实验三 电磁波的极化

实验三 电磁波的极化一、实验目的 1、学习了解极化波的产生及其特点。 2、研究自制的电磁波感应器的极化特性，加深对电磁波极化特性的理解。 二、实验原理1、极化的定义: 指空间某固定位置处场矢量(电场、磁场)随时间变化的特性 2、极化类型: (1) 直线极化 合成波电场大小随时间变化，但矢端轨迹与x轴夹角不变。 若 E 的变化轨迹在 x 轴上 ( 0 ) ,称为 x 轴取 向的线极化波。 E E sin( t z )x xm

y

若 E 的变化轨迹在 y 轴上 ( 90 ) ,称为 y 轴取 向的线极化波。 E E sin( t z ) y ym

x直线极化的平面波

(2) 圆极化

电场强度矢量端点的轨迹是一个圆。

y

E电场矢量终端运动方向与电磁波传播方向满足右手螺旋关系 ——右旋圆极化波。 电场矢量终端运动方向与电磁波传播方向满足左手螺旋关系 ——左旋圆极化波。

x

圆极化的平面波

(3) 椭圆极化 电场强度矢量端点的轨迹是一个椭圆。

y

x椭圆极化与圆极化类同，分右旋极化和左旋极化。椭圆极化的平面波

三、实验内容移动感应器位置，观察在不同形式的接收天线情况下灯泡达到同 等亮度时与发射天线的距离，总结电磁波不同极化收发的规律。天线形式 距 离(cm)

水天线1

平

垂

直

45 度

天线2

天线3

电磁波的极化一、极化的定义 ◇波的极化：指空间某固定位置处场矢量(电场、磁场)随时间变化的特性。 ◇极化的描述：用电场强度E 矢量末端随时间变化的轨迹来描述波的极化。 (磁场的变化情况完全类似) 二、极化类型 由电磁波电场场量两个正交分量间的幅度和相位关系，可以判断波 的极化方式。 一般情况下，沿+z方向传播的均匀平面波， x 和 E y 分量都存 E 在，且其振幅和相位不一定相等。

Ex Exm cos( t kz x ) , E y E ym cos( t kz y )

(1) 直线极化电场仅在一个方向振动，即电场强度矢量端点的轨迹 是一条直线。 取z=0

Ex Exm cos( t x ) , E y E ym cos( t y )

y x 0, y x合成后

或 y x y

2 2 2 E Ex2 E y Exm E ym cos( t x ) E ym arctg const ( y x 0) Exm arctg E y E ym Ex arctg const ( y x ) Exm

x直线极化的平面波

合成波电场大小随时间变化，但矢端轨迹与x轴夹角不变。

若 E 的变化轨迹在 x 轴上 ( 0 ) ,称为 x 轴取 向的线极化波。

若 E 的变化轨迹在 y 轴上 ( 90 ) ,称为 y 轴取 向的线极化波。

(2) 圆极化 电场强度矢量端点的轨迹是一个圆。令 y

x 得

2

Exm Eym Em ,

y

Ex

Ex Em cos( t x ) , E y Em sin( t x )

合成后

E E 2 E 2 E const x y m ( y x ) E y ( t x ) 2 arctg Ex t ( y x ) x 2合成波电场大小不变，但矢端轨迹与x 轴夹角随时间变化。

圆极化的平面波

当 y x

2

即

= t x 且 Exm Eym

可判断出

电场矢量终端运动方向与电磁波传播方向满足右手螺旋关系——右旋圆极化波。 (若以右手的四指随E的矢端运动，则姆指就指出了波的传播方向)

当

y x

2

即 ( t x ) 且

Exm E ym 可判断出

电场矢量终端运动方向与电磁波传播方向满足左手螺旋关系——左旋圆极化波。 说明：上述结论适用于沿+Z方向传播的均匀平面波。

(3) 椭圆极化

电场强度矢量端点的轨迹是一个椭圆。

若 E x和 E y 振幅、相位都不相同，则合成波为椭圆极化波。 令

x 0, y 得 Ex Exm cos t , E y E ym cos t y

上二式中消去t 得2 Ey 2 Ex E y Ex2 2 cos sin 2 2 Exm E ym Exm E ym

x

可以证明，椭圆的长轴与 x 轴的夹角为

椭圆极化的平面波

tan2

2 Exm E ym E E2 xm 2 ym

cos

椭圆极化与圆极化类同，分右旋极化和左旋极化。 y 椭圆极化是极化的一般状态，线极化、圆极化是特殊状态 三种极化方式的关系 ◇ 当 90 , E ym Ezm Em 时， 椭圆极化 → 圆极化。0

x

◇ 当 0 时， 椭圆极化 → 直线极化。 电磁波的极化方式由辐射源(即天线)的性质决定。

椭圆极化的平面波

y y

x x

椭圆、圆与直线极化的 关系

将 f , sin 用极坐标画出来

z

zEy y

y

Ezx元天线方向图

E

x

E面方向图 0, 2 ,

场强为零， H面方向图 场强的大小与

无关

场强最大

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