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
在介质r ε和投射角i θ确定后，调整α角，即可实现两个线极化波幅度相等的要求，作为相位条件，当改变2r P 的位置为0l 使z 2-z 1=±λ/4,即可实现21/2φφπ-=±。

可见用正交金属丝栅装置，可以方便的获得圆极化波。

若使2r P 处于l 1=l 0±λ/4位置处，则可获得线极化波；若2r P 处于任何位（l 0<l<l 1）,即可获得椭圆极化波。

3. 实验内容
（1）圆极化波的调整与测试
首先，调整测试设备的0r P 的转角d,使3r P 分别接收的1r E ⊥和2r E 幅度相等，这时50d ≈ ，同时012r r r P P P 3r P 的口面垂线彼此相垂直。

其次改变2r P ,使3r P 处于
0~360
任何转角时，其接收的场幅度不变，找到0l 处，可获得圆极化波。

由于
各种误差使
1r E ⊥和2r E 总有差别，我们用圆极化波的椭圆度
e 来表示，最后把测试数据
填入下表中。

圆极化波及椭圆度测试表
3r P
接收m E ⊥
E α=
,2m E E α=
2r P 0l 位置：
0r P 的转角
圆极化波椭圆度e =
(2)线极化波的调整与测试。

利用圆莱顿化波所测数据：
12m m E E ⊥=
及改变2r P 位置，使104
l l π
=±
,即可获得线极化波。

由于合成波场
强最大值方向由1r E ⊥和2r E 决定，因此3r P 的转角为：
'
1'
2sin cos m i r m j E E R T T arctg
E E R T T
αθα⊥⊥⊥⊥==
若45α= ，则245r θ≠ .若12m m E E ⊥= ，则45r θ= ,填表
（3）椭圆极化波的调整与测试 可利用已调整的1r E ⊥与1r E 的幅度相同条件，改变金属丝栅位置l 2,实现l 0<l 2<(l 0±λ/4)。

测试方法与上相同。

4.实验仪器
（1）26A 型电磁波综合测试仪，测极化用的金属丝栅附件一套 （2）1211型3cm 固态信号源一台 （3） 一只或XF-01型选频放大器一台
5.实验报告内容与要求 1实验目的 2实验数据表
3分析圆极化波测试值与理论值之间存在差别的原因
4用金属丝栅实现线、圆、椭圆极化波时，为什么在其后加微波吸收材料。

5实验中的体会和收获。