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电磁波极化特性实验实验原理

一、 实验目的
1）电磁波的偏振现象的产生，观察极化现象；
2）研究电磁波极化的分类与和判断极化形式；
3）研究线性极化和圆极化波的产生及其特点；
4）研究极化匹配对接收电磁波功率的影响；
5）通过试验加深对电磁波极化特性的理解；
6）认识电磁波圆极化发射线极化接收实验；
二、 实验项目
1）构建实验平台
2）垂直与水平极化电磁波实验
3）左旋圆极化电磁波实验
4）极化轴比实验
三、 实验原理
  如果在一个确定的空间点上观察平面电磁波的场矢量和，则可发现场矢量的空间取向一般是随时间变化的。为了描述场矢量的空间取向随时间变化的规律，引进了平面电磁波的极化概念，此处所谓极化也叫偏振，是指空间任一固定点上波的电场矢量的空间取向随时间变化的方式，可用的矢端轨迹来描述。如果的矢端轨迹为直线，波为线极化，的矢端轨迹为圆，波为圆极化；矢端轨迹为椭圆，波为椭圆极化。显然，对于均匀平面波来说，空间所有点上，波的极化状态都是相同的。无界媒质中均匀平面波是TEM。TEM波的电场和磁场矢量均在垂直于传播方向的平面内。设波沿z方向传播，则和均在z=常数的平面内。但在此平面内的取向可以是任意的，或者是随时间变化的，因为，对任意取定的坐标系，一般有两个分量:
 
    的两个分量的瞬时值为：
    
⑴振幅比  ⑵相位差

平面波电场两个分量取不同振幅和相位时，空间在一固定点处的合成电场矢量端点的轨迹，从而确定其极化状态。
一、线极化
如果Ex和Ey同相，或者相差180°，则这两个分量的合成矢量的空间取向就始终在一条直线上，这就是说在式中如果fx-fy=0或fx-fy=p就代表一个直线极化的均匀平面电磁波。
         
 合成电场强并与x轴之间的夹角 j 的正切为
   如果则  直线极化波的电场强度矢量的取向与电磁波的传播方向确定了一个平面，这个平面称为极化面。
二、圆极化
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            
此为圆方程，合成矢量端点轨迹为圆。 与x轴之间的夹角j的正切为

这说明与x轴间的夹角随时成性增加。也就量说场矢量的大小不变，但随时间旋转，所以矢量的尖端在空间的轨迹是一个圆。
这说明以匀角速度w旋转，如果时间增加则j也增加，场矢量按反时针方向旋转，如图所示，由于电磁波沿z轴方向传播，所以场矢量的旋转方向与波的传播方向成右手螺旋关系，即以右手弯曲的四指代表场矢量的旋转方向，则伸直的大姆指指向波的传播方向。这种旋向的圆极化波称为右旋圆极化波。如果两个分量的相位差为，即Ex(t)比Ey(t)要落后，或四分之一个周期，这时在观察点z=0处两个分量的瞬时值为

在这种情形下，场矢量的大小仍为常量E0，而它与x轴间的夹角则为

当t增加时，场矢量与x轴间夹角减小，所以以z轴为转轴以角速度按顺时针方向旋转，场矢量的旋轴方向与电磁波的传播方向符合左手螺旋关系，所以称这种圆极化波为左旋圆极化波。对于一个向z轴方向传播的行波，场量的相位是连续滞后的。一个圆极化波每一点的场矢量都以同样的角速度旋转，但不同的位置上，场矢量旋转的起始方向是不同的，在某一个确定的时刻右旋圆极化波和左旋圆极化波的电场强度矢量沿传播方向的分布。
   从上面的分析可知，一个圆极化波是由场量在空间互相垂直，幅值相等，但有90°相位差的两个线极化波合成的，反过来，也可以证明，任意一个线极化波也可以分解为两个幅度相等，但旋向相反的圆极化波。
三、椭圆极化
如果Ex，Ey，φx，φy具有任意值，则由场矢量的两个分量
在z=0处，消去t得
 
式中。上式是以Ex和Ey为变量的椭圆方程。方程中不含一次项，故椭圆中心在坐标原点。当时，随圆的长短轴与坐标轴一致，而则不一致。在空间固定点上，不断改变其大小和方向，其矢端轨迹为椭圆，故为椭圆极化波，矢端所描出的椭圆则称为极化椭圆。圆极化和线极化可视为椭圆极化的特例。
除了用 Exm和Eym及f来描述波的极化以外，还可以用极化椭圆的长轴a，短轴b和倾角j（椭圆长轴与X轴的夹角）来描述当a¹b时为椭圆极化，a=b时为圆极化，而a=0或b=0时为线极化。如果在垂直于波传播方向的平面上，用两个相互垂直放置的线极化天线，测量波的Exm, Eym和；或者用一个线极化天线从零到360°旋转，测量出a，b和j，便可确定波的极化状态。因此，Exm，Eym和f以及a、b和 j可取作描述波的极化状态的两组参数。可以证明，两组参数间有如下关系：
 

