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2025-05-02 09:16

電磁波極化特性實驗實驗原理

一、 實驗?zāi)康?/strong>
1）電磁波的偏振現(xiàn)象的產(chǎn)生，觀察極化現(xiàn)象；
2）研究電磁波極化的分類與和判斷極化形式；
3）研究線性極化和圓極化波的產(chǎn)生及其特點；
4）研究極化匹配對接收電磁波功率的影響；
5）通過試驗加深對電磁波極化特性的理解；
6）認(rèn)識電磁波圓極化發(fā)射線極化接收實驗；
二、 實驗項目
1）構(gòu)建實驗平臺
2）垂直與水平極化電磁波實驗
3）左旋圓極化電磁波實驗
4）極化軸比實驗
三、 實驗原理
  如果在一個確定的空間點上觀察平面電磁波的場矢量和，則可發(fā)現(xiàn)場矢量的空間取向一般是隨時間變化的。為了描述場矢量的空間取向隨時間變化的規(guī)律，引進(jìn)了平面電磁波的極化概念，此處所謂極化也叫偏振，是指空間任一固定點上波的電場矢量的空間取向隨時間變化的方式，可用的矢端軌跡來描述。如果的矢端軌跡為直線，波為線極化，的矢端軌跡為圓，波為圓極化；矢端軌跡為橢圓，波為橢圓極化。顯然，對于均勻平面波來說，空間所有點上，波的極化狀態(tài)都是相同的。無界媒質(zhì)中均勻平面波是TEM。TEM波的電場和磁場矢量均在垂直于傳播方向的平面內(nèi)。設(shè)波沿z方向傳播，則和均在z=常數(shù)的平面內(nèi)。但在此平面內(nèi)的取向可以是任意的，或者是隨時間變化的，因為，對任意取定的坐標(biāo)系，一般有兩個分量:
 
    的兩個分量的瞬時值為：
    
⑴振幅比  ⑵相位差

平面波電場兩個分量取不同振幅和相位時，空間在一固定點處的合成電場矢量端點的軌跡，從而確定其極化狀態(tài)。
一、線極化
如果Ex和Ey同相，或者相差180°，則這兩個分量的合成矢量的空間取向就始終在一條直線上，這就是說在式中如果fx-fy=0或fx-fy=p就代表一個直線極化的均勻平面電磁波。
         
 合成電場強并與x軸之間的夾角 j 的正切為
   如果則  直線極化波的電場強度矢量的取向與電磁波的傳播方向確定了一個平面，這個平面稱為極化面。
二、圓極化
如果Ex和Ey的振幅相等，即Exm=Eym=E0，而相位差p/2，即，
      消去t，得            
此為圓方程，合成矢量端點軌跡為圓。 與x軸之間的夾角j的正切為

這說明與x軸間的夾角隨時成性增加。也就量說場矢量的大小不變，但隨時間旋轉(zhuǎn)，所以矢量的尖端在空間的軌跡是一個圓。
這說明以勻角速度w旋轉(zhuǎn)，如果時間增加則j也增加，場矢量按反時針方向旋轉(zhuǎn)，如圖所示，由于電磁波沿z軸方向傳播，所以場矢量的旋轉(zhuǎn)方向與波的傳播方向成右手螺旋關(guān)系，即以右手彎曲的四指代表場矢量的旋轉(zhuǎn)方向，則伸直的大姆指指向波的傳播方向。這種旋向的圓極化波稱為右旋圓極化波。如果兩個分量的相位差為，即Ex(t)比Ey(t)要落后，或四分之一個周期，這時在觀察點z=0處兩個分量的瞬時值為

在這種情形下，場矢量的大小仍為常量E0，而它與x軸間的夾角則為

當(dāng)t增加時，場矢量與x軸間夾角減小，所以以z軸為轉(zhuǎn)軸以角速度按順時針方向旋轉(zhuǎn)，場矢量的旋軸方向與電磁波的傳播方向符合左手螺旋關(guān)系，所以稱這種圓極化波為左旋圓極化波。對于一個向z軸方向傳播的行波，場量的相位是連續(xù)滯后的。一個圓極化波每一點的場矢量都以同樣的角速度旋轉(zhuǎn)，但不同的位置上，場矢量旋轉(zhuǎn)的起始方向是不同的，在某一個確定的時刻右旋圓極化波和左旋圓極化波的電場強度矢量沿傳播方向的分布。
   從上面的分析可知，一個圓極化波是由場量在空間互相垂直，幅值相等，但有90°相位差的兩個線極化波合成的，反過來，也可以證明，任意一個線極化波也可以分解為兩個幅度相等，但旋向相反的圓極化波。
三、橢圓極化
如果Ex，Ey，φx，φy具有任意值，則由場矢量的兩個分量
在z=0處，消去t得
 
