Поляризация радиоволн
 





Поляризация радиоволн


Сохраните себе на страницу:





Кроме частоты и переносимой ими энергии, радиоволны характеризуются поляризацией. Остановимся на этом подробнее. Приведем пример — опять же связанный с радиовещанием. Самый простой вид передающей и приемной антенн — штыревая антенна, т. е. обыкновенный провод, укрепленный в вертикальном положении. В этом проводе создается переменный электрический ток, идущий попеременно вверх и вниз. В свою очередь этот ток возбуждает переменные электрическое и магнитное поля.

Очевидно, что электрическое поле направлено вдоль тока, т. е. тоже вертикально, а магнитное поле представляется концентрическими окружностями вокруг провода. В таком виде электрическое и магнитное поля «оторвутся» от антенны и уйдут в пространство. В радиоволне, идущей вдоль поверхности земли, вектор электрического поля будет все время направлен вертикально, а вектор магнитного поля — горизонтально. Такая волна называется поляризованной.

Явление поляризация радиоволн возможно потому, что электромагнитные волны являются поперечными. Для иллюстрации электромагнитных волн часто приводят распространение волн по натянутой веревке, закрепленной на одном конце и приводимой в колебательное движение на другом конце. Бегущие по веревке волны сохраняют первоначальное направление колебаний и тоже линейно поляризованы.

Как нужно поместить приемную антенну, чтобы принять излучение первой антенны с максимальной эффективностью? Тоже вертикально. Тогда электрический вектор волны, будучи параллелен проводу приемной антенны, возбудит в нем максимальный ток, а магнитное поле волны, пересекая антенну под прямым углом, вызовет максимальную индукцию. Если бы мы расположили приемную антенну горизонтально, то она бы почти не принимала радиоволн: электрическое поле волны, оказавшись теперь перпендикулярным проводу, возбудило бы в нем только очень слабый ток. Слабой была бы и магнитная индукция. Итак, для приема линейно поляризованного радиоизлучения приемная антенна должна быть параллельна передающей .

Линейная поляризация радиоволн (сохранение направления электрического вектора) отнюдь не единственно возможная.

Радиоволны могут излучаться, например, спиральной антенной. В ней ток идет по спирали, и если смотреть вдоль оси антенны, то будет казаться, что вектор электрического поля, направленного вдоль тока, вращается. Когда созданная таким током радиоволна «оторвется» от антенны, ее поляризация сохранит свой вращательный характер, волна будет, как говорят, поляризованной по кругу. Излучение радиоволн спиральной антенной можно уподобить стрельбе из нарезного орудия, когда снаряд вращается в полете. Спиральную антенну можно сделать с левой или правой «нарезкой», и излучаемая ею радиоволна будет иметь соответственно левую или правую круговую поляризацию.

Поляризация радиоволн

 

Рис. 4. Электрический вектор в линейно поляризованной волне (вверху) и в волне, поляризованной по кругу (внизу).

Если же смотреть на спиральную антенну сбоку (но не под прямым углом), то мы «увидим», что электрический вектор вращается не по окружности, а по эллипсу. Поэтому под углом к оси спиральная антенна излучает радиоволны с эллиптической поляризацией.

Наконец, можно сделать антенну не из одного прямого или спирального провода, а из многих по-разному ориентированных проволок. Например, радиолюбители часто используют для приема метелочную антенну, форму которой легко себе представить по ее названию. Такая антенна может излучать радиоволны, но теперь они будут «смесью» волн с разными поляризациями.

Если проволоки направлены во все стороны («еж» вместо «метелки»), то суммарное радиоизлучение будет представлять собой просто неполяризованную радиоволну — в ней вектор электрического поля может быть направлен как угодно. Если проволочки в антенне направлены преимущественно в одну сторону («метелка»), то радиоволны будут частично поляризованными.

С явлением поляризации мы часто будем встречаться в дальнейшем. Поэтому нужно рассмотреть поляризацию космических радиоволн, излучаемых рассмотренными выше механизмами.

Тормозное излучение при столкновениях электронов с протонами, конечно, должно быть неполяризованным. В этом случае излучающие электроны движутся с равной вероятностью во всех направлениях, а следовательно, направление поля в волне тоже произвольно.

Поляризация магнитнотормозного (циклотронного) излучения будет различной в зависимости от направления наблюдения радиоволн. Если принимать радиоволны, излучаемые вдоль направления магнитного поля, то их поляризация окажется круговой: в самом деле, спиральное движение электрона в магнитном поле ничем в этом смысле не отличается от тока электронов в спиральной антенне.

Если же принимать радиоволны, излученные электронами в плоскости их орбит в магнитном поле (для простоты будем считать, что электрон движется не по спирали, а по окружности), то мы зафиксируем только колебания электрического вектора с одной стороны в другую, поскольку в этом случае мы видим окружность поставленной «на ребро». Ясно, что излучение при этом окажется линейно поляризованным, причем электрическое поле волны будет перпендикулярным внешнему магнитному полю, заставляющему электроны двигаться по окружности. Наконец радиоволны, излучаемые электронами под углом к направлению внешнего магнитного поля, не равным прямому, окажутся эллиптически поляризованными.

