当前课程知识点:电磁场工程应用 > 第5章 均匀平面电磁波 > 5.4.1 电磁波的极化 > 电磁波的极化
同学们好
今天我们要学习的内容
电磁波的极化首先跟大家解释一下这个概念
什么是极化
我们已经知道均匀电磁波是横波
假设它的传播方向是z方向的话
很显然
E和H没有z方向的分量
但是它可以有X和Y方向的分量
当X和Y方向的分量都不等于零的时候
此时它的合成矢量随时间变化的状态就不一样
因此这一个电场强度E的合成矢量的状态
随时间变化的方式我们就称之为极化
因此极化指的是
电磁波在传播的过程中
在某一个波阵面上面
电场强度E的振动状态随时间变化的方式
也就是说
电场强度E的取向随时间变化的方式
极化在光学中有另外一个称呼叫做偏振
我们之所以要讨论极化
是因为电磁波在接收与发射的过程中
必须要考虑E的方向与天线形式是匹配的
否则的话有可能接收不到信号
因此
电磁波的极化是电磁理论中非常重要的一个概念
那么如何来描述波的极化呢
我们知道电场强度E同时是t和z的函数
而极化描述的是E随时间的变化关系
因此我们需要把空间坐标z给固定
也就是说
在空间的某一个定点处
E矢量随时间变化的轨迹
既然要求变化的轨迹
很显然就需要用到数学工具了
因此根据它的轨迹的不一样
极化有三种方式
线极化、圆极化和椭圆极化
假设E矢量终端变化的轨迹是一条直线
就叫线极化 同理
如果轨迹是一个圆 叫圆极化
如果轨迹是一个椭圆
我们就叫椭圆极化
所以它的分析方法是假设波的传播方向是+z方向
那么E有Ex和Ey方向的分量
Ex和Ey就分别表示成这样两个表达式
先要把空间定点也就是z等于常数
很显然最简单方法是设z等于零
那么此时这两个方程就变成了Ex和Ey
关于时间变量t的参数方程
因此第二步我们消去时间变量t
得到E端点的运动轨迹就是它的极化方式
下面我们就分别来看这三种极化
第一 线极化
根据我们刚才的分析
设E表示成这样两个表达式的话
我们在这一个式子中设z等于零
然后线极化的第一个条件
Ex和Ey的初相位是相等的
都等于φ的话
此时
Ex和Ey变成了这样两个关于t的参数方程
很显然
我们只需要把t给消掉就可以了
而这里消去t特简单
把这两个式子一相除得到
Ex和Ey的方程是这样一个方程
很显然
Ey是关于Ex的一条直线
所以如果我们以Ex为横坐标
Ey为纵坐标
这样的一个直角坐标系里面画出Ex与Ey的轨迹的话
无论它们怎么变
始终桃花在一条直线上面运动
因此它的合成电场
矢量终端的轨迹是一条直线
所以称之为线极化
大家注意到它的斜率是大于零的
所以这一条直线分布于一、三象限
线极化的第二个条件是Ex和Ey是反向的
也就是说
φx减去φy等于+/-π的话
此时我们设z等于零
得到Ex和Ey是这样两个表达式
把这两个式子一相除
得到Ey关于Ex的这样一个方程
因此Ex和Ey的轨迹会是这样的一个变化形势
依然在一条直线上运动
因为这里有一个负号
所以它的轨迹在二、四象限的一条直线上面运动
综合这两种情况得到当Ex和Ey两者的相位相同
或许它们的相位差为+/-π的时候
此时E的合成波为一个线极化波
工程上
我们通常把线极化又分成两种 垂直极化和水平极化
垂直极化是指E垂直于地面的极化方式
也就是说E如果是这样的一个方向的话
我们就称之为垂直极化
同理
如果E是平行于地面的话
我们就叫平行极化
那请大家看这样一个图
这一块代表着一个地面
上面这一个图中画出了E和H的一个波形图
E的终端始终是垂直于地面
因此把它称之为垂直极化
在无线通讯技术中
接收天线与发射天线的极化方式必须要一致
第二种极化 圆极化波
圆极化波的条件是Ex和Ey两者的初相位是正交的
相差二分之π
并且X与Y方向的振幅幅度相等
也就是Exm等于Eym
先看第一个条件设X方向超前于Y方向二分之π的角度
此时Ex和Ey分别可以表示成关于t的一个余弦和正弦函数的方式
把t消掉以后得到这样的一个方程
也就是说
Ex和Ey的运动轨迹是一个圆
同时这一个波的传播方向是这样一个方向
也就是垂直于黑板朝外的一个方向z方向
如果我们伸出我们的右手
大拇指指向波的传播方向
也是垂直于屏幕朝外的话
四指的旋向从x方向旋向y方向
也就是从超前的分量
旋向滞后的分量 正好符合右手螺旋
因此这一种情况我们称之为右旋圆极化
是因为传播方向与电场强度E的矢量之间
正好满足这一个右手螺旋的关系
所以叫右旋圆极化
圆极化的第二个条件
假设y方向超前于x方向二分之π
此时我们依然把Ex和Ey的轨迹画出来
也是一个圆
但是它的旋向跟刚才是反的
因此我们换一个手换成左手
左手的大拇指依然指向波的传播方向
然后四指的方向从超前的方向y方向旋向
滞后的方向也就是x方向的话
因此此时是符合一个左手螺旋的这一种情况
我们就称之为左旋圆极化
第三种极化方式椭圆极化
椭圆极化的条件是φx与φy之间相差一个角
设成φ 但是φ既不等于零也不等于二分之π
或许π的角度 并且x方向和y方向的幅度不相等
设它们的幅度分别为Exm和Eym的话