式中。上式是以Ex和Ey為變量的橢圓方程。方程中不含一次項，故橢圓中心在坐標(biāo)原點。當(dāng)時，隨圓的長短軸與坐標(biāo)軸一致，而則不一致。在空間固定點上，不斷改變其大小和方向，其矢端軌跡為橢圓，故為橢圓極化波，矢端所描出的橢圓則稱為極化橢圓。圓極化和線極化可視為橢圓極化的特例。
除了用 Exm和Eym及f來描述波的極化以外，還可以用極化橢圓的長軸a，短軸b和傾角j（橢圓長軸與X軸的夾角）來描述當(dāng)a¹b時為橢圓極化，a=b時為圓極化，而a=0或b=0時為線極化。如果在垂直于波傳播方向的平面上，用兩個相互垂直放置的線極化天線，測量波的Exm, Eym和；或者用一個線極化天線從零到360°旋轉(zhuǎn)，測量出a，b和j，便可確定波的極化狀態(tài)。因此，Exm，Eym和f以及a、b和 j可取作描述波的極化狀態(tài)的兩組參數(shù)�？梢宰C明，兩組參數(shù)間有如下關(guān)系：
 

線、圓、橢圓極化示意圖

圖1線、圓、橢圓極化的極化圖
本實驗所設(shè)計的八木天線接收（發(fā)射）的波為線極化波，而最常用的接收（發(fā)射）圓極化波或橢圓極化波的天線即為螺旋天線。一般螺旋天線在軸線方向不一定產(chǎn)生圓極化波，而是橢圓極化波。當(dāng)單位長度的螺圈數(shù)N很大時，發(fā)射（接收）的波可看作是圓極化波。右旋螺旋天線只能發(fā)射或接收右旋圓極化波，左旋螺旋天線只能發(fā)射或接收左旋圓極化波。判斷方法：沿著天線輻射方向，當(dāng)天線的繞向符合右手螺旋定則時，為右旋圓極化，反之為左旋圓極化。
極化是電磁波的重要性質(zhì)之一。平面電磁波可以是線極化，圓極化或橢圓極化的。由上面的討論可知，無論何種極化波，都可以用兩個極化方向相互垂直的線極化波迭加而成�；蛘哒f，無論何種極化波，總可以將其任意地分解為極化方向相互垂直的兩個線極化波。正因為這樣，在研究均勻各向同性媒質(zhì)中的平面波傳播時，只要研究極線波的傳播特性就夠了。
接收功率    為極化失配因子

圖2線極化發(fā)射線極化接收實驗極化實驗

圖3園極化發(fā)射天線線極化接收實驗


圖4 用LED測量線極化圖

圖5 用微安表測量極化圖

圖6 園極化天線發(fā)射線極化天線接收實驗
四、實驗步驟
電磁波的極化測量實驗，是根據(jù)發(fā)射天線極化方式，調(diào)整八木天線的角度，通過觀察接收電磁波強度變化規(guī)律，驗證電磁波極化原理的實驗。實驗臺設(shè)置與波長測量實驗一致，分別接三種極化的發(fā)射天線，調(diào)整接收天線的角度，讀取接收電壓的值。調(diào)整發(fā)射天線分別輻射垂直極化和平行極化波，加載螺旋天線為圓極化波。
1、固定接收天線與發(fā)射天線之間的距離為60~100cm，發(fā)射功率固定為最大值，頻率設(shè)定值為2450MHz，然后選擇發(fā)射天線加載垂直極化。
2、分別為垂直極化和平行極化方式下接收電壓在不同角度下的LED變化規(guī)律�？梢缘贸�，只有發(fā)射天線和接收天線角度匹配時，接收功率才能達(dá)到最大，通信能量利用效率最高。
3、以燈泡明暗度來表達(dá)接收到的能量大小，來判斷對應(yīng)的極化匹配。從水平方向開始旋轉(zhuǎn)云臺轉(zhuǎn)盤，并記錄下燈泡發(fā)光時的角度范圍和燈泡熄滅時的角度范圍。旋轉(zhuǎn)接收天線的角度，以5°為間隔，將接收天線的角度從0°調(diào)整至90°，分別讀取和記錄微安表接收電壓的幅度值。
4、泡發(fā)光范圍在八木天線處于豎直方向附近，燈泡熄滅范圍在八木天線處于水平方向附近，此發(fā)射天線發(fā)出的電磁波極化形式為垂直極化；燈泡發(fā)光范圍在八木天線處于水平方向附近，燈泡熄滅范圍在八木天線處于豎直方向附近，此發(fā)射天線發(fā)出的電磁波極化形式為水平極化； 燈泡發(fā)光范圍沒有明顯偏向水平或豎直，此發(fā)射天線發(fā)出的電磁波極化形式為圓極化。
5、用云臺轉(zhuǎn)盤將振子接收天線從水平方向旋轉(zhuǎn)5°到偏離水平方向5°。將旋轉(zhuǎn)云臺轉(zhuǎn)盤的手移開，盡量保持在采第一個點時的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對實驗的干擾。獲取振子天線偏離水平方向5°時，振子接收天線接收到的微安表強度，
6、按照“采樣點距”設(shè)置要求，用云臺轉(zhuǎn)盤將振子接收天線從偏離水平方向 5°旋轉(zhuǎn)5°到偏離水平方向10°。將旋轉(zhuǎn)云臺轉(zhuǎn)盤的手移開，盡量保持在采第一個點時的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對實驗的干擾。獲取振子天線偏離水平方向10°時，振子接收天線接收到的強度。
7、根據(jù)步驟4和步驟5以及6步驟的操作，將旋轉(zhuǎn)云臺轉(zhuǎn)盤360°，畫出極化圖。
8、端口加載的圓極化實驗表明，分別接LED燈和微安表，在不同的角度下，接收天線接收到的功率差別不大，驗證了發(fā)射天線圓極化的性能。通過本實驗，驗證了實驗系統(tǒng)在顯示和數(shù)據(jù)觀察方面的優(yōu)勢，提高了實驗的精確度和可信度，為學(xué)生處理數(shù)據(jù)提供了方便。
9、依次更換加載不同極化天線，改變電磁波的極化方式。用微安表測量時需要在輸出端接10分貝衰減器，觀察記錄接收電壓數(shù)據(jù)。統(tǒng)計得到以下數(shù)據(jù)表格：
表1 不同極化方式下接收電壓幅度隨角度變化的測量值
頻率 振子感應(yīng)器位置（cm) 極化形式 燈泡發(fā)光范圍（°) 燈泡熄滅范圍（°)
2450MHZ 70 水平線極化 　 　
垂直線極化 　 　
園極化 　 　
80 水平線極化 　 　
垂直線極化 　 　
園極化 　 　
 
