平面电磁波优秀课件.ppt

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1、平面电磁波第1页，本讲稿共30页 极化的判断极化的判断u线线 极极 化化 波：波：相位相同相位相同或或相差相差180u圆圆 极极 化化 波：波：振幅相等，相位相差振幅相等，相位相差90u椭圆极化波：椭圆极化波：不同振幅，不同相位不同振幅，不同相位第2页，本讲稿共30页一、极化的定义一、极化的定义二、直线极化二、直线极化三、圆极化三、圆极化四、椭圆极化四、椭圆极化7.2 平面波的极化平面波的极化第3页，本讲稿共30页注意：注意：电磁波的极化方式由辐射源电磁波的极化方式由辐射源(即天线即天线)的性质决定。的性质决定。1、极化的、极化的定义：空间某固定位置处电场强度矢量随时间变化的特性。空间某固定位

2、置处电场强度矢量随时间变化的特性。极化的极化的描述：用电场强度矢量用电场强度矢量 终端端点在空间形成的轨迹表示。终端端点在空间形成的轨迹表示。2、极化的、极化的分类：线线 极极 化化：电场仅在一个方向振动，电场仅在一个方向振动，即电场强度矢量即电场强度矢量端点的轨迹端点的轨迹是是一条直线一条直线；椭圆极化椭圆极化：电场强度矢量：电场强度矢量端点的轨迹端点的轨迹是是一个椭圆一个椭圆。（椭圆的一种特殊情况是圆）（椭圆的一种特殊情况是圆）一、极化的定义一、极化的定义第4页，本讲稿共30页yxo观察平面，观察平面，z=constz电场的振动方向：始终是沿电场的振动方向：始终是沿x轴方向。轴方向。（沿沿

3、x方向的线极化波方向的线极化波）yzxo第5页，本讲稿共30页设某一平面波的电场强度仅具有设某一平面波的电场强度仅具有 x 分量，且向正分量，且向正 z 方向传播，方向传播，则其瞬时值可表示为则其瞬时值可表示为 显然，在空间任一固定点，电场强度矢量的端点随时间的显然，在空间任一固定点，电场强度矢量的端点随时间的变化轨迹为与变化轨迹为与 x 轴平行的直线。因此，这种平面波的极化轴平行的直线。因此，这种平面波的极化特性称为特性称为线极化线极化，其极化方向为，其极化方向为 x 方向。方向。设另一同频率的设另一同频率的 y 方向极化的线极化平面波，也向正方向极化的线极化平面波，也向正 z 方方向传播，

4、其瞬时值为向传播，其瞬时值为 二、直线极化二、直线极化第6页，本讲稿共30页上述两个相互正交的线极化平面波上述两个相互正交的线极化平面波 Ex 及及 Ey：v具有具有相同的相位相同的相位，它们合成后，其瞬时值的大小为它们合成后，其瞬时值的大小为 第7页，本讲稿共30页此式表明：此式表明：v合成波的大小随时间的变化仍为合成波的大小随时间的变化仍为正弦函数正弦函数，v合成波的方向与合成波的方向与X 轴的夹角轴的夹角 为为 第8页，本讲稿共30页可见：可见：v合成波的极化方向与时间无关，合成波的极化方向与时间无关，v电场强度矢量端点的变化轨迹是与电场强度矢量端点的变化轨迹是与X轴夹角为轴夹角为 的一

5、条直的一条直线。线。因此，因此，合成波仍然是线极化波合成波仍然是线极化波，如下图示。，如下图示。EyExEYX 0EyExEYX 0EyExEyx 0第9页，本讲稿共30页可见：可见：u两个两个相位相同相位相同或或相差相差180的空间相互正交的空间相互正交的线极化平面波，合成后仍然形成一个线的线极化平面波，合成后仍然形成一个线极化平面波。极化平面波。u反之，任一线极化波可以分解为两个反之，任一线极化波可以分解为两个相相位相同位相同，振幅不等振幅不等的空间相互的空间相互正交正交的线的线极化波。极化波。第10页，本讲稿共30页若上述两个线极化波若上述两个线极化波 Ex 及及 Ey 的相位差为的相位

6、差为 ，但振幅皆为但振幅皆为Em，即，即 则合成波瞬时值的大小为则合成波瞬时值的大小为 合成波矢量与合成波矢量与 x 轴的夹角轴的夹角 为为 三、圆极化三、圆极化第11页，本讲稿共30页即即可见，对于某一固定的可见，对于某一固定的 z 点，夹角点，夹角 为时间为时间 t 的函数。的函数。电场强度矢量的方向随时间不断地旋转，但其大小不变。电场强度矢量的方向随时间不断地旋转，但其大小不变。因此，合成波的电场强度矢量的端点轨迹为一个圆，因此，合成波的电场强度矢量的端点轨迹为一个圆，这种变化规律称为这种变化规律称为圆极化圆极化。EyExEyx0左旋左旋右旋右旋zy x 0第12页，本讲稿共30页若若E

