電磁波極化實驗的改進

賈建科，聶 翔，韓團軍

（陜西理工學院 電信工程系，陜西 漢中 723003）

極化在雷達信號濾波、檢測、增強、抗干擾、目標鑒別／識別等方面都有著巨大的應用潛力［1］。同時，在進行電磁波的極化實驗教學時，可幫助學生對極化概念和三種極化方式的正確理解［2］。在電磁波極化實驗中所用的微安表頭指示精度低，而實驗中接收到的電磁波信號又很弱，用微安表頭觀測實驗現象很不清晰。但利用萬用表可以明晰地觀測到電磁波的三種極化現象。還可利用Matlab語言對實驗數據進行可視化處理，以提高實驗教學效果。

1 電磁波極化

電磁波的極化是電磁理論中的一個重要概念，它表征在空間給定點上電場強度矢量E的取向隨時間變化的特性，并用電場強度矢量E的端點隨時間變化的軌跡來描述［3］。若E軌跡是直線，則稱為直線極化；若E軌跡是圓，則稱為圓極化；若E軌跡是橢圓，則稱為橢圓極化。本文主要討論電磁波的圓極化和橢圓極化。如沿＋z方向傳播的均勻平面波，由兩個分量組成，它們是兩個同頻率的線極化波，其電磁場強度的復矢量為

Ex和Ey分別為x分量和y分量的復振幅，即

當兩個分量的相位φx、φy和振幅Exm、Eym滿足不同關系時，E的極化狀態將是不同的。

2 電磁波極化實驗原理

假設一個均勻線極化平面波，其電場強度振幅為E，從空氣向一個無限大理想介質薄板平面斜入射，如圖1所示。設入射角為π／4，并假設該極化波的極化面可以轉動，入射面與極化面之間的夾角為α，該線極化波可分解為垂直極化波和平行極化波。當該平面波斜入射到理想介質平面時，分成兩束波。

圖1 電磁波極化原理圖

一束為反射波，這束波到達垂直極化柵，平行極化波穿過極化柵，被后面的吸波材料吸收，垂直極化波被反射回來，在介質板上再次發生反射和透射，透射波到達接收喇叭天線，這一透射波為垂直線極化波。極化柵也稱為極化柵網，極化柵分為垂直極化柵和平行極化柵。平行極化柵使平行極化波反射，而使垂直極化波通過，起到了極化濾波作用。而垂直極化柵使垂直極化波反射，而使平行極化波通過，起到了極化濾波作用。

另一束波為透射波，這束波到達平行極化柵，垂直極化波穿過極化柵被后面的吸波材料吸收，平行極化波被反射回來，在介質板上再次發生反射和透射，而反射波到達接收喇叭天線，這一反射波為平行線極化波。到達接收喇叭的是兩個同頻的正交的線極化波。

到達接收喇叭的垂直線極化波和平行極化波都經歷了兩次反射和一次透射，在忽略二次以上反射折射條件下，在接收喇叭處垂直極化波振幅為E⊥＝EiΓ⊥τ⊥1τ⊥2cosα，平行極化波的振幅為E‖＝EiΓ‖τ‖1τ‖2sinα，Γ⊥、τ⊥1、τ⊥2為垂直極化波的反射系數和透射系數，Γ‖、τ‖1、τ‖2為平行極化波的反射系數和透射系數。

由上分析可知，在入射波和介質參數確定的情況下，兩個分量的振幅僅與角α有關，改變α的大小，即可調整電場E的x分量和y分量振幅大小。若要求E‖＝E⊥，可得

當入射角θ＝45°時，

當介質是玻璃時，可得α＝50°～60°，除滿足一定的振動條件外，要得到要求的極化波，還要能調節兩個分量的相位差，這可通過調節兩個分量的行程差，即改變兩個極化柵到微波分光儀轉臺中心的距離來實現。

由上分析可知，通過轉動入射波的極化面（即改變角α的角度），可調節兩個分量的振幅，通過調節兩個分量的行程差Δl來調節兩個分量的相位差Δφ＝kΔl，從而可以得到各種極化波。

實驗中的發射和接收天線為角錐喇叭天線，角錐喇叭天線由與喇叭相連接的矩形波導饋電。喇叭天線輻射的電磁波的電場方向與喇叭天線的窄邊平行。當改變喇叭轉角時，輻射的線極化電磁波可分解為兩個正交的線極化波，滿足電磁波的極化實驗要求。

3 改進后的實驗數據

用直流微安表作檢波指示儀器時，在電磁波的圓極化和橢圓極化實驗中，讀數在6微安左右變化，實驗現象很不明顯。改用數字萬用表后比較容易的測得實驗數據，且實驗現象比較明顯。

1）接收圓極化波

轉動發射喇叭天線的極化面，實現接收喇叭天線處垂直極化波和平行極化波幅度相等。移動可動金屬極化柵，使垂直極化柵和水平極化柵到接收喇叭的距離滿足條件，實現相位差90°的要求，形成圓極化波。轉動接收喇叭天線，每轉動15°，記錄一次數字萬用表的讀數。從測量結果可以看出，數據基本都在很小范圍內變化，合成波可看作圓極化波。

2）接收橢圓極化波

移動可動金屬極化柵，可使垂直極化柵和水平極化柵到接收喇叭的距離滿足條件即可形成橢圓極化波。轉動接收喇叭天線，每轉動15°，記錄一次數字萬用表的讀數。從測量結果可以判斷合成波為橢圓極化波。為了實現測量結果的可視化，我們可通過Matlab語言的對測量數據進行處理。

4 利用Matlab實現測量數據可視化

Matlab的圖形功能主要包括數據可視化、創建用戶圖形界面和簡單數據統計處理等。其中，數據的可視化不僅僅是二維的，還可以在三維空間展示數據，而數據或圖形的可視化也是進行數據處理或者圖形圖像處理的第一步驟［4］。

通過借助Matlab語言編程對以上實驗數據進行處理，可以更直觀的顯示出實驗現象。由于接收喇叭的轉角和測量值之間是極坐標關系，因此利用Matlab語言的繪制極坐標圖二維繪圖函數polar，對測量數據進行了可視化處理。從圖2可以看出電場強度矢量端的變化軌跡近似是一個圓，隨著測量數據的密集，連線會更加光滑。從圖3可以看出電場強度矢量端的變化軌跡近似是一個橢圓。并給出了橢圓度。

圖2 圓極化測量數據

圖3 橢圓極化測量數據

［1］代大海等.電磁波極化變換的數學原理及其性質［J］.北京：中國科學G輯2008年第38卷第10期

［2］王被德，電磁波的極化及其應用［J］.河南：電波科學學報，1999年9月，第14卷第3期

［3］謝處方，饒克謹，電磁場與電磁波（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2006

［4］張威，Matlab基礎與編程入門［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2004