电磁场与电磁波实验三-电磁波的极化及极化测试

电磁场与电磁波实验报告课程名称：电磁场与电磁波实验名称：电磁波的极化及极化测试

实验三电磁波的极化及极化测试一、实验目的1、电磁波的极化现象的产生2、完全极化波与合成极化波的定义3、研究线性极化波的产生及其特点4、研究制作的电磁波感应器的极化特性，进行极化特性实验，与理论结果进行对比、讨论；5、通过实验加深对电磁波极化特性的理解和认识。二、预习要求1、什么是电磁波的极化？它具有什么特点？2、了解各种常用天线的极化特性；3、天线特性与发射(接收)电磁波极化特性之间的有什么关系？三、实验仪器HD-CB-IV电磁场电磁波数字智能实训平台： 1套水平极化天线：1副垂直极化天线：1副电磁波传输电缆：1根微安表：1只灯泡：1只四、实验原理首先我们说的极化应该称为完全极化波，即波中只有一个方向的振动（线极化），也有两个方向合成的（圆极化，椭圆极化）。自然光里的电磁波可以理解为是在各个方向上线偏振光的均匀叠加。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。如果极化电磁波的电场强度始终在垂直于传播方向的（横）平面内取向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，则这一极化电磁波称为平面极化波。电场的矢端轨迹称为极化曲线，并按极化曲线的形状对极化波命名。天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念，它表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量E的端点在空间描绘出的轨迹来表示。由其轨迹方式可得电磁波的极化方式有三种：线极化、圆极化、椭圆极化。极化波都可看成由两个同频率的直线极化波在空间合成,如图所示，两线极化波沿正z方向传播，一个的极化取向在x方向，另一个的极化取向在y方向。若x在水平方向，y在垂直方向，这两个波就分别为水平极化波和垂直极化波。

若：水平极化波Ex=Exmsin(wt-kz)垂直极化波Ey=Eymsin(wt-kz+δ)

其中Exm、Eym分别是水平极化波和垂直极化波的振幅，δ是Ey超前Ex的相角（水平极化波取为参考相面）。

取Z=0的平面分析，有

Ex=Exmsin(wt)

Ey=Eymsin(wt+δ)综合得aEx2-bExEy+cEy2=1式中a、b、c为水平极化波和垂直极化波的振幅Exm、Eym和相角δ有关的常数。

此式是个一般化椭圆方程，它表明由Ex、Ey合成的电场矢量终端画出的轨迹是一个椭圆。所以：●当两个线极化波同相或反相时，其合成波是一个线极化波；●当两个线极化波相位差为π/2时，其合成波是一个椭圆极化波；●当两个线极化波振幅相等，相位相差π/2时，其合成波是一个圆极化波。

实验一所设计的半波振子接收（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。实际上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。

极化波的一个需要重视的地方是极化的旋转方向问题。一般规定：面对电波传播的方向（无论是发射或接收），电场沿顺时针方向旋转的波称为右旋圆极化波。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逆时针方向旋转的波称为左旋圆极化波接收左旋圆极化波。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。五、实验步骤实验装置如下图所示：1、将一副发射极化天线架设在发射支架上，连接好发射电缆，开启实验平台开关，将“输出口2”连接到极化天线上。按下发射开关，绿色指示灯亮，代表正常工作。2、将制作的线极化的电磁波感应器安装在测试支架上，分别设置成垂直、水平、斜45度三种位置，按下发射按钮，并移动感应器滑块，观察灯泡达到同等亮度时与发射天线的距离，并记录数据。3、更换不同的发射天线类型，重复以上步骤，记录测试数据。4、分析实验数据，判断各发射天线发出的电磁波的极化形式。表1半波天线数据记录表（接收天线位置：90cm）发射天线极化形式接收天线放置形式水平垂直45度垂直极化80180225水平极化320200400左旋圆极化0180220右旋圆极化240160420表2环天线数据记录表（接收天线位置：90cm）发射天线极化形式接收天线放置形式水平垂直45度垂直极化840600920水平极化720300580左旋圆极化超量程超量程超量程右旋圆极化920540980补充：左旋圆极化（接收天线40cm）6608007205、也可接检波装置，观测不同极化时的检波电流大小。（有兴趣的同学，可用这种方式记录数据，从而画出半波天线的方向图）。六、注意事项1、按下机器供电开关，机器工作正常，按下功率发射按钮，发射指示灯亮，且液晶界面显示发射状态，说明发射正常。2、滑动感应器及反射板应缓慢，切忌过快影响实验效果和读数。3、测试感应器时，不能将感应灯靠近发射天线的距离太近，否则会烧毁感应灯。（置于15cm以外，或视感应灯亮度而定）4、实验前，按规定执行清零操作，方便读数记录。

5、避免与相邻小组同时按下发射按钮，尽量减少按下发射按钮的时间，以免相互影响测试准确性。6、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。

七、报告要求

1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告；

2、完成数据运算及整理，依据实验数据，分析电磁波的极化形式；

3、讨论电磁波不同极化收发的规律；八、思考题

1、根据实验数据，写出实验结论。实验数据：表1半波天线数据记录表（接收天线位置：90cm）发射天线极化形式接收天线放置形式水平垂直45度垂直极化80180225水平极化320200400左旋圆极化0180220右旋圆极化240160420表2环天线数据记录表（接收天线位置：90cm）发射天线极化形式接收天线放置形式水平垂直45度垂直极化840600920水平极化720300580左旋圆极化超量程超量程超量程右旋圆极化920540980补充：左旋圆极化（接收天线40cm）660800720实验结论：对半波天线：接收电磁波效率与天线放置方向和电磁波线极化方向有关，当天线放置方向与电磁波线极化方向相同时接收的效率最高，两方向垂直时接收的效率最低。圆极化的电磁波对天线放置方向没有要求，且圆极化与线极化相比，电磁波的接收效率更高。对环形天线：接收电磁波效率与天线放置方向和电磁波极化方向无太大关系，且环形天线的接收效率远大于半波天线的接收效率。2、根据实验数据，分析半波振子天线和环天线分别是什么极化形式？答：根据实验数据，半波振子天线为线极化形式，环天线为圆极化形式。可以用电场线在天线所在直线的投影大小来衡量接收天线的接收效率，由实验数据可以发现，直线极化的电场线在天线上的投影随着二者夹角余弦值的变化而变化，而圆极化的电场线在天线直线上的投影为定值。3、通过本实验，谈谈你的心得体会，并讲述该实验与本课程的哪些知识点相关。心得体会：通过这次试验，我们进一步加深了对电磁波的极化现象及其产生的理解，温故了完全极化波与合成极化波的定义，对线性极化波的产生及其特点有了更深的理解，在实际操作中加深了电磁波极化特性的理解和认识。对电磁场与电磁波这门课程的学习有了更加深入的理解。相关知识点：电磁波的极化原始数据记录与签字：

实践环节评分及标准考察项目考察内容教师评价备注（评语）过程表现100分态度认真、积极主动、操作规范，实验完毕后仪器断电、归位（90-100分）态度认真、积极主动、操作正确，实验完毕后仪器断电、归位（80-89分）态度较认真、操作基本正确，实验完毕后仪器断电、归位（60-79分）态度不端正、操作不规范，实验完毕后仪器未断电、归位（60分以下）结果验收100分实验数据处理准确规范、结果合理、结论正确（90-100分）