Опис експериментальної установки Лабораторний макет установки для експериментального дослідження діаграм направленості елементарних вібраторів, структурна схема якого показана на рис. 9, де:

1. Генератор;

2. Коаксіальна лінія передачі;

3. Опорно-поворотний пристрій;

4. Антена, що випромінює №1;

5. Елементарний електричний чи магнітний випромінювачі №2;

6. Опорно-поворотний пристрій;

7. Коаксіальна лінія передачі;

8. Приймач (використовується спектроаналізатор С4-27)

Рис.9 Структурна схема експериментальної установки для вимірювання діаграми спрямовуючої дії антени.

Методичні вказівки

Для вимірювання діаграми спрямовуючої дії антени необхідно зібрати вимірювальний стенд згідно зі структурною схемою що приведена на рис. 9 . Відстань r_д < 2L²/ , деr_д межа дальньої зони,L  максимальний розмір антени №1 та №2,  довжина хвилі, на який проводять вимірювання. Провести калібровку вимірювального стенду. Для цього необхідно узгодити антени №1 та №2 за поляризацією, попередньо закріпивши їх на ОПП та зорієнтувавши їх так, щоб повздовжні осі антен №1 та №2 співпадали і вони були підняті на одну висоту. На екрані електронно-променевої трубки приймача отримайте максимальний сигнал. Повертаючи вимірювальну антену на ± 180⁰за допомогою ОПП через 5...10⁰, зніміть залежність напруженості електричного поля або густини потужності електромагнітного поля від кутових координат вЕ іНплощинах.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з інструкціями по експлуатації вимірювальних приладів, які використовуються в роботі.

2. Зібрати експериментальну установку згідно з структурною схемою рис. 9.

3. Згідно з методичними вказівками зняти діаграми направленості елементарного електричного чи елементарного магнітного випромінювачів за узгодженням з викладачем в “Е” і “Н” площинах.

Опрацювання результатів вимірювання

Побудувати в полярній системі координат нормовані діаграми направленості Е/Е_max()|_{ const} ;Е/Е_max()|_{ const}і порівняти їх з теоретичними.

Домашнє завдання

Розрахувати та побудувати в полярній системі координат нормовані діаграми направленості елементарного магнітного, електричного та випромінювача Гюйгенса в “Е” та “Н” площинах.

Запитання для самоперевірки

1. За якої умови електричний вібратор (диполь) можна вважати елементарним?

2. Чи відрізняються поля, випромінювані електричним і магнітним диполями?

3. Який вигляд має діаграма випромінювання елементарного електричного і магнітного випромінювачів в азимутальній і меридіальній площинах?

4. Чому дорівнює потужність випромінювання елементарного електричного диполя?

5. В чому суть опору випромінювання елементарного диполя?

Література

1. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.З. Электромагнитные поля и волны. -Μ., 1971.

2. В.И.Вольман, Ю.В.Пименов. Техническая электродинамика.-М.,1971,2000.

Лабораторна робота № 2 ДОСЛІДЖЕННЯ ПОЛЯРИЗАЦІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

Мета роботи вивчити електромагнітні хвилі з різними видами поляризації: еліптичною, коловою і лінійною; ознайомити студентів з методами їх отримання.

Теоретичні відомості

Поляризація є просторово-часовою характеристикою електромагнітної хвилі, яка визначається за видом траєкторій, що їх описує кінець проекції вектора напруженості електричного поля на площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі. В [1] поляризація електромагнітних хвиль визначається як порушення симетрії в розподілі електричного і магнітного полів електромагнітної хвилі на площині, перпен­дикулярній до напрямку її поширення; фізична характеристика електромагнітного випромінювання, яка описує поперечну анізотропію електромагнітної хвилі, тобто нееквівалентність різних напрямків на площині, перпендикулярній до променя.

Електромагнітні хвилі поділяються на поляризовані, неполяризовані і частково поляризовані. Електромагнітна хвиля є поляризованою, якщо всі її поляризаційні параметри носять детермінований характер. Це означає, що в будь-який момент часу орієнтація вектора однозначно визначена на площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі. Електромагнітна хвиля є неполяризованою, якщо принаймні один із параметрів поляризації хвилі змінюється за випадковим законом. У цьому разі середнє за час спостереження значення квадрата напруженості електричного поля має одну і ту саму величину для будь-якого напрямку на площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі. Частково поляризована хвиля є результатом суперпозиції поляризованої і неполяризованої хвиль і є найзагальнішим випадком поляризаційного стану хвилі.

