Xreferat.com » Рефераты по коммуникации и связи » Поляризация электромагнитной волны

Поляризация электромагнитной волны

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт радиоэлектроники и телекоммуникаций

Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

Лаборатория «Электродинамика и распространение радиоволн»


Лабораторная работа № ВИ-102

Поляризация электромагнитной волны


Казань, 2006 г.

Цель работы.

Целью работы является изучение поляризации электромагнитной волны и исследование с помощью виртуальной лабораторной установки различных видов поляризации.

Подготовка к работе.

Перед выполнением работы необходимо изучить соответствующий лекционный материал, настоящее описание и, при необходимости, рекомендованную литературу [1, с.57-59; 2, с.60-62; 3, с.158-162; 4, с.139-143; 5, с.180-187].

Краткие теоретические сведения.

В общем случае однородная плоская волна, которая распространяется в направлении оси z, имеет векторы Поляризация электромагнитной волны и Поляризация электромагнитной волны, лежащие в плоскости xOy фазового фронта. Эти векторы взаимно ортогональны, пропорциональны по величине и образуют с вектором Пойнтинга правую тройку векторов. Положение вектора Поляризация электромагнитной волны в плоскости xOy может быть произвольным. Однако, вследствие того, что волна является гармонической с частотой Поляризация электромагнитной волны и периодом колебаний Поляризация электромагнитной волны, изменяющийся по величине и направлению вектор Поляризация электромагнитной волны возвращается каждый период в исходное положение и рисует при этом своим концом на плоскости xOy замкнутую кривую, называемую годографом вектора Поляризация электромагнитной волны. Вектор Поляризация электромагнитной волныпри этом однозначно определяется вектором Поляризация электромагнитной волны и, при необходимости, всегда может быть найден.

Поляризация волны определяет закон изменения направления и величины вектора Поляризация электромагнитной волны этой волны в данной точке пространства за период колебания. По форме годографа вектора Поляризация электромагнитной волны определяют три вида поляризации монохроматических волн: линейная, круговая и эллиптическая.

Рассмотрим вектор Поляризация электромагнитной волны, произвольно лежащий в плоскости xOy (рис.1):

Поляризация электромагнитной волны. (1)


Поляризация электромагнитной волны

Рис.1. Вектор напряжённости электрического поля


Мгновенное значение модуля вектора

Поляризация электромагнитной волны (2)

Угол вектора с осью x

Поляризация электромагнитной волны (3)

Линейно поляризованной называют волну, у которой направление вектора Поляризация электромагнитной волны остаётся неизменным с течением времени. Если начальные фазы суммируемых в выражении (1) ортогональных компонент поля совпадают Поляризация электромагнитной волны или сдвинуты друг относительно друга на Поляризация электромагнитной волны Поляризация электромагнитной волны, то результирующая волна будет иметь линейную поляризацию. Действительно, подставив в (1) Поляризация электромагнитной волны (где при Поляризация электромагнитной волны и при Поляризация электромагнитной волны), имеем

Поляризация электромагнитной волны, (4)

причем

Поляризация электромагнитной волны. (5)

Из (5) следует, что

Поляризация электромагнитной волны, (6)

и что направление Поляризация электромагнитной волны колебаний вектора Поляризация электромагнитной волны образует с осью x угол Поляризация электромагнитной волны, который определяется соотношением

Поляризация электромагнитной волны,Поляризация электромагнитной волны(7)

и, следовательно, не изменяется с течением времени (рис.2).


Поляризация электромагнитной волны

Рис.2. Линейно поляризованная волна


Плоскость, проходящую через направление распространения электромагнитной волны и вектор Поляризация электромагнитной волны, называют плоскостью поляризации. Плоскость поляризации линейно поляризованной волны не изменяет своего положения с течением времени.

Поляризованной по кругу называют волну, у которой вектор Поляризация электромагнитной волны равномерно вращается, описывая за время одного периода своим концом окружность.

Однородная плоская волна с круговой поляризацией получается в результате суперпозиции двух линейно поляризованных волн, имеющих взаимно перпендикулярные векторы Поляризация электромагнитной волны с равными амплитудами Поляризация электромагнитной волны и сдвигом начальных фаз на Поляризация электромагнитной волны.