把时间变量t消掉以后得到这样的一个方程
很显然这是一个椭圆的方程
也就是说Ex和Ey在这样的一个椭圆上面旋
很显然
这里的旋向也会有左旋与右旋之分
因此椭圆极化也会分成左旋椭圆极化和右旋椭圆极化
但是无论这个场的方向与大小随时间怎么改变
它的端点始终都在一个椭圆上面旋转
所以我们称之为椭圆极化
-0.1 场与路
--场与路
--场与路
-0.2 矢量的基本运算
--矢量的基本运算
--矢量的基本运算
-0.3 场的直观表示--场线
--场的直观表示
--场的直观表示
-0.4 标量场的方向导数和梯度
-0.5.1 矢量场的通量和散度
-0.5.2 矢量场的环量和旋度
-0.6 散度和旋度
--散度和旋度
--散度和旋度
-0.7 亥姆霍兹定理
--亥姆霍兹定理
--赫姆霍兹定理
-第0章 场的概念--第0章习题
-1.1静电场的源
--静电场的源
--静电场的源
-1.2电场强度
--电场强度
--电场强度
-1.3电位
--电位
--电位
-1.4电偶极子
--电偶极子
--电偶极子
-1.5静电场中的导体和电介质
-1.6高斯定理
--高斯定理
--高斯定理
-1.7静电场的基本方程
--静电场的基本方程
--静电场的基本方程
-1.8静电场分界面的衔接条件
-1.9静电场的边值问题及求解
-1.10镜像法
--镜像法
--镜像法
-1.11电轴法
--电轴法
--电轴法
-1.12地球的电容-电容及求解
-1.13静电力与静电能量
--静电力与静电能量
--静电力与静电能量
-1.14高电压技术中的电场问题
-第1章 静电场--第1章习题
-2.1鱼塘大量死鱼之谜-电流及电流密度
-2.2三大定律
--三大定律
--三大定律
-2.3电源电动势和局外场强
-2.4恒定电场的基本方程和边界条件
-2.5电流为什么弯曲?--恒定电场边界条件的应用
-2.6恒定电场的边值问题
-2.7恒定电场与静电场的比拟
-2.8恒定电场的工程应用:电导和部分电导
-2.9别墅起火之谜--绝缘电阻
-2.10奶牛被严重击伤,人却安全无恙?--跨步电压
-第2章 恒定电场--第2章习题
-3.1磁感应强度
--磁感应强度
--磁感应强度
-3.2磁场中的物质--磁化
-3.3安培环路定理
--安培环路定理
--安培环路定理
-3.4恒定磁场基本方程及分界面的衔接条件
-3.5.1矢量磁位及其边值问题
-3.5.2标量磁位及其边值问题
-3.6恒定磁场中的镜像法
-3.7.1自感和互感的概念
-3.7.2自感和互感的计算
-3.8恒定磁场的能量
--恒定磁场的能量
--恒定磁场的能量
-3.9.2虚位移法
--磁场力-虚位移法
--磁场力-虚位移法
-3.9.3法拉第观点
-3.10磁路
--磁路
--磁路
-第3章 恒定磁场--第3章习题
-4.1电磁感应定律
--电磁感应定律
--电磁感应定律
-4.2感应电场
--感应电场
-4.3全电流定律
--全电流定律
-4.4麦克斯韦方程组
--麦克斯韦方程
-4.5.1坡印廷定律和坡印廷矢量
-4.5.2坡印廷定理的应用
-4.6.1 动态位的引入
--动态位的引入
-4.6.2 动态位的积分解
--动态位的积分解
-4.7.1时谐电磁场及其复数表示
-4.7.2麦克斯韦方程的复数形式
-4.7.3复介电常数
-4.7.4坡印廷定理的复数形式
-4.7.5时谐场的坡印廷矢量
-4.7.6时变场计算实例
--时变场计算实例
--时变场计算实例
-第4章 时变电磁场--第4章习题
-5.1 均匀平面电磁波的概念
-5.2.1 无界理想介质中平面波的方程
-5.2.2 无界理想介质中的平面波传播特性
-5.3.1导电媒质中均匀平面波的方程
-5.3.2导电媒质中均匀平面波的传播特性
-5.3.3 4G手机能否用于煤矿的井上下通信?
--4G手机
-5.3.4潜艇通信困难?
--海水潜艇通信困难
-5.3.5良导体和良介质中均匀平面波的传播特性
-5.3.6趋肤效应
--趋肤效应
--趋肤效应
-5.3.7趋肤效应的工程应用2例
-5.4.1 电磁波的极化
--电磁波的极化
--电磁波的极化
-5.4.2 圆极化的旋向判断
--圆极化的旋向判断
--极化旋向判断
-5.4.3 极化的工程应用举例—立体电影
-第5章 均匀平面电磁波--第5章习题
-6.1.1平面电磁波对一般导电媒质的垂直入射
-6.1.2均匀电磁波对理想导体平面的垂直入射
-6.1.3均匀平面波对理想介质分界面的垂直入射
-6.1.4易拉罐增强WiFi信号?
--易拉罐增强WiFi信号?--理想导体平面对电磁波的全反射
--易拉罐增强WiFi信号?--理想导体平面对电磁波的全反射
-6.2.1平面波在理想介质分界面上的斜入射
-6.2.2雷达测距和雷达低空盲区
-6.2.3光纤的传输原理—电磁波在理想介质表面的全反射
-6.2.4电磁波在理想介质表面的全透射
-第6章 平面电磁波的反射和透射--第6章习题