线、圆、椭圆极化示意图

图1线、圆、椭圆极化的极化图
本实验所设计的八木天线接收（发射）的波为线极化波，而最常用的接收（发射）圆极化波或椭圆极化波的天线即为螺旋天线。一般螺旋天线在轴线方向不一定产生圆极化波，而是椭圆极化波。当单位长度的螺圈数N很大时，发射（接收）的波可看作是圆极化波。右旋螺旋天线只能发射或接收右旋圆极化波，左旋螺旋天线只能发射或接收左旋圆极化波。判断方法：沿着天线辐射方向，当天线的绕向符合右手螺旋定则时，为右旋圆极化，反之为左旋圆极化。
极化是电磁波的重要性质之一。平面电磁波可以是线极化，圆极化或椭圆极化的。由上面的讨论可知，无论何种极化波，都可以用两个极化方向相互垂直的线极化波迭加而成。或者说，无论何种极化波，总可以将其任意地分解为极化方向相互垂直的两个线极化波。正因为这样，在研究均匀各向同性媒质中的平面波传播时，只要研究极线波的传播特性就够了。
接收功率    为极化失配因子

图2线极化发射线极化接收实验极化实验

图3园极化发射天线线极化接收实验


图4 用LED测量线极化图

图5 用微安表测量极化图

图6 园极化天线发射线极化天线接收实验
四、实验步骤
电磁波的极化测量实验，是根据发射天线极化方式，调整八木天线的角度，通过观察接收电磁波强度变化规律，验证电磁波极化原理的实验。实验台设置与波长测量实验一致，分别接三种极化的发射天线，调整接收天线的角度，读取接收电压的值。调整发射天线分别辐射垂直极化和平行极化波，加载螺旋天线为圆极化波。
1、固定接收天线与发射天线之间的距离为60~100cm，发射功率固定为最大值，频率设定值为2450MHz，然后选择发射天线加载垂直极化。
2、分别为垂直极化和平行极化方式下接收电压在不同角度下的LED变化规律。可以得出，只有发射天线和接收天线角度匹配时，接收功率才能达到最大，通信能量利用效率最高。
3、以灯泡明暗度来表达接收到的能量大小，来判断对应的极化匹配。从水平方向开始旋转云台转盘，并记录下灯泡发光时的角度范围和灯泡熄灭时的角度范围。旋转接收天线的角度，以5°为间隔，将接收天线的角度从0°调整至90°，分别读取和记录微安表接收电压的幅度值。
4、泡发光范围在八木天线处于竖直方向附近，灯泡熄灭范围在八木天线处于水平方向附近，此发射天线发出的电磁波极化形式为垂直极化；灯泡发光范围在八木天线处于水平方向附近，灯泡熄灭范围在八木天线处于竖直方向附近，此发射天线发出的电磁波极化形式为水平极化； 灯泡发光范围没有明显偏向水平或竖直，此发射天线发出的电磁波极化形式为圆极化。
5、用云台转盘将振子接收天线从水平方向旋转5°到偏离水平方向5°。将旋转云台转盘的手移开，尽量保持在采第一个点时的环境状态，减少环境对实验的干扰。获取振子天线偏离水平方向5°时，振子接收天线接收到的微安表强度，
6、按照“采样点距”设置要求，用云台转盘将振子接收天线从偏离水平方向 5°旋转5°到偏离水平方向10°。将旋转云台转盘的手移开，尽量保持在采第一个点时的环境状态，减少环境对实验的干扰。获取振子天线偏离水平方向10°时，振子接收天线接收到的强度。
7、根据步骤4和步骤5以及6步骤的操作，将旋转云台转盘360°，画出极化图。
8、端口加载的圆极化实验表明，分别接LED灯和微安表，在不同的角度下，接收天线接收到的功率差别不大，验证了发射天线圆极化的性能。通过本实验，验证了实验系统在显示和数据观察方面的优势，提高了实验的精确度和可信度，为学生处理数据提供了方便。
9、依次更换加载不同极化天线，改变电磁波的极化方式。用微安表测量时需要在输出端接10分贝衰减器，观察记录接收电压数据。统计得到以下数据表格：
表1 不同极化方式下接收电压幅度随角度变化的测量值
频率 振子感应器位置（cm) 极化形式 灯泡发光范围（°) 灯泡熄灭范围（°)
2450MHZ 70 水平线极化 　 　
垂直线极化 　 　
园极化 　 　
80 水平线极化 　 　
垂直线极化 　 　
园极化 　 　
 
 
表2垂直线极化时用微安表测量极化图
电压/mv电压与基准电压比值
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水平线极化时用微安表测量极化图
电压/mv电压与基准电压比值
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园极化时用微安表测量极化图
电压/mv电压与基准电压比值
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、实验报告要求
1、按照标准实验报告格式要求和内容完成实验报告；
2、完成数据整理，分析电磁波的极化形式；
3、讨论电磁波的不同极化收发规律。
六、注意事项
1.按下按钮时，若没有功率输出，应立即停止发射，检查射频电缆头与仪器的接头是否连接牢固，检查射频电缆小头的SMA头与天线的输入端口是否牢固连接；用微安表测量时输出接10dB衰减器防止微安表打表。防止空载工作烧坏微波放大器。
2.尽量减少按下按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。
3.测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。
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