分米波理论及偏振辐射特性

2012-06-02杨明慧房明娟

重庆理工大学学报(自然科学) 2012年11期

张智，高洁，杨明慧，房明娟

(陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安 710062)

微波也属于电磁波，但它是一个比普通无线电波段的波长更短的波段，故名微波。微波的波长范围没有明确的界限，一般包括分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波4个波段，也就是波长从0.1 mm到1 m的电磁波［1］。与普通无线电波相比，微波仅是波长或频率不同。但是，正是这一区别，才使微波除了与普通无线电波具有共同点之外，还有其本身的一些特点。

分米波属于微波，是电磁波的一种，其波长范围在分米段附近，故而得名。因为分米波波长较短，具有较高的频率，可以提供很高的能量，并且分米波穿透组织时不影响其活性只改变运动状态［2］，所以分米波广泛应用于电视广播信号传播和医院治疗等［3－4］。分米波发射天线广泛覆盖我国的大部分地区，为电视广播传播的主要载体［5］。

分米波作为电磁波的一种形式，通过研究其某些性质可以了解电磁波的特性。因为分米波的波长较短，在实验室允许的范围内可以对分米波的偏振特性和辐射特性进行验证分析，所以，掌握分米波的性质对于研究电磁理论有很大的帮助。

1 实验原理

1.1 分米波产生的机制

因为分米波是电磁波的一种，所以只需要探讨电磁波的产生机制即可。由自由空间的麦克斯韦方程组［6］可以知道，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，电场与磁场互相激励产生传播。在微观情形，变速运动的带电粒子导致了电磁波的辐射;在宏观情形，电磁波由载有交变电流的天线辐射出来。也就是说电磁波是从交变运动的电荷系统辐射出来的。因此，电磁波可以由有限尺寸的电磁振荡源激励产生，并脱离场源在空间中传播。

1.2 分米波的发射原理

在本实验中，采用频率为433.92 MHz的超高频发生器产生分米波，然后由发射天线向外辐射。发射天线对于分米波的辐射强度、辐射方向和偏振有着决定性的作用，因此，要探究分米波的辐射和偏振特性，必须先认识发射天线的辐射作用和辐射特征。

1.3 分米波的偏振及辐射特性

可以通过讨论振荡电偶极子的辐射方向特性来了解折合振子辐射出的分米波辐射强度的角度分布和偏振性。

1.3.1 分米波的偏振性

振荡电偶极子辐射出的电磁波为横磁波。当电磁波距离振荡电偶极子足够远，并且是在无限大均匀介质或是真空中传播时，可视此时的电磁波为平面电磁波。平面电磁波是横电磁波，具有偏振特性，即电场、磁场、传播方向互相垂直。由半波折合振子发射出的分米波为线偏振波，其电场始终沿天线轴线方向振荡。而只有电场沿着接收天线的切线方向才会使接收天线接收到信号，所以将接收天线沿不同的方向放置，检测分米波在接收天线上激励的电流强弱可以很清楚地了解到分米波电矢量的振动方向。

1.3.2 分米波的辐射特性

根据辐射角分布因子可知，由折合振子辐射出的分米波其辐射强度沿天线轴线方向为零，在垂直轴线处变为最大，并且分米波辐射强度的增大是一个逐渐变缓的渐变过程。若将接收天线保持与发射天线平行并置于不同的位置，通过检测分米波在接收天线上激励起的电流变化即可了解分米波辐射强度的方向。

2 实验

2.1 实验仪器

分米发射器;电子万用表;同轴电缆;多量程米尺;接收天线(含灯泡);连接线。

2.2 用带灯泡的接收天线定性检测分米波

以发射天线的轴线方向为x轴，将接有小灯泡的接收天线分别放置在y轴(发射天线正前方)、z轴(发射天线的上端)，x轴(发射天线的轴向)，固定接收天线距离发射天线0.50 m。放置接收天线并缓慢定轴旋转接收天线，改变接收天线的方向，观察接收天线在不同位置和方向处时小灯泡的亮暗程度。然后在折合振子附近来回转动接收天线，同时观察小灯泡的发光情况，从而定性了解分米波的偏振和辐射特性。

2.3 用外接万用表的接收天线定量检测分米波

图1中，固定接收天线到发射天线之间的距离为1.0 m，将接收天线分别由1a沿1b方向、2a沿2b方向、3a沿3b方向定轴转动180°，同时记录万用表上的电压示数;分别将1a、2a、3a位置的接收天线沿y轴、x轴、z轴移动并记录电压值，从而定量研究分米波的偏振和辐射特性。

2.4 附加天线杆作为反射器和控制器的影响

使用接有二极管的接收天线(外接万用表)，将接收天线置于发射天线正对位置，并保持平行，记录此时万用表的示数。将附加天线杆放置在接收天线和发射天线之间，即附加天线杆作为控制器，保持3个天线平行放置，记录此时万用表的示数。将附加天线杆置于接收天线的后方，即附加天线杆作为反射器，仍然保持3个天线平行，记录此时万用表的示数。

图1 接收天线位置分布

3 实验数据分析

3.1 定性检验

通过使用带有灯泡的天线沿着不同方向来接收发射信号，发现当天线放在实验桌上正对且平行于发射天线的轴线时，灯泡最亮;当转动天线使其与发射天线轴线垂直时，灯泡变暗;当天线由远及近运动时，灯泡逐渐变亮;当天线保持与发射天线正对且平行于发射天线进行绕动时，灯泡亮度基本不变。由此可以定性地发现，分米波具有偏振性和辐射特性，符合实验理论。

3.2 实验数据

通过万用表连接至接收天线，可以从电子屏中读取具体的辐射值，从而更加直观地得出分米波的特性。

从图2可以发现，天线位于1a处和2a处的辐射值具有相似的分布形状，其值也大体相同，可以推测辐射强度大致为球形分布，其他位置的辐射情况也更加清楚地验证上述观点。由图3可知，在1a和2a处，使接收天线由近及远地向外运动时，辐射值逐渐变小，并且下降速度由大到小;在3a处可以看到，初始值就很小，并且也遵循先大后小的规律。从上述实验数据可以推知发射天线的分布为以发射天线为轴线的球状的分布，在垂直轴线处辐射强度最大，并且辐射方向沿着天线的走线方向。

图2 接收天线与发射天线不同距离的辐射值

图3 接收天线不同角度的辐射值

3.3 电磁波传递实验

当在发射天线和接收天线中间加上一附加天线时(附加天线、接收天线和发射天线三者互相平行时)，随着附加天线位置的不同，接收天线所接受的辐射值发生了变化，大致规律如下:当附加天线由发射天线端向接收天线端运动时，万用表的示数由大变小，并且附加天线上的灯泡由亮变暗;当附加天线位于接收天线后方时，随着附加天线于接收天线的距离增加，万用表的示数逐渐增大，并且灯泡由亮变暗。综合分析上述情况可以发现:电磁波是一种可以互相传递的能量，当附加天线与发射端接近时，可以认为两者距离较近，能量在两者直接之间互相传递，灯泡亮度最大，两者叠加电磁波传递至接收端，使其受到的辐射值与没有附加天线时的值相当;当附加天线位于接收天线后方，逐渐远离接收天线时，万用表的示数逐渐变大，并且灯泡变暗，这是因为接收天线这时成为了发射天线，附加天线对接收天线产生了辐射影响，当其远离时，该影响逐渐减弱。