Поляризация радиоволн. 
Физические основы получения информации

Одним из важнейших параметров электромагнитной волны является ее поляризация, определяемая ориентацией вектора Е в пространстве по мере распространения волны. Волну называют естественной (неполяризованной), если в фиксированной точке пространства изменения модуля вектора Е и его направления в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, имеют хаотический характер, рис. 6.2, а.

Если в фиксированной точке пространства направление вектора Е остается неизменным, а его модуль изменяется по гармоническому закону, го такая волна называется линейно поляризованной — рис. 6.2, б. На рисунке в трехмерной системе пространственных координат xyz показан вектор Е в фиксированной точке пространства в разные моменты времени, а в двухмерной системе координат ху — в фиксированный момент времени. Плоскость, проходящая через вектор Е и ось z, называется плоскостью поляризации.

Если в фиксированной точке пространства вектор Е, оставаясь неизменным по модулю, вращается в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, то волна такого типа называется волной с круговой (циркулярной) поляризацией (рис. 6.2, в). Радиоволна с круговой поляризацией может быть получена, в частности, путем сложения двух линейно поляризованных волн одной частоты, сдвинутых по фазе на л/2 и имеющих взаимно перпендикулярные плоскости поляризации.

В зависимости от направления вращения вектора различают волны с правой круговой поляризацией (вращение по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления распространения) и левой круговой поляризацией (вращение против часовой стрелки). На рис. 6.2, в показана волна с правой круговой поляризацией.

Если в фиксированной точке пространства вектор Е, вращаясь в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, описывает своим концом эллипс, то волна такого типа называется эллиптически поляризованной (рис. 6.2, г). По аналогии с предыдущим случаем различают волны с правой и левой эллиптической поляризацией. Эллиптически поляризованная волна может быть получена путем сложения двух линейно поляризованных волн одной частоты, сдвинутых по фазе и имеющих различные плоскости поляризации.

Рис. 6.2. Виды поляризованных электромагнитных волн: а — неполяризованная; блинейно поляризованная; в-с круговой поляризацией; г — эллиптически поляризованная

При падении электромагнитной волны на границу раздела двух сред в общем случае часть энергии переходит во вторую среду, а другая ее часть отражается от границы раздела, вызывая изменение структуры поля в первой среде. В качестве эффектов, нашедших наибольшее применение при измерительных преобразованиях, рассмотрим отражение и преломление плоских волн в диэлектриках, а также отражение радиоволн от металлической поверхности.

Падение плоской, линейно поляризованной электромагнитной волны на плоскую границу раздела двух диэлектриков. В случае отличия диэлектрических проницаемостей первого и второго диэлектриков, щ * е₂, на границе их раздела в общем случае происходит частичное отражение волны и частичное ее прохождение во вторую среду, сопровождаемое изменением направления распространения. Будем считать, что оба диэлектрика являются немагнитными: р_г1 = р,₂ = 1.

Рис. 6.3. Лучевая картина преломления и отражения электромагнитной волны на плоской границе двух диэлектриков:

1 — падающая волна; 2 — отраженная волна; 3 -преломленная волна

Для изотропных сред допустима лучевая трактовка закона отражения и преломления, иллюстрируемая рис. 6.3 и заключающаяся в следующем. Падающий, отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости (плоскости падения), нормальной к границе раздела сред. Угол отражения |3 равен углу падения а. Углы преломления у и падения а связаны законом, открытым в 1620 году голландским ученым В. Снеллем:

где Vi, v₂ — скорость распространения волны в первой и второй средах.

С учетом (6.8) соотношение углов преломления и падения равно:

где п 1, П2 и s, i, е, 2 — показатели преломления и относительные диэлектрические проницаемости первой и второй сред.

Соотношение амплитуд падающей, отраженной и преломленной волн установлено французским физиком О. Ж. Френелем в 1823 году. Это соотношение зависит не только от угла падения, но и от поляризации волны. На рис. 6.4 показаны два варианта линейной поляризации волны: параллельная (вектор напряженности электрического поля падающей волны параллелен плоскости падения — рис. 6.4, а) и перпендикулярная (вектор напряженности электрического поля падающей волны перпендикулярен плоскости падения — рис. 6.4, б). Для обозначения вида поляризации использованы соответствующие индексы (=) и (±).

