6.2. ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ СЕЛЕКЦИЯ

1. Основные определения

Поляризация является пространственно-временной характеристикой электромагнитной волны; она определяет закономерность пространственной ориентации вектора напряженности электрического (или магнитного) поля за период несущего колебания. Для плоских однородных волн, которые имеются в виду при дальнейшем изложении вопроса, векторы напряженности электрического и магнитного полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

При анализе поляризации волны достаточно знать закон изменения ориентации только одного из векторов напряженности электромагнитного поля. Обычно поляризацию оценивают по ориентации вектора напряженности электрического поля

Поляризацию волны характеризуют поляризационной диаграммой, представляющей собой проекцию кривой, описываемой концом вектора на плоскость, перпендикулярную направлению распространения волны. Различают три основных вида поляризации: линейную, круговую и эллиптическую. При линейной поляризации пространственная

ориентация вектора остается неизменной, а поляризационная диаграмма представляет собой прямую линию.

Круговая поляризация отличается тем, что вектор имеющий постоянную амплитуду, вращается с постоянной угловой скоростью вокруг направления распространения. При этом конец вектора описывает окружность. Период вращения равен периоду электромагнитного колебания. У эллиптически поляризованной волны конец вектора описывает при вращении эллипс. При этом модуль вектора и угловая скорость его вращения претерпевают периодические изменения за период вращения.

В зависимости от того, изменяются параметры поляризационной диаграммы с течением времени или остаются постоянными, электромагнитные волны делят на три группы: полностью поляризованные, частично поляризованные и неполяризованные, Полностью поляризованной называется волна с неизменными во времени параметрами поляризации. При наличии непрерывных относительно медленных изменений параметров поляризационной диаграммы (время, необходимое для заметного изменения параметра, во много раз превышает период высокочастотных колебаний) электромагнитную волну называют частично-поляризованной. Неполяризованная или хаотически поляризованная волна характеризуется быстрыми флуктуациями вектора как по модулю, так и по направлению вращения, В этом случае поляризационная диаграмма принимает все возможные формы и ориентации, вследствие чего выделить какое-либо преимущественное ее положение не представляется возможным.

Проекции вектора на ортогональные оси координат (рис. 6 2) можно представить в виде

При изменении соотношения амплитудных составляющих колебаний и фазового сдвига между ними можно получить поляризацию любого вида. Так, если равно или , то имеет место линейная Поляризация. Если при этом или то получаются вертикальная и горизонтальная поляризация соответственно. Когда же будет линейная поляризация ориентации а, где угол а между осью и вектором определяется равенством

Если разность фаз колебаний равна нечетному числу где целое число, и то образуется круговая поляризация. В тех случаях, когда или а также при одновременном выполнении указанных условий формируется эллиптическая поляризация. Случайные изменения величин и приводят к возникновению хаотической поляризации.

При. различии поляризации каких-либо сигналов или сигнала и помехи можно, используя поляризационные селекторы (фильтры), отделить один сигнал от другого или существенно ослабить помеху и тем самым добиться более надежного выделения полезной информации.

2. Параметры эллипса поляризации

Эллиптическая поляризация электромагнитной волны является наиболее общим видом поляризации, из которого как частные случаи могут быть получены линейная и круговая поляризации.

Эллипс поляризации определяется его формой, ориентацией осей относительно выбранной системы координат (рис. 6.2) и направлением вращения вектора Форму эллипса обычно характеризуют коэффициентом эллиптичности абсолютное значение которого равно отношению малой и большой а полуосей эллипса

Значения модуля ограничиваются очевидными пределами: В зависимости от направления вращения вектора коэффициенту эллиптичности придают тот или иной знак. Если при наблюдении от источника вдоль направления распространения волны вектор вращается по часовой стрелке, то волна называется правополяризованной и считается положительным. При вращении вектора против часовой стрелки волна называется левополяризованной и отрицательный.

Наряду с коэффициентом для характеристики формы эллипса и направления вращения вектора используется угол эллиптичности

при условии —

Рис. 6.2.

Угол а равен половине угла между диагоналями прямоугольника, стороны которого касательны к эллипсу и параллельны его осям (рис. 6.2). При указанном выше условии значение угла а определяет однозначно форму эллипса, а его знак — направление вращения.

