电磁波的极化实验.doc

1 电磁波的极化实验一、实验名称：电磁波的极化实验二、实验类型：认知型三、实验学时：2学时四、实验对象：本科生五、实验目的：掌握电磁波极化、天线极化的概念；掌握电磁波的分解与合成原理；掌握极化的马吕斯定律；了解圆极化波产生的基本原理。六、实验内容：波的极化实验，圆极化天线的原理，圆极化波产生实验。七、实验设备：微波分光仪一套,角锥喇叭天线二个,圆极化天线一个。八、实验原理：1、电磁波的极化电磁波的极化通常是用空间中一固定点上电场矢量的空间取向随时间变化的方式来定义的。如果电波传播时，电场矢量的尖端随时间变化在空间描出轨迹为一直线，则称为线极化波；如果传播时电场矢量的尖端在空间描出的轨迹为一个圆，则称为圆极化波。如果传播时电场矢量尖端在空间描出轨迹为一椭圆，则为椭圆极化波。2、电场的分解如图1.1所示，电场在X坐标轴和Y 坐标轴上的分量分别为，对于矢量应满足关系式： ，图1.1由于电磁波的平均功率流密度（对应于光学中的光强）正比于电场强度的平方，故可得到马吕斯公式。3、天线的极化本实验中，发射天线与接收天线均为矩形口径喇叭天线，又称为角锥喇叭天线，它是一种线极化天线。按天线口面电场矢量方向与地平面的关系，可以规定水平极化和垂直极化。一般情况下，如果喇叭天线窄边平行于地面，则称水平极化，如果喇叭天线窄边垂直于地面，则称垂直极化。4、圆极化天线及工作原理电磁波圆极化天线是由方圆波导转换、介质圆波导和圆锥喇叭连接而成。介质圆波导可做360旋转，并有刻度指示转动的角度，矩形波导TE10波经方圆波导转换后转化为圆波导的TE11波，并在介质圆波导内分解成两个分量，即垂直介质片平面的一个分量和平行介质面的一个分量。产品设计为频率在9370MHz左右，使两个分量的波相位差90o，适当调整介质圆波导（亦可转动介质片）的角度使两个分量的幅度相等时则可得到圆极化波。当圆极化波发射装置方圆波导转换（如图1.2）使TE10的EY波过渡到TE11成为ER波后，在装有介质片的圆波导段内分成Et和En两个分量的波。因Et和En的速度不同，即Vc = Vn Vt =VC/ ，当介质片的长度L取得合适时，使En波的相位超前Et波的相位90，这就实现了圆极化波相位条件的要求；为使En与Et的幅度相等，可使介质片的方向跟Y轴之间夹角为=45。若介质片的损耗略去不计，则有Etm=Enm=1/Erm ，从而实现了圆极化波幅度相等条件的要求（有时需稍偏离45以实现幅度相位的要求）。图1.2 圆极化波发射（或接收）装置左旋右旋的判定：为了确定圆极化波右旋、左旋的特性，把转到方向符合右手螺旋规则的波，定为右旋圆极化波；把转到方向符合左手螺旋规则的波，定为左旋圆极化波。九、实验步骤：l 波的极化实验1、调整系统，使发射天线和接收天线对正。转动刻度盘使其0的位置正对固定臂（发射天线）的指针，转动可动臂（接收天线）使其指针指着刻度盘的180处，使发射天线喇叭与接收天线喇叭对正后固定可动臂。2、为了避免小平台的影响，可以松开平台中心三个十字槽螺钉，把工作台取下。另外将收发天线中间或附近的物体移开以减少环境对实验结果的影响。3、调整发射天线和接收天线的极化，使得轴承环上的0刻度均对准固定刻度线，即使两天线均工作在垂直极化。4、打开信号源，调整发射端可调衰减器上的千分尺，使得微安表的指针指向满量程。5、按表1.1a要求记录数据。6、平稳缓慢地旋转接收天线，从0度旋转到90度，每隔10度记录一次电表指示读数，记录在表1.1b中，与按要求比较得出结论。7、将收发天线调整到水平极化固定，重复上述过程，记录在表1.2a-b中。7、在实验老师指导下关闭系统，并将系统恢复到最初状态。l 圆极化波的产生实验1、将微波分光仪发射端喇叭换成电磁波圆极化天线，并使圆锥喇叭连接方式同原矩形发射喇叭连接。2、调整微波分光仪的接收喇叭口面应与电磁波圆极化天线口面互相正对，即它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的或0-180刻度处。3、打开信号源。4、将发射喇叭旋转45，其内部介质片也随之旋转，内部介质片应与喇叭垂直轴线成45。此时，理论上实现了圆极化波幅度相等条件的要求。5、察看电表指示，同时，旋转微波分光仪的接收喇叭，如果在接收喇叭旋转到任一角度时，电表指示基本接近，就实现了圆极化波发射。6、如果电表指示差别很大，适当调整发射喇叭的角度，直到接收喇叭旋转到任一角度时电表指示接近。此时，可以根据圆极化波右旋、左旋的特性来判断右旋、左旋圆极化波。7、通过计算轴比判断接收到的是否为圆极化波，要求轴比满足：，即当计算所得的结果小于1.1时，可认为所得到的就是圆极化波。以上实验全部结束后，上交全部实验数据，并按要求完成实验测试题。十、实验数据表1.1a（发射喇叭天线置于垂直极化状态，实验过程中保持不变）调整发射衰减器及接收天线极化，使测量信号最强，此时电表指示满量程。对应接收天线极化指针指示角度= 调整接收天线极化指针置于0位置测量信号I = 调整接收天线极化指针置于90位置测量信号I = 调整接收天线极化指针置于90位置测量信号I = 调整接收天线极化指针置于45位置测量信号I = 调整接收天线极化指针置于45位置测量信号I = 表1.1b（发射喇叭天线置于垂直极化状态，实验过程中保持不变）角度0 102030405060708090cos2I i比较第二行和第四行数据，结论为： 表1.2a（发射喇叭天线置于水平极化状态，实验过程中保持不变）调整发射衰减器及接收天线极化，使测量信号最强，此时电表指示满量程。对应接收天线极化指针指示角度= 调整接收天线极化指针置于0位置测量信号I = 调整接收天线极化指针置于90位置测量信号I = 调整接收天线极化指针置于90位置测量信号I