Чтобы выяснить, какую поляризацию имеет синхротронное излучение, вспомним, что релятивистский электрон направляет все свое излучение вперед, по ходу своего движения. Поэтому наблюдать его радиоизлучение можно, только находясь в плоскости его орбиты. Следовательно, наблюдатель будет замечать «вспышки» излучения только вдоль одного направления. Синхротронное излучение всегда линейно поляризовано, и направление его электрического вектора перпендикулярно внешнему магнитному полю (см. рис. 4). Этот очень важный вывод показывает, что по наблюдаемой поляризации циклотронного и син-хротронного излучения можно определять направление космических магнитных полей. И обратно, наблюдение такой поляризации указывает, что действительно имеют место упомянутые механизмы радиоизлучения.

Еще одно важное обстоятельство. Радиоволна сохраняет свою поляризацию (линейную, круговую) или же остается неполяризованной, только когда она распространяется в пустоте или в плазме в отсутствие в ней магнитного поля.

Если же радиоволна проходит через плазму, помещенную в магнитное поле, то ее поляризация радиоволн меняется.

В последнем случае заряженные частицы плазмы движутся между столкновениями не по прямым линиям, а по спиралям, причем электроны вращаются в одном направлении, а протоны (или ионы) — в другом. Если в плазму входит радиоволна с круговой поляризацией (будем считать, что она распространяется вдоль магнитного поля в плазме), то возможны два случая: а) вектор электрического поля волны вращается в том же направлении, что. и» электроны плазмы,— такую волну в плазме называют необыкновенной, б) вектор электрического поля волны вращается в противоположном направлении (как протоны) — тогда это будет обыкновенная волна. Обе волны будут распространяться в плазме по-разному. Различие между ними будет особенно заметным, когда частота радиоволны близка к гиромагнитной частоте fH (формула (17)). Тогда необыкновенная волна попадает в резонанс с вращением электронов и поэтому сильнее поглощается (вспомним, что при этом раскачать ионы волна не в состоянии). Иными словами, если частота необыкновенной волны близка к частоте вращения электронов и несколько больше ее, то электрическое поле волны все время как бы подталкивает электрон, затрачивая на это свою энергию. В обыкновенной волне электрический вектор волны и электрон вращаются в разные стороны и поэтому они взаимодействуют слабее. Таким образом, если в плазму с сильным магнитным полем входят две одинаковые по интенсивности обыкновенная и необыкновенная волны, то по выходе из нее интенсивность обыкновенной волны будет больше. Напротив, если рассматривать генерируемые в плазме с магнитным полем радиоволны, то в этом случае больше энергии придется на долю необыкновенной волны.

Мы рассмотрели влияние плазмы с магнитным полем на распространение в ней радиоволн с круговой поляризацией. Каким будет ее влияние на волны с линейной поляризацией? Легко сообразить, что линейные колебания можно разложить на два противоположно направленные вращения по кругу. В плазме с магнитным полем одна из этих волн окажется обыкновенной, а другая — необыкновенной. Из-за различия показателей преломления обыкновенная волна отстанет по фазе от необыкновенной, так как у нее меньше фазовая скорость, и когда обе волны выйдут из плазмы и опять сложатся в линейно поляризованную волну, то направление колебаний электрического вектора повернется на угол, в два раза меньший величины отставания по фазе. 

Этот поворот направления колебаний электрического вектора в линейно поляризованной волне был открыт для световых волн еще Фарадеем и назван в его честь. В радиоастрономии этот эффект часто встречается.

Наконец, заметим, что разложить на две волны с круговой поляризацией можно и неполяризованное излучение. Если обе они пройдут сквозь плазму с магнитным полем без поглощения, то на выходе они опять образуют неполяризованную волну: ведь у нее и до этого не было преимущественного направления колебаний электрического вектора. Но в плазме с магнитным нолем необыкновенная волна поглощается сильнее, и в результате на выходе сильнее будет обыкновенная волна.

Таким образом, первоначально неполяризованная волна при прохождении через плазму с магнитным полем превратится в волну, частично поляризованную по кругу.

На этом мы закончим, может быть, самую трудную главу. В ней мы редко обращались к радиоастрономии. Однако то, что мы узнали, составляет основу анализа радиоастрономических данных — как бы «язык» радиоастрономии. Если что-нибудь осталось непонятным, то можно полагать, что при применении приведенных здесь формул к конкретным задачам поляризация радиоволн, к исследованию тех или иных явлений все «станет на свои места».

Автор: С. А. Каплан

Название книги: Элементарная радиоастрономия

Город: Москва

Год: 1966





Рефераты, шпаргалки, доклады, контрольные, книги и прочие учебные материалы
 

Сайт полезен тем, кто учится!