Ориентация эллипса определяется значением угла образованного осью выбранной системы координат и большой осью эллипса; при однозначном определении положения эллипса значения лежат в пределах

Переход от составляющих поля в прямоугольной системе координат к параметрам эллипса и обратно осуществляется по приводимым ниже формулам, которые могут быть получены с помощью простых тригонометрических преобразований. Если заданы параметры эллипса то

При заданных получим

Указанные преобразования оказываются полезными при решении ряда практически важных задач (например, при оценке параметров результирующего колебания на входе приемной антенны при одновременном существовании двух независимых волн различной поляризации).

3. Поляризационные селекторы

Любой приемный антенно-фидерный тракт является поляризационным селектором. Мощность сигнала на выходе этого селектора зависит (при прочих равных условиях) от поляризации приходящей электромагнитной волны. Рассмотрим в качестве примеров два типовых варианта антенно-фидерного тракта. Вариант первый включает параболическое зеркало, облучаемое круглым волноводом. Составными частями волноводного облучателя являются (рис. 6.3): отрезок круглого волновода (а) с диэлектрической пластинчатой вставкой, длина которой составляет переходная секция от круглого к прямоугольному волноводу (б); отрезок прямоугольного волновода (в), к которому с помощью антенного переключателя могут подсоединяться передатчик и приемник РЛС. Допустим, что прямоугольный волновод подсоединен к передатчику и в нем создается вертикально поляризованная волна типа (вектор перпендикулярен широкой стенке волновода). В круглом волноводе будет возбуждаться волна типа Для оценки влияния секции с диэлектрической вставкой вектор следует разложить на две ортогональные составляющие. Одна из них лежит в плоскости вставки, а вторая перпендикулярна . Составляющая практически не претерпевает изменений (если не считать незначительного уменьшения амплитуды из-за потерь энергии в

Рис. 3.29.

электрике) при прохождении через секцию со вставкой. Составляющая же получит-отставание по фазе на . Таким образом если на входе антенно-фидерного тракта напряженность электрического поля характеризуется вектором с линейной поляризацией и мгновенным значением то после фазосдвигающей секции ортогональные составляющие поля оказываются соответственно равными

где а — угол поворота диэлектрической пластины относительно плоскости, перпендикулярной оси

Поле, определяемое формулами (6.2.6), в общем случае является эллиптически поляризованным. При плавном изменении угла а от до (поворот секции со вставкой вокруг оси 00) коэффициент эллиптичности волны будет изменяться от до 1. Для имеет место линейная вертикальная поляризация, а при образуется круговая поляризация. Можно считать, что поляризация излученного антенной сигнала не изменяется зеркалом антенны в процессе формирования диаграммы направленности (хотя бы в пределах основного лепестка).

Изложенное выше позволяет считать, что антенна характеризуется поляризационной диаграммой, соответствующей поляризации излучаемой волны. Для рассмотренной антенны справедлив принцип взаимности по поляризации, т. е. поляризационная диаграмма остается одинаковой и на прием и на передачу, причем наилучшим образом принимаются волны той поляризации, которой характеризуются излучаемые волны.

Рассмотренное антенно-фидерное устройство ведет себя как поляризационный селектор при приеме волн различной поляризации. Если, например, принять то в соответствии с формулами (6.2.6) излучается волна круговой поляризации правого вращения. Это же устройство не пропустит волну круговой поляризации, но левого вращения. Действительно, пусть на пути распространения излученной волны имеется тело симметричной формы, например металлический шар, радиус которого значительно больше длины волны. При отражении от шара фазовый сдвиг между составляющими поля не изменяется, остается волна круговой поляризации, но из-за поворота на 180°

направления распространения волны она становится левополяризованной и ортогональной по отношению к излученной. Составляющая вектора пройдет через секцию с диэлектрической вставкой без изменения; ее можно записать в виде

Здесь k — коэффициент, учитывающий изменение амплитуды при распространении. Составляющая получит дополнительное запаздывание по фазе на и будет равна

Результирующее поле (рис. 6.4) на выходе круглого волновода будет иметь линейную поляризацию и оказывается ориентированным горизонтально, поэтому волна не сможет пройти через прямоугольный волновод, которым заканчивается селектор.