Електромагнітні хвилі, випромінювані реальними антенами поляризовані, або частково поляризовані. Відомі три види траєкторій, що їх описує кінець проекції векторана площині, перпендикулярній до напрямку поширення електромагнітної хвилі: пряма, коло і еліпс. У зв'язку з цим поляризовані електромагнітні хвилі діляться на хвилі з лінійною, коловою і еліптичною поляризацією.

Серед хвиль з лінійною поляризацією розрізняють хвилі з вертикальною, горизонтальною і похилою поляризацією. Хвиля з вертикальною (горизонтальною) поляризацією - це хвиля, вектор якої перпендикулярний (паралельний) до обмеженого фрагмента поверхні Землі. У хвилі з лінійною похилою поляризацією вектор орієнтований під будь-яким кутом стосовно обмеженого фрагмента Землі, але так, що не дорівнює 0 і 90⁰.

Хвилі з еліптичною і коловою поляризацією ділять на право і лівополяризовані. Право- (ліво-) поляризовані електромагнітні хвилі це хвилі з коловою чи еліптичною поляризацією, в яких векторобертається за (проти) стрілкою годинника з точки зору спостері­гача, який дивиться в напрямку поширення хвилі. Повний оберт вектор проходить за час, що дорівнює періодуТ=2π/ω(ω- колова частота електромагнітної хвилі). Хвилі з лінійною і коловою поляриза­цією можна розглядати як часткові випадки хвиль з еліптичною поляризацією. Тому для кількісної характеристики поляризації хвилі користуються геометричними параметрами поляризаційного еліпса, який є годографом вектораЕ на площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі (рис.1).

Поляризаційний еліпс заданий повністю, якщо відомі його форма, орієнтація і напрямок обходу. Форма еліпса характеризується коефіцієнтом еліптичності:

де b і a мала й велика півосі еліпса поляризації. Правополяризована хвиля має коефіцієнт еліптичності додатний, а лівополяризованавід'ємний. Оскільки|r| ≤1 , то доцільно ввести кутα= arctg r (-π/4 ≤ α ≤ π/4) : який називають кутом еліптичності. Цей кут дорівнює половині кута між діагоналями прямокутника, сторони якого дотичні до еліпса поляризації і паралельні його осям. При зазначених обмеженнях кутаα його абсолютна величина однозначно визначає форму еліп­са, а знак показує напрямок обертання вектора. Орієнтація поляризаційного еліпса на площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі, визначається кутом (β) між великою віссю еліпса і віссю абсцис вибраної прямокутної системи координат. Із умови однозначності визначення положення еліпса поляризації кут орієнтаціїβ має бути в межах0 ≤ β ≤ π. Величиниr, α іβ називають поляризаційними параметрами електромагнітної хвилі.

Для отримання еліпса поляризації і визначення на його основі параметрів поляризації електромагнітної хвилі довільної поляризації ві­домо кілька методів [2] : метод поляризаційної діаграми; компенсаційний метод; метод розкладання хвилі на ортогонально-поляризовані та ін.

Перший із зазначених методів застосований у даній лабораторній роботі. Його суть полягає в тому, що з допомогою антени з лінійною поляризацією, яку можна обертати навколо осі, збіжної з напрямком поширення хвилі, знімають поляризаційну діаграму. Остання є геометричним місцем кінців максимальних проекцій вектора на пряму, що обертається і весь час збігається з поляризацією антени. За своїм зовнішнім виглядом поляризаційні діаграми для хвиль з еліптичною, коловою і лінійною поляризацією схожі відповідно на гантель, коло чи цифру вісім (рис.2, а, б, с). На рис.3 показана поляризаційна діаграма для хвилі з еліптичною поляризацією (суцільна лінія) і на її основі побудований еліпс поляризації (штрихова лінія). Видно, що поляризаційні параметри електромагнітної хвилі однозначно визначаються за поляризаційною діаграмою.

