实验二 电磁波极化的研究

实验三 电磁波极化的研究

1. 实验目的

（1） 研究线极化波、圆极化波、椭圆极化波的形成和特点。 （2） 了解线极化波、圆极化波和椭圆极化波特性参数的测试方法

2. 实验原理与说明

电磁波极化是指波在无限大均包媒质中传播时，在空间某点位置上电场强度矢量E

随时间变化的规律。当E

末端总在一直线上周期变化时，称为线

极化波，当E

末端的轨迹是圆（或椭圆）时，称为圆极化波；若圆轨道运动

与波前进方向符合右手螺旋规则时，则称为右旋（或左旋）圆极化波，无论是线、圆或椭圆极化波都可由两个同频率的正交场线极化波组合而成。设两同频率正交场线极化波为

()

x j x x xm E E e

βφ--= ① ()

y j x y ym E E e βφ--= ②

1) 组成线极化波如图所示，式①和式②中，当

0x y φφ-=,xm ym E E =±(或xm ym E E ≠)时，两个波在空间叠加

()j z x y m E xE yE E e βφ--=+=

式中

m xm ym E xE yE =+

合成场矢量E

的方向与x 轴夹角不变，即： ()(

)

y y m x

x m

E E arctg arctg E E

θ=±

=±=常数

若 ym xm

E E 的值不同，则 θ为不同的定值，从而获得合成场矢量末端沿直线

轨迹周期变化的极化波。若ym E =0则θ=0这时线极化波为在空间某点的场，且仅在x 轴方向上周期变化。同理，线极化波也可以分成为频率相同、场相垂直的两个线极化波。 2）组成圆极化波

根据式①和②，若xm ym m E E E ==，及0x φ=,2

y π

φ=-

,这时合成波可写成：

2()j x y m E xE yE E x j y e β

-=+=- ………………………………………………④

合成场E

与

x 轴的夹角（在0z 处）为

00

0cos()

2(

)(

)cos()

y x

w t z E arctg arctg w t z

E w t z π

βθββ-+

===--

当z z θ=时，θ随时间向正值增大，合成场矢量末端按右手螺旋规则作圆周运动，故称为右旋圆极化波，如图所示

同理，可得左旋圆极化波()j z m E E x j y e β-=+

和0()()

y x

E arctg w t z E θβ==--这里有xm ym m E E E ==,及0x φ=,2

y π

φ=

,2

x y π

φφ-=-

随时间增加E

矢量末端运动轨迹符合左手螺旋定则，故称左旋极化波，如图

所

示

（3）组成椭圆极化波 当式①和式②所表示的两个线极化波，幅度不等，相位差仍为±π/2时，可得椭圆长短轴分别在x 轴和y 轴的椭圆极化波。如

xm ym E E >，0,/2x y ϕϕπ==，则可得到左旋椭圆极化波。

当然，椭圆极化波可由两个同频率幅度不等的左，右旋圆极化波组成。如图所示，若将式①和式②改写为

()

()

()1

2

j z j z x x E E e E E

e

x xm

xm xm βϕβϕ----==+ ()

()

()1

2

j z j z y

y

E E e E

E

e

y ym

ym ym βϕβϕ----==+

因0x ϕ=，2

y π

ϕ=-

，及x m y m E E >，111xm ym m E E E ==，222xm ym m E E E ==，因

而两个线极化波合成场波为

12ˆˆˆˆˆˆ()()j z j z j z j xm ym m m E xE

e jxE E x jy E e x jy E e βββ----=-=-++

…………⑥

由上

式可见，两个线极化波合成的椭圆极化波，也可以看成两个幅度不等的右旋和左旋极化波合成而得。

图示是实现各种极化波的装置。金属丝栅1r P 和2r P 的功能，是分别反射1r E 和

2r E 的波。两反射波在接受喇叭8r P 内实现相加的过程如图所示。根据图中条件得

1

1

11'jkz j r i m E E R T T e

E e

φ--⊥⊥⊥⊥⊥⊥=-=

2

2

22'jkz j r i m E E R T T e

E e

φ--=-=

为使辐射喇叭同时产生i E ⊥与i E 两个入射波，只需将0r P 转动一个角度

α，使入射场i E 分成同频率的两个正交场 i E ⊥＝i E sin α i E =i E cos α

如图所示，当图中α＝045时，i E ⊥＝i E ，但这并不意味着12m m E E ⊥= ，其理由是R R ⊥≠ ，可见，要实现幅度相等，必须有如下等式

sin 'cos 'i i E R T T E R T T αα⊥⊥⊥=

………………………………⑦