 
表2垂直線極化時用微安表測量極化圖
電壓/mv電壓與基準(zhǔn)電壓比值
0°  5°  10°  15°  20° 25°  30° 35°   40°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
45°  50° 55°  60° 65°  70°  75°  80°   85°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
90°   95°  100°  105°  110° 115° 120° 125°  130°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
135°   140°  145° 150° 155°  160°  165°   170° 175°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
180°  185°  190° 195°  200°  205°  210° 215°  220°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
225°  230°  235°  240°  245°  250° 255°  260°  265°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
270°     275°  280° 285° 290°  295° 300° 305°  310°
                 
315°     320°  325° 330° 335°  340° 345° 350°  355°
                 
 
表3水平線極化時用微安表測量極化圖
電壓/mv電壓與基準(zhǔn)電壓比值
0°  5°  10°  15°  20° 25°  30° 35°   40°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
45°  50° 55°  60° 65°  70°  75°  80°   85°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
90°   95°  100°  105°  110° 115° 120° 125°  130°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
135°   140°  145° 150° 155°  160°  165°   170° 175°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
180°  185°  190° 195°  200°  205°  210° 215°  220°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
225°  230°  235°  240°  245°  250° 255°  260°  265°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
270°     275°  280° 285° 290°  295° 300° 305°  310°
                 
315°     320°  325° 330° 335°  340° 345° 350°  355°
                 
表4園極化時用微安表測量極化圖
電壓/mv電壓與基準(zhǔn)電壓比值
0°  5°  10°  15°  20° 25°  30° 35°   40°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
45°  50° 55°  60° 65°  70°  75°  80°   85°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
90°   95°  100°  105°  110° 115° 120° 125°  130°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
135°   140°  145° 150° 155°  160°  165°   170° 175°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
180°  185°  190° 195°  200°  205°  210° 215°  220°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
225°  230°  235°  240°  245°  250° 255°  260°  265°
　 　 　 　 　 　 　 　 　
270°     275°  280° 285° 290°  295° 300° 305°  310°
                 
315°     320°  325° 330° 335°  340° 345° 350°  355°
                 
五、實驗報告要求
1、按照標(biāo)準(zhǔn)實驗報告格式要求和內(nèi)容完成實驗報告；
2、完成數(shù)據(jù)整理，分析電磁波的極化形式；
3、討論電磁波的不同極化收發(fā)規(guī)律。
六、注意事項
1.按下按鈕時，若沒有功率輸出，應(yīng)立即停止發(fā)射，檢查射頻電纜頭與儀器的接頭是否連接牢固，檢查射頻電纜小頭的SMA頭與天線的輸入端口是否牢固連接；用微安表測量時輸出接10dB衰減器防止微安表打表。防止空載工作燒壞微波放大器。
2.盡量減少按下按鈕的時間，以免影響其它小組的測試準(zhǔn)確性。
3.測試時盡量避免人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。

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