Електромагнітна хвиля довільної поляризації однозначно може бути зображена у вигляді суперпозиції двох ортогональних хвиль у лінійному та коловому базисах (доведення подано далі). У лінійному базисі цими хвилями будуть дві лінійно поляризовані хвилі, ортогональні в просторі, в коловомудві хвилі колової поляризації правого і лівого напрямків обертання вектора . Тому два подальші методи визначення параметрів поляризації ґрунтуються на вимірюванні амплітуд і різниці фаз двох ортогональних лінійно поляризованих хвиль і визначенні параметрів поляризації на базі проведених вимірювань.

Доведемо твердження про те, що хвилю довільної поляризації можна зобразити у вигляді двох ортогональних хвиль у лінійному базисі. Нехай дві плоскі лінійно поляризовані хвилі поширюються вздовж осіOz. Позначимо їх амплітуди (полеE), паралельні осямOxіOyчерезΕ_xіE_y. За умови, що поля від часу мають гармонічну залежність, запишемо систему рівнянь, які в параметричному вигляді описують траєкторію кінця проекції сумарного векторана площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі:

(1)

(2)

де βкоефіцієнт фази;φ_χiφ_yпочаткові фази лінійно поляризо­ваних хвиль.

Для визначення вигляду траєкторії, яка характеризує поляризацію хвилі, знайдемо ωt = arcos(x/E_x) + βz  φ_xрівняння (1), підставимо його в рівняння (2) і в результаті знайдемо шукану залежність:

(3)

Залежність (3) є рівнянням еліпса, яке при рівних амплітудах лінійно поляризованих хвиль (E_x=Ε_y) і різниці фаз між ними (2n+1)π/2 ,n = 0,1,2,...переходить у коло:

(4)

а при синфазності чи протифазності лінійно поляризованих хвиль переходять у пряму:

(5)

Отже, твердження доведено в лінійному базисі.

Аналогічно можна показати, що в результаті суперпозиції двох ортогональних електромагнітних хвиль у коловому базисі з відповідними амплітудами та початковими фазами можна отримати хвилю з лінійною, коловою чи еліптичною поляризацією, оскільки хвиля з коловoю поляризацією є суперпозиція двох ортогональних лінійно поляризованих хвиль з рівними амплітудами і різницею фаз між нимиπ/2. Наведемо вирази, за якими можна визначити амплітуди двох початкових ортогональних лінійно поляризованих хвильΕ_x,E_yі різницю фаз між нимиφ через поляризаційні параметри, а такожβ іrче­резΕ_x,E_yіφ:

(6)

(7)

Опис експериментальної установки

Лабораторний макет установки для отримання електромагнітної хвилі довільної поляризації складається з передавальної та приймальної частин, функціональна схема яких показана на рис.4. Передавальна частина установки двоканальна.

Рис. 4

До її складу входять HBЧ генератор 1 , по­дільник HBЧ потужності 2 , вентилі 3, 3а , поляризаційні атенюатори 4, 4а , скрутка на 90° 5 , поляризаційний фазозсувач 6 , суматор HBЧ потужності 7 , який виконаний разом з переходом від хрестоподіб­ного хвилеводу до колового, конічна рупорна антена 8 . До складу приймальної частини вимірювальної установки входять пірамідальна рупорна антена 9 , детекторна секція 10 , регульований короткозамикач 11 , вимірювальний прилад 12 . У приймальній частині вимірювальної установки передбачена можливість обертати антену навколо осі, збіжної з напрямком поширення електромагнітної хвилі.

Для отримання електромагнітної хвилі з певним видом поляризації потрібно подати сигнал з генератора 1 за допомогою подільника 2 в канали 1 і 2 передавальної частини лабораторного макета уста­новки. Потім, використовуючи атенюатори 3, 3а , фазозсувач 6 , скрутку 5 , створити між ними потрібні амплітудні, фазові співвідношення та ортогональність цих хвиль у просторі. Внаслідок складання в 7 сигналів, які пройшли через канали 1 і 2 передавальної частини установки, на виході антени 8 отримаємо електромагнітну хвилю з наперед визначеним видом поляризації.

Вид поляризації випромінюваної хвилі аналізується в приймальній частині установки методом поляризаційної діаграми.