Пусть, например, составляющая Поляризация электромагнитной волны отстает по фазе:

Поляризация электромагнитной волны. (8)

В этом случае согласно (1) имеем:

Поляризация электромагнитной волны, Поляризация электромагнитной волны. (9)

Определим мгновенное значение модуля вектора Поляризация электромагнитной волны этой волны:

Поляризация электромагнитной волны. (10)

Таким образом, вектор Поляризация электромагнитной волны постоянен по величине. Угол между осью и направлением вектора Поляризация электромагнитной волны определяется соотношением

Поляризация электромагнитной волны (11)

или

Поляризация электромагнитной волны. (12)

Из (12) следует, что в каждой фиксированной точке наблюдения Поляризация электромагнитной волны угол линейно возрастает по закону с увеличением , изменяясь на за время одного периода . Таким образом, при Поляризация электромагнитной волны суперпозиция (1) определяет в точке Поляризация электромагнитной волны равномерное вращение вектора Поляризация электромагнитной волны с угловой скоростью в направлении по часовой стрелке, если смотреть в направлении оси z, т.е. в сторону составляющей, отстающей по фазе; конец вектора Поляризация электромагнитной волны описывает при этом вращении окружность (рис.3). Можно также говорить, что направление движения волны и вращение вектора Поляризация электромагнитной волны образуют правовинтовую систему.


Поляризация электромагнитной волны

Рис. 3. Волна правой круговой поляризации

Из (12) также следует, что в каждый фиксированный момент времени Поляризация электромагнитной волны угол Поляризация электромагнитной волны линейно уменьшается по закону с увеличением координаты , изменяясь на на расстоянии, равном . Таким образом, в момент времени Поляризация электромагнитной волны вектор Поляризация электромагнитной волны равномерно поворачивается с увеличением координаты в направлении против часовой стрелки, если смотреть в направлении распространения волны, делая один оборот на расстоянии . Концы векторов Поляризация электромагнитной волны, относящихся к различным точкам оси z, расположены при этом на левовинтовой круговой спирали (рис.3).

Если положить в (1) Поляризация электромагнитной волны и Поляризация электромагнитной волны, то вместо (9) имеем:

Поляризация электромагнитной волны, Поляризация электромагнитной волны. (13)

и аналогичным путем вновь получаем однородную плоскую волну с круговой поляризацией. Однако, у этой волны в точке Поляризация электромагнитной волны вектор Поляризация электромагнитной волны равномерно вращается в направлении против часовой стрелки (рис.4), а направление движения волны и вращение вектора Поляризация электромагнитной волны образуют левовинтовую систему. В момент времени Поляризация электромагнитной волны концы векторов на оси z расположены на правовинтовой круговой спирали (рис.4).


Поляризация электромагнитной волны

Рис.4. Волна левой круговой поляризации


Условимся называть поляризацию правой (левой), если в фиксированной точке направление вращения вектора Поляризация электромагнитной волны образует с направлением распространения волны правовинтовую (левовинтовую) систему.

Плоскость поляризации волны, которая поляризована по кругу, в каждой точке пространства равномерно вращается с течением времени.

Эллиптически поляризованной называют волну, у которой вектор Поляризация электромагнитной волны вращается, описывая за время одного периода своим концом эллипс (рис.5).

Однородная плоская волна с эллиптической поляризацией получается в результате суперпозиции двух линейно поляризованных волн со взаимно перпендикулярными векторами Поляризация электромагнитной волны во всех случаях, когда не выполняются рассмотренные выше условия возникновения линейной и круговой поляризаций.

Поле волны эллиптической поляризации также бывает правого или левого направления вращения. Для количественного описания такого поля вводят коэффициент эллиптичности Поляризация электромагнитной волны, который равен отношению меньшей и большей полуосей эллипса

Поляризация электромагнитной волны. (14)

Иногда определяют и угол Поляризация электромагнитной волнымежду большей полуосью эллипса и осью x.

