Все мы пользуемся глобальной системой позиционирования GPS хотя бы раз в день: получаем положение автобусов на Яндекс Картах, отслеживаем координаты подъезжающего таксиста и отправляем геометки друзьям. Кто-то смотрит спутниковое ТВ и пользуется интернетом от Илона Маска. Но как спутники в космосе могут передавать сигналы, которые будут приниматься в любой точке Земли? Давайте разбираться!
Векторы электромагнитного поля
Из школьного курса все мы помним, что электромагнитная волна - это два вектора: вектор магнитного поля и вектор электрического поля. Вектор напряженности электрического поля E показывает то направление, в котором будет действовать сила на положительный заряд
Направление вектора напряженности магнитного поля Н совпадает с северным направлением стрелки воображаемого компаса в данной точке, а также совпадает и с вектором магнитной индукции В (в вакууме).
Электромагнитная волна - это волна, состоящая из векторов магнитного и электрического полей, которая распространяется со скоростью света - 300 000 км/с. Эта скорость - фундаментальное ограничение сегодняшних систем связи, но об этом позже. В общем случае векторы электрического и магнитного полей перпендикулярны друг - другу, как показано на анимации
Поляризация волн
В науке и технике принято определять поляризацию как плоскость, проходящую через вектор напряженности электрического поля Е и направление распространения волны. Направление распространения волны, а следовательно и переноса энергии, определяется вектором Пойнтинга.
Если направление вектора Е в электромагнитной волне лежит только в одной плоскости, то такую волну называют линейно - поляризованной. Поляризация в таком случае либо вертикальная, либо горизонтальная:
А что будет если вектор Е начнет вращаться? Как вы уже догадались, получится круговая поляризация, причем она может быть как левой, так и правой.
Антенны и поляризация волн
Для успешного обмена электромагнитными волнами требуется, чтобы передающая и приемная антенны были согласованы по поляризации. Рассогласование поляризаций ведет к потерям: так, если передающую рупорную антенну повернуть относительно приемной на 45 градусов, потери в приемной антенне составят 3 дБ, то есть половина мощности будет недополучена. А если одна антенна будет настроена на вертикальную поляризацию, а другая на горизонтальную, то ослабление будет 20 дБ, то есть лишь одна сотая часть энергии будет принята.
Потери связаны с тем, что электрическое поле Е сможет возбудить электроны, а следовательно и создать напряжение в антенне только в том случае, если эти электроны там есть:
То есть если передающая антенна Wi-Fi роутера обеспечивает линейную, вертикальную поляризацию, то и приемная антенна в вашем планшете должна её обеспечивать. Для того, чтобы это условие выполнялось в любом из положений планшета, инженеры разместили несколько антенн с разными поляризационными характеристиками:
Другим решением проблемы согласования антенн является использование круговой поляризации, для которой неважно какое положение принимает одна антенна, относительно другой. Именно круговая поляризация используется в GPS и спутниковом телевидении, чтобы обеспечивать прием в любое время в любом месте