7、y比比Ex滞后滞后 ，则合成波矢量与则合成波矢量与x轴的夹角轴的夹角 。可可见见，对对于于空空间间任任一一固固定定点点，夹夹角角 随随时时间间增增加加而而增增加加，合合成成波波矢矢量量随随着着时时间间的的旋旋转转方方向向与与传传播播方方向向 ez 构构成成右右旋旋关关系系，因因此此，这种极化波称为这种极化波称为右旋圆极化波右旋圆极化波。上式表明，当上式表明，当t 增加时，夹角增加时，夹角 不断地减小，合成波矢量不断地减小，合成波矢量随着时间的旋转方向与传播方向构成左旋关系，这种圆极随着时间的旋转方向与传播方向构成左旋关系，这种圆极化波称为化波称为左旋左旋圆极化波。圆极化波。第13页，本讲稿共3

8、0页由上可见：由上可见：两个两个振幅相等振幅相等，相位相差相位相差/2的空间相互正交的线极的空间相互正交的线极化波，合成后形成一个化波，合成后形成一个圆极化波圆极化波。反之，一个圆极化波也可以分解为两个振幅相等，反之，一个圆极化波也可以分解为两个振幅相等，相位相差相位相差/2的空间相互正交的线极化波。的空间相互正交的线极化波。还可证明：还可证明：一个线极化波可以分解为两个旋转方向相反一个线极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波。反之亦然。的圆极化波。反之亦然。第14页，本讲稿共30页 若若上上述述两两个个相相互互正正交交的的线线极极化化波波 和和 具具有有：不不同振幅同振幅及及不同相位不同

9、相位，即，即 则合成波的则合成波的 Ex 分量及分量及 Ey 分量满足下列方程：分量满足下列方程：(7-21)四、椭圆极化四、椭圆极化第15页，本讲稿共30页(7-21)这是一个这是一个椭圆方程椭圆方程，它表示对于空间任一点，即它表示对于空间任一点，即固定的固定的 z 值，合值，合成波矢量的端点轨迹是一个椭圆成波矢量的端点轨迹是一个椭圆，因此，这种平面波称为因此，这种平面波称为椭圆极化波椭圆极化波，如左图如左图示。示。yxEx y Ey mEx m第16页，本讲稿共30页(7-21)yxEx y Ey mEx mv当当 0 时，时，Ey分量比分量比 Ex 导前导前，合合成波矢量顺时旋转，与传播

10、方向成波矢量顺时旋转，与传播方向ez 形成形成左旋左旋椭圆极化波。椭圆极化波。第17页，本讲稿共30页极化的判断极化的判断:v通过两个相互通过两个相互正交正交的的线极化波线极化波叠加，合叠加，合成得到不同的极化方式。成得到不同的极化方式。v由电磁波电场场量或者磁场场量，由电磁波电场场量或者磁场场量，可可以判断波的极化方式。以判断波的极化方式。换一个角度看极化换一个角度看极化第18页，本讲稿共30页两个两个相位相同相位相同或或相差相差180的空间相互正交的线极化平面波，的空间相互正交的线极化平面波，合成后仍然形成一个合成后仍然形成一个线极化平面波线极化平面波。两个两个振幅相等振幅相等，相位相差相

11、位相差90的空间相互正交的线极的空间相互正交的线极化波，合成后形成一个化波，合成后形成一个圆极化波圆极化波。u线极化波：线极化波：相位相同相位相同或或相差相差180u圆极化波：圆极化波：振幅相等，相位相差振幅相等，相位相差90u椭圆极化波：椭圆极化波：不同振幅，不同相位不同振幅，不同相位极化的判断极化的判断:第19页，本讲稿共30页设均匀平面电磁波向设均匀平面电磁波向+z方向传播，则一般情况下，其方向传播，则一般情况下，其电场可以表示为：电场可以表示为：由于空间任意点处电场随时间的变化规律相同，故选取由于空间任意点处电场随时间的变化规律相同，故选取z=0点作为分析点，即：点作为分析点，即：场量

12、表达式中，场量表达式中，的取值决定波的极化方式。的取值决定波的极化方式。第20页，本讲稿共30页1、当、当 时时电场与电场与x轴夹角为：轴夹角为：结论：当结论：当 时，电磁波为线极化波。时，电磁波为线极化波。第21页，本讲稿共30页2 2、当、当 且且 时时合成电场的模及其与合成电场的模及其与x轴夹角为：轴夹角为：从上可知：合成电场矢量终端形成轨迹为一圆，电场矢量与从上可知：合成电场矢量终端形成轨迹为一圆，电场矢量与x轴夹角随时间变化而改变。轴夹角随时间变化而改变。第22页，本讲稿共30页 如图，当如图，当 时，可时，可以判断出：电场矢量终端运动方向以判断出：电场矢量终端运动方向与电磁波传播方