Для измерения поляризации электромагнитной волны применяют метод линейно поляризованной антенны. В качестве такой антенны может применяться полуволновый вибратор, открытый конец прямоугольного металлического волновода или пирамидальный рупор. Пусть при работе на излучение линейно поляризованная антенна создаёт поле Поляризация электромагнитной волны. При работе на приём в поле произвольно поляризованного вектора Поляризация электромагнитной волны на выходе антенны будет напряжение, пропорциональное скалярному произведению Поляризация электромагнитной волны После пикового детектора с точностью до постоянного сомножителя получаем напряжение

Поляризация электромагнитной волны, (15)

где Поляризация электромагнитной волны - угол между векторами, Поляризация электромагнитной волны - период колебания. Если поле Поляризация электромагнитной волны линейно поляризовано, то Поляризация электромагнитной волныбудет максимально при Поляризация электромагнитной волны и равно нулю при Поляризация электромагнитной волны градусов. Если поле Поляризация электромагнитной волны имеет круговую поляризацию, то Поляризация электромагнитной волны будет неизменно при любом Поляризация электромагнитной волны. При измерении в поле эллиптической поляризации получаем при изменении Поляризация электромагнитной волны максимальное и минимальное значения напряжения, пропорциональные большей и меньшей полуосям эллипса поляризации соответственно. Заметим, что поворачивать линейно поляризованную антенну, меняя угол Поляризация электромагнитной волны, надо так, чтобы её вектор Поляризация электромагнитной волны лежал в плоскости фазового фронта исследуемого поля Поляризация электромагнитной волны.

При автоматизации измерений линейно поляризованную антенну быстро вращают вокруг оси, направленной на источник исследуемого поля, меняя угол Поляризация электромагнитной волны. На экране индикатора с синхронной с этим вращением круговой развёрткой в полярной системе отображается величина Поляризация электромагнитной волны. По полученной на экране картине судят о поляризации поля.

Описание лабораторной установки.

Виртуальная лабораторная установка для исследования поляризации поля состоит из трёх частей, отображаемых в трёх закладках на экране: «Генератор поля» (Рис.6), «Измерение вручную» (рис.7) и «Измерение автоматическое» (рис.8).

В верхней части лицевой панели расположен заголовок «Поляризация электромагнитной волны» и кнопка останова STOP.

Поляризация электромагнитной волны

Рис.6. Лицевая панель ВИ «Поляризация поля». Страница «Генератор поля»


Работа с установкой начинается в закладке «Генератор поля». В её левой части имеется 4 движковых регулятора, которые задают амплитуды и начальные фазы двух ортогональных компонент поля. Справа на экране выводится эллипс поляризации волны, который в частных случаях превращается в отрезок прямой линии или круг.


Поляризация электромагнитной волны

Рис.7. Лицевая панель ВИ «Поляризация поля». Страница «Измеритель ручной»


Для измерения параметров эллипса служит инструмент «Измеритель параметров эллипса». Он представляет собой на экране вектор с изменяемыми модулем и угловым положением. Подводя конец вектора с помощью регуляторов модуля и угла к характерным точкам эллипса, определяем его параметры.


Поляризация электромагнитной волны

Рис.8. Лицевая панель ВИ «Поляризация поля». Страница «Измеритель автомат».


На закладке «Измерение вручную» реализован метод линейно поляризованной антенны. В левой части находится регулятор углового положения антенны относительно горизонта. При работе установки его можно поворачивать, ухватив курсором мыши за стрелку-указатель. Справа находятся стрелочный и цифровой индикаторы напряжения на выходе детектора. Регулятор усиления позволяет установить удобные для наблюдения пределы измеряемой величины.

На закладке «Измерение автоматическое» отображается в полярных координатах величина Поляризация электромагнитной волны.

Непосредственно под экраном расположена группа кнопок, осуществляющих управление перемещением курсора по экрану. Там же под экраном в двух индикаторах отображаются текущие координаты курсора. Справа от экрана в двух цифровых индикаторах выводятся текущие полярные координаты курсора. Там же находится дополнительный регулятор «Усиление». С помощью этих средств управления можно измерять параметры отображаемой на экране кривой.

Порядок выполнения работы.

Исследования выполняются в соответствии с выбранным вариантом. Исходные величины взять в таблице 1.


