实验二 电磁波极化的研究 下载本文

实验三 电磁波极化的研究

1. 实验目的

(1) 研究线极化波、圆极化波、椭圆极化波的形成和特点。 (2) 了解线极化波、圆极化波和椭圆极化波特性参数的测试方法

2. 实验原理与说明

电磁波极化是指波在无限大均包媒质中传播时,在空间某点位置上电场强度矢量E随时间变化的规律。当E末端总在一直线上周期变化时,称为线

??极化波,当E末端的轨迹是圆(或椭圆)时,称为圆极化波;若圆轨道运动

????与波前进方向符合右手螺旋规则时,则称为右旋(或左旋)圆极化波,无论是线、圆或椭圆极化波都可由两个同频率的正交场线极化波组合而成。设两同频率正交场线极化波为

????j(?x??x) ① Ex?Exme????j(?x??y)Ey?Eyme ②

1) 组成线极化波如图所示,式①和式②中,当

?x??y?0,Exm??Eym(或Exm?Eym)时,两个波在空间叠加

????? E?xEx?yEy?Eme?j(?z??) 式中

??????Em?xExm?yEym

合成场矢量E的方向与x轴夹角不变,即: ??arctg(?EymExmEyEx)?arctg?(EEymxm???)常数

若 的值不同,则 ?为不同的定值,从而获得合成场矢量末端沿直线

轨迹周期变化的极化波。若Eym=0则θ=0这时线极化波为在空间某点的场,且仅在x轴方向上周期变化。同理,线极化波也可以分成为频率相同、场相垂直的两个线极化波。 2)组成圆极化波

根据式①和②,若Exm?Eym?Em,及?x?0,?y???2,这时合成波可写成:

?????????j?E?xEx?yEy?Em(x?jy)e2………………………………………………④

??合成场E与

x轴的夹角(在z0处)为

EyExcos(wt??z0?)?arctg()2)?wt??z0cos(wt??z0)???arctg(

当z?z?时,?随时间向正值增大,合成场矢量末端按右手螺旋规则作圆周运动,故称为右旋圆极化波,如图所示

同理,可得左旋圆极化波E?Em(x?jy)e?j?z 和??arctg(这里有Exm?Eym?Em,及?x?0,?y??2?????EyEx)??(wt??z0),?x??y???2

??随时间增加E矢量末端运动轨迹符合左手螺旋定则,故称左旋极化波,如图

所示

(3)组成椭圆极化波 当式①和式②所表示的两个线极化波,幅度不等,相位差仍为±π/2时,可得椭圆长短轴分别在x轴和y轴的椭圆极化波。如

Exm?Eym,?x?0,?y??/2,则可得到左旋椭圆极化波。

当然,椭圆极化波可由两个同频率幅度不等的左,右旋圆极化波组成。如图所示,若将式①和式②改写为

E?Eexxm?j(?z??)x?(E?j(?z??)yxm1?Exm2)e?j(?z??)x ?j(?z??)yE?Eeyym?(Eym1?Eym2)e

因?x?0,?y???2,及Exm?Eym,Exm1?Eym1?Em1,Exm2?Eym2?Em2,因

而两个线极化波合成场波为

???xme?j?z?jxE?ymE?j?z?(x??jy?)Em1e?j?z?(x??jy?)Em2e?j…………⑥ E?xE由上

式可见,两个线极化波合成的椭圆极化波,也可以看成两个幅度不等的右旋和左旋极化波合成而得。

图示是实现各种极化波的装置。金属丝栅Pr1和Pr2的功能,是分别反射E1r?和

E2r?的波。两反射波在接受喇叭Pr8内实现相加的过程如图所示。根据图中条件得

E1r???Ei?R?T?T'?e?jkz1?E1m?e?j?1

E2r???Ei?R?T?T'?e?jkz2?E2m?e?j?2

为使辐射喇叭同时产生Ei?与Ei?两个入射波,只需将Pr0转动一个角度

α,使入射场Ei分成同频率的两个正交场 Ei?=Eisinα Ei?=Eicosα

如图所示,当图中α=450时,Ei?=Ei?,但这并不意味着E1m??E2m?,其理由是R??R?,可见,要实现幅度相等,必须有如下等式

Eisin?R?T?T'??Eicos?R?T?T'?………………………………⑦

在介质?r和投射角?i确定后,调整α角,即可实现两个线极化波幅度相等的要求,作为相位条件,当改变Pr2的位置为l0使z2-z1=±λ/4,即可实现可见用正交金属丝栅装置,可以方便的获得圆极化波。若使Pr2处?2??1???/2。

于l1=l0±λ/4位置处,则可获得线极化波;若Pr2处于任何位(l0

3. 实验内容

(1)圆极化波的调整与测试

首先,调整测试设备的Pr0的转角d,使Pr3分别接收的E1r?和E2r?幅度相等,这时d?50?,同时Pr0Pr1Pr2Pr3的口面垂线彼此相垂直。其次改变Pr2,使Pr3处于

0~360??任何转角时,其接收的场幅度不变,找到l0处,可获得圆极化波。由于

各种误差使

E1r?和E2r?总有差别,我们用圆极化波的椭圆度

e来表示,最后把测试数据

填入下表中。

圆极化波及椭圆度测试表

Pr3接收E?m?I1?E?Pr2 l0位置:

Isin?,E2m??In?E?Icos?

Pr0的转角

?r 0 10 20 30 40 IminImax50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 I(?A) E?I 圆极化波椭圆度e?=

(2)线极化波的调整与测试。利用圆莱顿化波所测数据:

E1m??E2m?及改变Pr2位置,使l1?l0??4,即可获得线极化波。由于合成波场

强最大值方向由E1r?和E2r?决定,因此Pr3的转角为:

?r?arctgE1m?E2m??Eisin?R?T?T?Ejcos?RTT'???'

若??45?,则?r2?45?.若E1m??E2m?,则?r?45?,填表

?r(?) I(?A) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

EEm

cos(?0??2) (3)椭圆极化波的调整与测试 可利用已调整的E1r?与E1r?的幅度相同条件,改变金属丝栅位置l2,实现l0

4.实验仪器

(1)26A型电磁波综合测试仪,测极化用的金属丝栅附件一套 (2)1211型3cm固态信号源一台 (3) 一只或XF-01型选频放大器一台

5.实验报告内容与要求 1实验目的 2实验数据表

3分析圆极化波测试值与理论值之间存在差别的原因

4用金属丝栅实现线、圆、椭圆极化波时,为什么在其后加微波吸收材料。 5实验中的体会和收获