13、向满足右手螺旋关与电磁波传播方向满足右手螺旋关系系右旋极化波。右旋极化波。结论结论：当：当 且且时，合成波为右旋圆极化波。时，合成波为右旋圆极化波。同理：当同理：当 且且时，合成波为左旋圆极化波。时，合成波为左旋圆极化波。说明：上述结论适用于向说明：上述结论适用于向+z+z方向传播的均匀平面波。方向传播的均匀平面波。对于向对于向z z方向传播的均匀平面波，其波的极化方向传播的均匀平面波，其波的极化旋转方向与向旋转方向与向+z+z方向传播的同幅同相波相反。方向传播的同幅同相波相反。第23页，本讲稿共30页结论结论：两个频率相同、传播方向相同的正交电场分量的振幅：两个频率相同、传播方向相同的正交电

14、场分量的振幅和相位是任意的，则其合成波为椭圆极化波。和相位是任意的，则其合成波为椭圆极化波。说明说明：圆极化波和线极化波可看作是椭圆极化波的特殊情况。：圆极化波和线极化波可看作是椭圆极化波的特殊情况。3、其他情形、其他情形第24页，本讲稿共30页根据电场表示式判断它们所表征的波的极化形式。根据电场表示式判断它们所表征的波的极化形式。所以，合成波为线极化波。所以，合成波为线极化波。解：解：解：解：故：合成波为左旋圆极化波。故：合成波为左旋圆极化波。解：合成波为右旋圆极化波。解：合成波为右旋圆极化波。例：例：第25页，本讲稿共30页解：解：故：合成波为右旋圆极化波。故：合成波为右旋圆极化波。解：合

15、成波为椭圆极化波。解：合成波为椭圆极化波。第26页，本讲稿共30页前前述述的的线线极极化化波波、圆圆极极化化波波均均可可看看作作为为椭椭圆圆极极化化波波的的特特殊殊情情况况。由由于于各各种种极极化化波波可可以以分分解解为为线线极极化化波波的的合合成成，因因此此，本本章仅讨论章仅讨论线极化线极化平面波的传播特性。平面波的传播特性。电电磁磁波波在在媒媒质质中中的的传传播播特特性性与与其其极极化化特特性性密密切切相相关关，电电磁磁波波的的极极化化特特性性获获得得非非常常广广泛泛的的实实际际应应用用。例例如如，由由于于圆圆极极化化波波穿穿过过雨雨区区时时受受到到的的吸吸收收衰衰减减较较小小，全全天天候

16、候雷雷达达宜宜用用圆圆极极化波。化波。第27页，本讲稿共30页此外，在微波设备中，有些器件的功能就是利用了此外，在微波设备中，有些器件的功能就是利用了电磁波的极化特性获得的。电磁波的极化特性获得的。例如，铁氧体环行器及例如，铁氧体环行器及隔离器等。隔离器等。在移动卫星通信和卫星导航定位系统中，由于卫星在移动卫星通信和卫星导航定位系统中，由于卫星姿态随时变更，应该使用姿态随时变更，应该使用圆极化圆极化电磁波电磁波。在在无无线线通通信信中中，为为了了有有效效地地接接收收电电磁磁波波的的能能量量，接接收收天天线线的的极极化化特特性性必必须须与与被被接接收收电电磁磁波波的的极极化化特特性性一一致致。第

17、28页，本讲稿共30页光波是电磁波。但是光波不具有固定的极化特性，光波是电磁波。但是光波不具有固定的极化特性，或者说，其极化特性是随机的。或者说，其极化特性是随机的。光学中将光波的极化称为光学中将光波的极化称为偏振偏振，因此，因此，光波通常光波通常是无偏振的是无偏振的。为了获得偏振光必须采取特殊方法。为了获得偏振光必须采取特殊方法。立体电影立体电影即是利用两个相互垂直的偏振镜头从不即是利用两个相互垂直的偏振镜头从不同的角度拍摄的。因此，观众必须佩带一副左右相同的角度拍摄的。因此，观众必须佩带一副左右相互垂直的偏振镜片，才能看到立体效果。互垂直的偏振镜片，才能看到立体效果。第29页，本讲稿共30页沿沿z轴方向传播的均匀平面波，轴方向传播的均匀平面波，则该平面波是（则该平面波是（）。）。A.直线极化直线极化B.圆极化圆极化C.椭圆极化椭圆极化D.水平极化水平极化思考题思考题第30页，本讲稿共30页