как функция направления; измерением фазы, как правило, не интересуются. У антенн эллиптической поляризации должны быть измерены две компоненты поля, причем важно знать разность фаз между ними. Эти величины изменяются с направлением, и, естественно, возникает вопрос о способе фиксирования такой информации на бумаге.
С эллиптической поляризацией связано наиболее общее определение естественного света.
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.
§8. Получение света с эллиптической или круговой поляризацией
Для доказательства этого утверждения рассмотрим суперпозицию двух волн одинаковой частоты, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, что эквивалентно разложению произвольной монохроматической волны на две взаимно ортогональные составляющие .
Уравнения волн
Где φ - сдвиг фаз между волнами.
Уравнения (1) есть уравнение эллипса в параметрической форме. Чтобы убедиться в этом, исключим из этих уравнений параметр времени t .
Для этого запишем уравнения в виде
Возводя уравнения (2)и (4)в квадрат и используя тождество, получим
Откуда после преобразований
Это уравнение эллипса, вписанного в прямоугольник со сторонами 2A x и 2A y (см. рис.)
При φ =π /2 иA x =A y =А эллипс вырождается в окружность, а приφ =π m , гдеm = 0, 1, 2, … -в отрезок прямой:
Таким образом, эллиптическая поляризация является общим случаем поляризации монохроматической волны, частными случаями которой являются круговая и линейная поляризации волн.
§9. Двойное лучепреломление. Способы получения линейно поляризованного света
В природе существуют изотропные и анизотропные кристаллы (одноосные и двуосные). В изотропном кристалле скорость световой волны одинакова во всех направлениях. В анизотропном одноосном кристалле, как показывает опыт, возникает две волны: обыкновенная (о-волна) инеобыкновенная (е-волна). В двуосных кристаллах возникают две необыкновенные волны.
В одноосном кристалле скорость v o распространения о-волны одинакова в разных направлениях, а скорость распространения е-волныv e -различна. Поэтому фронт о-волны сферический, а е-волны-эллиптический. В зависимости от типа кристалла возможноv e >v o (отрицательный кристалл) либоv e >v o (положительный кристалл).
Существует такое направление в кристалле, в котором скорости v e иv o обыкновенной и необыкновенной волн одинаковы. Это направление называютоптической осью кристалла. В направлении оптической оси фронты о- и е-волн (сфера и эллипсоид) касаются друг друга. Любая плоскость, параллельная оптической оси кристалла называетсяглавным сечением кристалла.Если на границу одноосного кристалла задает световой луч, то на его границе образуется два преломленных луча: обыкновенный (о-луч) и необыкновенный (е-луч), соответствующие о- и е-волнам в кристалле. Это явление называетсядвойным лучепреломлением .
Оказывается, что о- и е-лучи линейно поляризованы . Причем о-луч поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости главного сечения кристала, а е-луч -параллельно главному сечению (см. рис.)О-луч подчиняется обычному закону преломления:,а е-луч-не подчиняется. Поэтому, если луч света падает на одноосный кристалл перпендикулярно его границе, то возникающий о-луч не преломляется, а е-луч- преломляется. Если на пути о- или е-луча на выходе кристалла поставить заслонку, то на его выходе останется линейно поляризованный о- или е-луч.
Если кристалл вырезан так, что его оптическая ось параллельна границе кристалла и перпендикулярно границе на кристалл падает световой луч, то образующиеся в кристалле о- и е-лучи не преломляются. В этом случае в кристалле в одном направлении, перпендикулярном оптической оси будут распространяться две волны, поляризованный в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Скорости распространения этих волнv o иv e различны. Поэтому при прохождении через кристалл эти волны сместятся относительно друг друга и между ними возникнет некоторая разность фазφ ,зависящая от толщины кристалла. Как было показано, сложение двух волн одинаковой частоты, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, дает в общем случае эллиптически поляризованную волну той жe частоты.
В частности, на выходе кристалла можно получить циркулярно либо линейно поляризованную волну. Детально этот вопрос будет рассмотрен после изучения интерференции и дифракции волн.
Существуют одноосные кристаллы, поглощающие колебания, перпендикулярные оптической оси кристалла, т.е. поглощающие обыкновенную волну. Такие кристаллы называют поляроидами (например, николь [призма Николя ]). На выходе поляроида всегда будет линейно поляризванный свет в плоскости, параллельной оптической оси кристалла.
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.