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












⑴振幅比



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


如果



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



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

这说明





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


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


式中




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



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



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° |
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° |
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。