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实验七 圆极化波特性的研究

一、 实验目的
1. 研究右旋、 左旋圆极化波的形成、 辐射及接收过程。
2. 研究右旋、 左旋圆极化波的反射、 折射特性。
3. 右旋、 左旋圆极化波的反射、 折射特性的测试方法。
二、 主要实验仪器
1. DH926B型微波分光仪
2. DH1121B型3cm固态信号源
3. 右旋、 左旋圆极化波辐射和接收天线2只
4. 金属反射板、 玻璃半透射板各1块
5. uA电流表
三、 实验内容与原理
1. 实验内容
1) 圆极化波椭圆度的调整与测试
2) 圆极化波反射折射特性的测试
2. 实验原理
我们用右旋、 左旋圆极化波辐射和接收天线来说明圆极化波的原理, 参见图7-1 。电磁波圆极化天线是由矩-圆转换波导、 有介质片的介质圆波导、 圆锥喇叭构成。
E10
TE11
TE11

TE10

图7-1 右旋、 左旋圆极化波辐射和接收天线
1) 辐射过程
在矩形波导内传输的行波经矩-圆波导到达介质圆波导, 矩形波导内传输的TE10波被过渡为TE11波; 介质圆波导可做360°旋转, 转盘指针可指出转动角度 TE11波经介质片被分成两个分量, 一是垂直于介质平面的分量En, 二是平行于介质平面的分量Et, 经介质片分量En与分量Et经L距离( L为介质片的长度) 传播后相位差±90°。此时, 适当的转动介质圆波导( 角度) , 使得两个分量的幅值相等时可得到圆极化波。
以产生辐射右极化波为例, 当TE10波过渡为TE11波成为分量Er后( 参见图7-1) , 介质圆波导内介质平面与Y轴成45°时( 有时稍偏离45°) , 则有: , 实现了圆极化波幅度相等的条件。
由于En与Et的速度不同, 即, 当介质片的长度L取得适当, 使得En波的相位超前Et波的相位90°时, 满足了右旋极化波的相位条件, 此时、 与z轴构成右手螺旋规则, 形成右旋极化波。
我们把转到方向符合右手螺旋规则的波定为右旋极化波; 把转到方向符合左手螺旋规则的波定为左旋极化波。
右旋、 左旋圆极化波辐射和接收天线中介质片长度L已定在适合9370MHz±50MHz的工作带宽范围内, 其椭圆度≥0.93。
2) 接收过程
若要接收右旋极化波, 则当它经过有充分长度L′介质片的介质圆波导后, 得到Er′, En分量处于介质片切向t′的方向上形成Et′, 而Et分量处于介质片法线n′的方向上形成En′。由于L′介质片的长度合适, 使得En′波的相位超前Et′波的相位90°, 二者进入圆-矩波导时实现了等幅同相叠加, 成为TE11波的Er, 并出现在y轴上, 完成了右旋极化波的接收。
同理, 也能够实现左旋极化波的接收。无论右旋极化波的接收, 还是左旋极化波的接收都应满足′⊥的条件, 当′∥时就接收不到极化波。
综上, 辐射右旋或左旋极化波时, 、 与( +) 三者需符合右手或左手螺旋规则; 同样, 接收右旋或左旋极化波时, 、 与( -) 三者需符合右手或左手螺旋规则。此时, 必须满足′⊥的条件, 在′∥时就接收不到同类圆极化波( 矩形波导中只有Ex场分布) 。这一结论为测试右旋或左旋极化波的反射、 折射特性提供了理论依据。
3) 圆极化波的特性
右旋极化波投射到良介质表面时, 反射波因传播方向的改变成为左旋极化波, 此时必须用左旋接收喇叭天线来接收; 折射波的方向保持不变, 仍属右旋极化波, 须用右旋接收喇叭天线来接收。
同样, 左旋极化时也有相应条件的要求( 略) 。
入射波、 反射波、 折射波之间仍满足能量守恒定律, 即: 入射波( 右旋) =反射波( 左旋) +折射波( 右旋) ; 入射波( 左旋) =反射波( 右旋) +折射波( 左旋) 。
四、 实验步骤及操作方法
1. 圆极化波椭圆度的调整与测试;
无论是右旋极化波还是左旋极化波, 在正交轴上的场应相等, 即: , 此时的椭圆度( 事实上很难实现) , 实际应用中就已算不错。实现须调整介质圆波导中介质片的转角α。
将右旋、 左旋圆极化波辐射和接收天线作为辐射圆极化波的源, 接收时用角锥喇叭天线, 将角锥天线绕Z轴旋转360°以确定其椭圆度, 为输出指示最小值, 为输出指示最大值, 将测得数据填入表7-1中。
2. 圆极化波反射折射特性的测试
在圆极化波反射、 折射特性的测试中, 将接收角锥喇叭天线换成右旋、 左旋圆极化波辐射和接收天线, 选择金属板或玻璃半透射板分别对圆极化波反射折射特性进行研究。
考虑到接收用晶体检波器的检波率为平方率, 能量上应满足关系式, 这里的、 、 分别表示入射、 反射、 折射波的功率, 由uA表读出, 将测得数据填入表7-2中。
五、 实验数据记录与处理
表7-1 右旋、 左旋圆极化波辐射和接收天线椭圆度测量数据记录表
天线编号
圆极化
转角±α
接收
接收
椭圆度e
1#
右旋

左旋

2#
右旋

左旋

表7-2 圆极化波反射、 折射特性测量数据记录表
圆极化波辐射状态
α=+45°
α=-45°
接收位置
与′的相对位置
′⊥
′∥
′⊥
′∥

接收直射波

接收金属板反射波

接收介质板反射波

接收介质板折射波

金属板的功率关系

介质板的功率关系

六、 实验结果分析
1. 按照数据测量记录表, 完成数据的整理与计算。
2. 对实验中的现象分析讨论, 并对实验误差产生的原因进行分析。
七、 问题与建议、 体会
1. 对实验的建议与体会。