Таблица 1. Исходные параметры для исследования поляризации электромагнитной волны


Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5

Поляризация электромагнитной волны

20 30 45 60 70

Поляризация электромагнитной волны

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Поляризация электромагнитной волны

45 20 80 30 60

Запустить лабораторную установку, ознакомиться с органами управления.

Исследовать поле линейной поляризации:

открыть закладку «Генератор поля»;

сформировать поле линейной поляризации под углом Поляризация электромагнитной волны к горизонту. Параметры поля контролировать «Измерителем параметров эллипса». Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;

перейти в закладку «Измерение вручную». Изменяя угловое положение приёмной линейно поляризованной антенны замерять значения выходного напряжения. Данные свести в таблицу;

построить график полученной зависимости в полярных координатах. Определить по ней параметры поляризации;

перейти в закладку «Измерение автоматическое». С помощью курсора определить параметры поляризации поля.

Исследовать поле эллиптической поляризации:

открыть закладку «Генератор поля»;

сформировать поле эллиптической поляризации с вертикальным положением большей оси эллипса и коэффициентом эллиптичности Поляризация электромагнитной волны; параметры поля контролировать «Измерителем параметров эллипса». Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;

перейти в закладку «Измерение вручную». Изменяя угловое положение приёмной линейно поляризованной антенны замерять значения выходного напряжения. Данные свести в таблицу;

построить график полученной зависимости. Определить по ней параметры поляризации;

перейти в закладку «Измерение автоматическое». С помощью курсора определить параметры поляризации поля.

Исследовать поле круговой поляризации:

открыть закладку «Генератор поля»;

сформировать поле круговой поляризации. Параметры поля контролировать «Измерителем параметров эллипса». Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;

перейти в закладку «Измерение вручную». Изменяя угловое положение приёмной линейно поляризованной антенны замерять значения выходного напряжения. Данные свести в таблицу;

построить график полученной зависимости. Определить по ней параметры поляризации;

перейти в закладку «Измерение автоматическое». С помощью курсора определить параметры поляризации поля.

Исследовать поле эллиптической поляризации с наклоненным эллипсом:

открыть закладку «Генератор поля»;

сформировать поле эллиптической поляризации с углом Поляризация электромагнитной волны к горизонту большей оси эллипса и коэффициентом эллиптичности Поляризация электромагнитной волны. Параметры поля контролировать «Измерителем параметров эллипса». Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;

перейти в закладку «Измерение вручную». Изменяя угловое положение приёмной линейно поляризованной антенны замерять значения выходного напряжения. Данные свести в таблицу;

построить график полученной зависимости. Определить по ней параметры поляризации;

перейти в закладку «Измерение автоматическое». С помощью курсора определить параметры поляризации поля.

Объяснить полученные зависимости, опираясь на знание теории.

Оформить и защитить отчёт по работе.

Требования к отчёту.

Отчёт оформляется каждым студентом индивидуально. Он должен содержать краткое описание виртуального эксперимента, результаты измерений в виде таблиц и графиков, анализ результатов и выводы.

7. Контрольные вопросы.

1. Что такое поляризация электромагнитной волны?

2. Почему поляризация определяется только по вектору напряжённости электрического поля?

3. Какие бывают виды поляризации гармонической волны?

4. При каких условиях формируется поле линейной поляризации?

5. При каких условиях формируется поле круговой поляризации?

6. Чем отличаются поля правого и левого вращения?

7. Что такое коэффициент эллиптичности?

8. В чём суть измерения поляризации методом линейно поляризованной антенны?

9. Как можно сформировать поле линейной поляризации, наклонённое под 45 градусов к горизонту?

10. Какая фигура будет на индикаторе автоматического прибора измерения поляризации в линейно поляризованном поле?

11. Какая фигура будет на индикаторе автоматического прибора измерения поляризации в поле круговой поляризации?

Рекомендуемая литература


Баскаков С.И. Основы электродинамики. - М.: Советское радио, 1973. -248с.

Семёнов Н.А. Техническая электродинамика. - М.: Связь, 1973. -480с.

Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Высшая школа, 1974. -536с.

Фальковский О.И. Техническая электродинамика. - М.: Связь, 1978. -432с.

Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. - М.: Радио и связь, 2000. -536с.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: