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2025-05-02 09:16

電磁波極化特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理

一、 實(shí)驗(yàn)?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(lèi)與和判斷極化形式；
3）研究線(xiàn)性極化和圓極化波的產(chǎn)生及其特點(diǎn)；
4）研究極化匹配對(duì)接收電磁波功率的影響；
5）通過(guò)試驗(yàn)加深對(duì)電磁波極化特性的理解；
6）認(rèn)識(shí)電磁波圓極化發(fā)射線(xiàn)極化接收實(shí)驗(yàn)；
二、 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1）構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
2）垂直與水平極化電磁波實(shí)驗(yàn)
3）左旋圓極化電磁波實(shí)驗(yàn)
4）極化軸比實(shí)驗(yàn)
三、 實(shí)驗(yàn)原理
  如果在一個(gè)確定的空間點(diǎn)上觀察平面電磁波的場(chǎng)矢量和，則可發(fā)現(xiàn)場(chǎng)矢量的空間取向一般是隨時(shí)間變化的。為了描述場(chǎng)矢量的空間取向隨時(shí)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(diǎn)上波的電場(chǎng)矢量的空間取向隨時(shí)間變化的方式，可用的矢端軌跡來(lái)描述。如果的矢端軌跡為直線(xiàn)，波為線(xiàn)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(duì)于均勻平面波來(lái)說(shuō)，空間所有點(diǎn)上，波的極化狀態(tài)都是相同的。無(wú)界媒質(zhì)中均勻平面波是TEM。TEM波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(shí)間變化的，因?yàn)�，�?duì)任意取定的坐標(biāo)系，一般有兩個(gè)分量:
 
    的兩個(gè)分量的瞬時(shí)值為：
    
⑴振幅比  ⑵相位差

平面波電場(chǎng)兩個(gè)分量取不同振幅和相位時(shí)，空間在一固定點(diǎn)處的合成電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的軌跡，從而確定其極化狀態(tài)。
一、線(xiàn)極化
如果Ex和Ey同相，或者相差180°，則這兩個(gè)分量的合成矢量的空間取向就始終在一條直線(xiàn)上，這就是說(shuō)在式中如果fx-fy=0或fx-fy=p就代表一個(gè)直線(xiàn)極化的均勻平面電磁波。
         
 合成電場(chǎng)強(qiáng)并與x軸之間的夾角 j 的正切為
   如果則  直線(xiàn)極化波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的取向與電磁波的傳播方向確定了一個(gè)平面，這個(gè)平面稱(chēng)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(diǎn)軌跡為圓。 與x軸之間的夾角j的正切為

這說(shuō)明與x軸間的夾角隨時(shí)成性增加。也就量說(shuō)場(chǎng)矢量的大小不變，但隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)，所以矢量的尖端在空間的軌跡是一個(gè)圓。
這說(shuō)明以勻角速度w旋轉(zhuǎn)，如果時(shí)間增加則j也增加，場(chǎng)矢量按反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖所示，由于電磁波沿z軸方向傳播，所以場(chǎng)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(chǎng)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(chēng)為右旋圓極化波。如果兩個(gè)分量的相位差為，即Ex(t)比Ey(t)要落后，或四分之一個(gè)周期，這時(shí)在觀察點(diǎn)z=0處兩個(gè)分量的瞬時(shí)值為

在這種情形下，場(chǎng)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(shí)，場(chǎng)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(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，場(chǎng)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(chēng)這種圓極化波為左旋圓極化波。對(duì)于一個(gè)向z軸方向傳播的行波，場(chǎng)量的相位是連續(xù)滯后的。一個(gè)圓極化波每一點(diǎn)的場(chǎng)矢量都以同樣的角速度旋轉(zhuǎn)，但不同的位置上，場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)的起始方向是不同的，在某一個(gè)確定的時(shí)刻右旋圓極化波和左旋圓極化波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量沿傳播方向的分布。
   從上面的分析可知，一個(gè)圓極化波是由場(chǎng)量在空間互相垂直，幅值相等，但有90°相位差的兩個(gè)線(xiàn)極化波合成的，反過(guò)來(lái)，也可以證明，任意一個(gè)線(xiàn)極化波也可以分解為兩個(gè)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(chǎng)矢量的兩個(gè)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(xiàng)，故橢圓中心在坐標(biāo)原點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，隨圓的長(zhǎng)短軸與坐標(biāo)軸一致，而則不一致。在空間固定點(diǎn)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(chēng)為極化橢圓。圓極化和線(xiàn)極化可視為橢圓極化的特例。
除了用 Exm和Eym及f來(lái)描述波的極化以外，還可以用極化橢圓的長(zhǎng)軸a，短軸b和傾角j（橢圓長(zhǎng)軸與X軸的夾角）來(lái)描述當(dāng)a¹b時(shí)為橢圓極化，a=b時(shí)為圓極化，而a=0或b=0時(shí)為線(xiàn)極化。如果在垂直于波傳播方向的平面上，用兩個(gè)相互垂直放置的線(xiàn)極化天線(xiàn)，測(cè)量波的Exm, Eym和；或者用一個(gè)線(xiàn)極化天線(xiàn)從零到360°旋轉(zhuǎn)，測(cè)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)。可以證明，兩組參數(shù)間有如下關(guān)系：
 