Наоборот, если бы принимаемая волна была правого вращения, то она без потерь прошла на выход селектора. Так, для случая, когда излучаемая волна характеризуется формулами (6.2.6), для отраженной волны правого вращения следовало бы изменить фазу, например, составляющей на т. е.

После фазосдвигающей секции селектора

Результирующее поле является вертикально поляризованным, и сигнал без потерь проходит к приемнику.

Второе из рассматриваемых технических решений представляет собой сочетание любой из антенн с линейной поляризацией и поляризационной решетки, называемой также поляризационным фильтром. Поляризационная решетка

Рис. 6.4.

Рис. 6.5.

представляет собой набор тонких параллельных металлических пластинок шириной располагаемых на расстоянии а друг от друга (рис. 6.5). Направление распространения совпадает с осью

Пусть излучаемая волна имеет вертикальную поляризацию (вектор Поляризация волны изменяется при ее прохождении через поляризационную решетку. В зоне решетки вектор можно разложить на составляющую перпендикулярную плоскости пластин, и параллельную пластинам. Составляющая пройдет через решетку практически без изменения, составляющая же будет двигаться с увеличенной фазовой скоростью (так же, как в волноводе) и приобретет на выходе решетки фазовый сдвиг относительно первой составляющей. Подбором размера добиваются выполнения равенства При этом после поляризационной решетки можно получить любую поляризацию волны в зависимости от значения угла а между плоскостью пластин и вектором напряженности электрического поля падающей волны.

Поляризационная решетка может быть установлена между облучателем и зеркалом антенны (в первичном поле излучения), либо в раскрыве самой антенны (во вторичном поле излучения). Опять-таки очевидно, что антенна рассмотренного типа является поляризационным селектором: она по-разному реагирует на принимаемые волны той или иной поляризации.

4. Поляризационный коэффициент приема

Потери мощности волны произвольной поляризации, падающей на приемную антенну, принято оценивать поляризационным коэффициентом который представляет

собой отношение мощности сигнала, реально поступающей на вход приемника, к максимально возможному значению входной мощности, которое имело бы место при точном согласовании поляризационных характеристик падающей волны и приемной антенны. Значения лежат в пределах от до 1.

Найдем связь с параметрами поляризации волны и антенны. Пусть имеется эллиптически поляризованная плоская волна, распространяющаяся в направлении оси (рис. 6.6). В системе координат вектор напряженности электрического поля волны может быть представлен как

где орты по осям фазовый сдвиг, определяющий эллиптичность волны.

В точке расположены два ортогональных приемных диполя оси которых повернуты относительно осей на угол Оба диполя с помощью отрезков длинных линий подсоединены к общей нагрузке, представляющей собой активное сопротивление Длины отрезков линий неодинаковы Изменение позволяет менять поляризационную диаграмму приемной антенны:

— при будет иметь место правая эллиптическая поляризация;

— при поляризация антенны будет левосторонней.

Рис. 6.6.

Рис. 6.7.

Предполагается, что оба диполя имеют равные полные сопротивления, согласованные со своими линиями передачи, и отсутствует взаимное влияние диполей друг на друга. Эквивалентная схема питания нагрузки изображена на рис. 6.7; здесь сопротивления играют роль внутренних сопротивлений генераторов.

Компоненты поля распространяющейся волны в точке по осям будут равны

После тригонометрических преобразований получим

Э. д. с. двух генераторов, питающих нагрузку, определяются компонентами поля в точке приема и составляют

В соответствии с теоремой Тевенина напряжение на нагрузке будет равно

Подставив (6.2.9) и (6.2.10) в получим

Модуль этого выражения оказывается равным

Величины характеризуют поляризацию принимаемого сигнала и приемной антенны соответственно. Обращаясь к формулам (6.2.4), устанавливающим связь значений с коэффициентом эллиптичности, можем записать

Здесь представляют собой коэффициенты эллиптичности облучающей волны и приемной антенны; угол между большими осями эллипсов поляризации волны и антенны; знак берется при совпадении направлений вращения принимаемой волны и волны, излучаемой антенной в режиме передачи, знак соответствует различным направлениям вращения.