Рис. 6.4. Векторы напряженности падающей, отраженной и пречомленной волн для случаев параллельного (а) и перпендикулярного (б) направлений вектора напряженности электрического поля Е_х падающей волны относитечьно плоскости падения.

Формулы Френеля для параллельного и перпендикулярного видов линейной поляризации имеют следующий вид:

При произвольной поляризации электромагнитной волны задача взаимодействия с границей раздела решается путем представления вектора напряженности электрического поля Е суммой векторов Е₁₌ и Е_1±, направленных параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

В случае нормального падения волны на границу раздела (а = 0; у= 0).

Анализ выражений (6.16) показывает, что для линейно поляризованной волны при условии параллельности вектора напряженности электрического поля плоскости падения существует угол падения а_Б, при котором падающая волна без отражения полностью проходит во вторую среду. Этот угол называется углом Брюстера. Его значение находится из условия равенства первого уравнения (6.16) нулю, что при е₂ * 8i может иметь место только в случае tg (a + у) = оо и соответственно a + у = л /2. Отсюда значение угла Брюстера определяется выражением:

Из анализа (6.16) также следует, что в случае s₂ < щ при превышении угла падения некоторого критического угла а_кр происходит полное отражение падающей волны от границы раздела. Значение а_кр может быть найдено из условия равенства угла преломления у_кр = л/2, что соответствует предельному случаю, когда преломленная волна не входит во вторую среду и направлена вдоль границы раздела сред. Используя соотношение (6.15), получаем:

При угле падения a > а_кр часть энергии падающей волны переходит в энергию отраженной волны, а другая часть — в энергию волны, распространяющейся в тонком поверхностном слое, примыкающем к границе раздела сред. Эта волна называется поверхностной.

Падение плоской, линейно поляризованной электромагнитной волны на плоскую границу раздела диэлектрик — проводник. На границе идеального диэлектрика и металла с высокой удельной электрической проводимостью независимо от значения угла падения происходит практически полное отражение:

В случае отражения радиоволн от движущегося объекта проявляется физический эффект, открытый в 1842 году австрийским физиком К. Доплером. Сущность эффекта Доплера заключается в изменении частоты колебаний или длины волны, воспринимаемой наблюдателем, при движении источника колебаний и наблюдателя относительно друг друга.

В случае излучения радиоволн неподвижным источником и отсутствии движения приемника относительно источника частота f_ip и длина волны А,_пр воспринимаемых приемником колебаний равны частоте f_Q и длине волны А.₀ колебаний, излучаемых источником.

Поскольку длина волны — расстояние, на которое волна распространяется за период колебаний Т, то связь частоты и длины волны описывается уравнением

где Т₀ — период электромагнитных колебаний, излучаемых источником; V — скорость распространения электромагнитных колебаний в среде.

Рис. 6.5. Движение приемника радиоволн относительно источника в направлении распространения радиоволн (а) и под углом к направлению распространения (б)

Движение приемника П относительно источника И в направлении z распространения радиоволны со скоростью У_0ТИ (рис. 6.5, а) эквивалентно увеличению либо уменьшению (в зависимости от того, приближается либо удаляется приемник) скорости V распространения элсктромагнитных колебаний в данной среде на величину F_0TH. В этом случае частота принимаемых источником колебаний по аналогии с (6.21) может быть найдена следующим образом:

Таким образом, движение приемника радиоволн относительно источника вызывает изменение частоты принимаемых колебаний на величину /д = V_om / Х₀, называемую частотой Доплера.

В случае если приемник П движется относительно источника И под углом 0 к направлению z распространения радиоволны (рис. 6.5, б) в уравнение (6.22) подставляется проекция V. вектора V_om на ось z:

Если приемник П и источник И радиоволн неподвижны, а относительно их движется со скоростью У_отн некоторый объект О, отражающий электромагнитные колебания, излучаемые источником (рис. 6.6), то частота отраженных электромагнитных колебаний, воспринимаемых приемником /_п'_р, так же как и в предыдущем случае, отличается от частоты источника^. Причем разница частот оказывается в два раза большей, чем для случая движущихся относительно друг друга источника и приемника радиоволн:

Двукратное возрастание приращения частоты обусловлено здесь тем, что эффект Доплера при отражении радиоволны от движущегося объекта проявляется два раза: первый раз при взаимодействии падающей волны с движущимся объектом, играющим в этом случае роль приемника, и второй раз при излучении объектом отраженной волны, когда объект играет уже роль источника радиоволн.