線(xiàn)、圓、橢圓極化示意圖

圖1線(xiàn)、圓、橢圓極化的極化圖
本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的八木天線(xiàn)接收（發(fā)射）的波為線(xiàn)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(xiàn)即為螺旋天線(xiàn)。一般螺旋天線(xiàn)在軸線(xiàn)方向不一定產(chǎn)生圓極化波，而是橢圓極化波。當(dāng)單位長(zhǎng)度的螺圈數(shù)N很大時(shí)，發(fā)射（接收）的波可看作是圓極化波。右旋螺旋天線(xiàn)只能發(fā)射或接收右旋圓極化波，左旋螺旋天線(xiàn)只能發(fā)射或接收左旋圓極化波。判斷方法：沿著天線(xiàn)輻射方向，當(dāng)天線(xiàn)的繞向符合右手螺旋定則時(shí)，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(xiàn)極化，圓極化或橢圓極化的。由上面的討論可知，無(wú)論何種極化波，都可以用兩個(gè)極化方向相互垂直的線(xiàn)極化波迭加而成。或者說(shuō)，無(wú)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(gè)線(xiàn)極化波。正因?yàn)檫@樣，在研究均勻各向同性媒質(zhì)中的平面波傳播時(shí)，只要研究極線(xiàn)波的傳播特性就夠了。
接收功率    為極化失配因子

圖2線(xiàn)極化發(fā)射線(xiàn)極化接收實(shí)驗(yàn)極化實(shí)驗(yàn)

圖3園極化發(fā)射天線(xiàn)線(xiàn)極化接收實(shí)驗(yàn)


圖4 用LED測(cè)量線(xiàn)極化圖

圖5 用微安表測(cè)量極化圖

圖6 園極化天線(xiàn)發(fā)射線(xiàn)極化天線(xiàn)接收實(shí)驗(yàn)
四、實(shí)驗(yàn)步驟
電磁波的極化測(cè)量實(shí)驗(yàn)，是根據(jù)發(fā)射天線(xiàn)極化方式，調(diào)整八木天線(xiàn)的角度，通過(guò)觀察接收電磁波強(qiáng)度變化規(guī)律，驗(yàn)證電磁波極化原理的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置與波長(zhǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)一致，分別接三種極化的發(fā)射天線(xiàn)，調(diào)整接收天線(xiàn)的角度，讀取接收電壓的值。調(diào)整發(fā)射天線(xiàn)分別輻射垂直極化和平行極化波，加載螺旋天線(xiàn)為圓極化波。
1、固定接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)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(xiàn)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。可以得出，只有發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)角度匹配時(shí)，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(lái)表達(dá)接收到的能量大小，來(lái)判斷對(duì)應(yīng)的極化匹配。從水平方向開(kāi)始旋轉(zhuǎn)云臺(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)，并記錄下燈泡發(fā)光時(shí)的角度范圍和燈泡熄滅時(shí)的角度范圍。旋轉(zhuǎn)接收天線(xiàn)的角度，以5°為間隔，將接收天線(xiàn)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(xiàn)處于豎直方向附近，燈泡熄滅范圍在八木天線(xiàn)處于水平方向附近，此發(fā)射天線(xiàn)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(xiàn)處于水平方向附近，燈泡熄滅范圍在八木天線(xiàn)處于豎直方向附近，此發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的電磁波極化形式為水平極化； 燈泡發(fā)光范圍沒(méi)有明顯偏向水平或豎直，此發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的電磁波極化形式為圓極化。
5、用云臺(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)將振子接收天線(xiàn)從水平方向旋轉(zhuǎn)5°到偏離水平方向5°。將旋轉(zhuǎn)云臺(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)的手移開(kāi)，盡量保持在采第一個(gè)點(diǎn)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。獲取振子天線(xiàn)偏離水平方向5°時(shí)，振子接收天線(xiàn)接收到的微安表強(qiáng)度，
6、按照“采樣點(diǎn)距”設(shè)置要求，用云臺(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)將振子接收天線(xiàn)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(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)的手移開(kāi)，盡量保持在采第一個(gè)點(diǎn)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。獲取振子天線(xiàn)偏離水平方向10°時(shí)，振子接收天線(xiàn)接收到的強(qiáng)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(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)360°，畫(huà)出極化圖。
8、端口加載的圓極化實(shí)驗(yàn)表明，分別接LED燈和微安表，在不同的角度下，接收天線(xiàn)接收到的功率差別不大，驗(yàn)證了發(fā)射天線(xiàn)圓極化的性能。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在顯示和數(shù)據(jù)觀察方面的優(yōu)勢(shì)，提高了實(shí)驗(yàn)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(xiàn)，改變電磁波的極化方式。用微安表測(cè)量時(shí)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(jì)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(cè)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(xiàn)極化 　 　
垂直線(xiàn)極化 　 　
園極化 　 　
80 水平線(xiàn)極化 　 　
垂直線(xiàn)極化 　 　
園極化 　 　
 
 
表2垂直線(xiàn)極化時(shí)用微安表測(cè)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(xiàn)極化時(shí)用微安表測(cè)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(shí)用微安表測(cè)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(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1、按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式要求和內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)報(bào)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(xiàng)
1.按下按鈕時(shí)，若沒(méi)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(xiàn)的輸入端口是否牢固連接；用微安表測(cè)量時(shí)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(shí)間，以免影響其它小組的測(cè)試準(zhǔn)確性。
3.測(cè)試時(shí)盡量避免人員走動(dòng)，以免人體反射影響測(cè)試結(jié)果。

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