Максимальное значение модуля напряжения на нагрузке будет иметь место при полном согласовании поляризаций сигнала и антенны. Нетрудно видеть, что при и одинаковом направлении вращения

Так как

то

Формула (6.2.13) позволяет достаточно просто оценивать эффективность поляризационной селекции. Пусть, например, на антенну с линейной поляризацией воздействует сигнал, имеющий ортогональную линейную поляризацию. В этом случае поэтому

При приеме волны круговой поляризации антенной с круговой поляризацией и одинаковом направлении вращения выполняются равенства Если бы направления вращения были различными, то .

В случае, когда волна и антенна имеют эллиптическую поляризацию с равными между собой коэффициентами эллиптичности и характеризуются одинаковым направлением вращения, поляризационный коэффициент приема определяется соотношением

Графики на рис. 6.8 позволяют определить значения как функции при одинаковом направлении вращения вектора

При различном направлении вращения

соответствующие графики изображены на рис. 6.9.

Рис. 8.10.

Рис. 6.9.

Если поляризационные характеристики волны и антенны различаются только значением коэффициента эллиптичности, для большей наглядности результатов селекции целесообразно обратиться к углу эллиптичности а. При замене коэффициентов эллиптичности углами эллиптичности формула (6.2.13) приводится к виду

Направления вращения здесь определяются знаками углов Для и одинакового направления вращения векторов напряженности электрического поля (6.2.16) принимает вид

Формула (6.2.17) показывает, что при выходная мощность сигнала после селектора становится равной нулю. Физическое объяснение этого результата заключается в том, что при различии углов поляризации волна и антенна имеют ортогональные поляризации.

Предполагая, что приемный антенно-фидерный тракт является линейным устройством, точно согласованным по поляризации с полезным сигналом, для оценки соотношения мощностей сигнала и помехи на выходе поляризационного селектора (при условии равенства плотностей мощности помехи и сигнала на входе антенны) можно пользоваться формулами (6.2.13) — (6.2.17).

Так, например, поляризационная селекция позволяет весьма существенно ослаблять отражения от гидрометеоров и резко улучшать соотношение полезного сигнала и помехи на входе приемника. Если бы капли дождя имели строго сферическую форму, то при их облучении волной с круговой

поляризацией отраженная волна также характеризовалась бы круговой поляризацией, но с обратным направлением вращения. При этом отражения от гидрометеоров могли бы быть полностью подавлены в поляризационном селекторе. В действительности капли дождя оказываются несколько сплющенными и отраженная волна имеет эллиптическую поляризацию. Степень сплющивания капель влаги увеличивается при возрастании интенсивности осадков. Так, например, при интенсивности осадков 15 мм/ч коэффициент эллиптичности отраженной волны равен 0,88, а для слабого дождя с интенсивностью кал 0,98. На рис. 6.10 приведен график, характеризующий степень подавления отражений от осадков в зависимости от их интенсивности Отражения от осадков малой интенсивности ослабляются на [74].

Полезный сигнал, отраженный, например, от самолета имеет во-первых, эллиптическую поляризацию при круговой поляризации облучающей волны и, во-вторых, параметры поляризации непрерывно изменяются. Это приводит к тому, что при приеме полезных сигналов значение поляризационного коэффициента приема будет существенно меньше единицы. Экспериментальные данные показывают, что при использовании круговой поляризации среднее значение мощности полезных сигналов на входе приемника уменьшается на по сравнению со случаем использования линейной поляризации (при прочих равных условиях). Следовательно, применение круговой поляризации в РЛС увеличивает отношение сигнал/помеха, например, для слабого дождя не на а на [74].

Чтобы оценить, как проходит полезный сигнал через поляризационный селектор, следует усреднить результат расчета по формулам (6.2.13) — (6.2.17) для различных рассогласований между падающей волной и антенной по параметрам поляризации. При этом нужно учитывать вероятности появления различных значений параметров поляризации сигналов. В силу указанных обстоятельств аналитическая оценка весьма сложна и на практике чаще всего ответ стремятся получить экспериментально.

Рис. 6.10.