分米波理論及偏振輻射特性

張 智，高 潔，楊明慧，房明娟

(陜西師范大學物理學與信息技術學院，西安 710062)

微波也屬于電磁波，但它是一個比普通無線電波段的波長更短的波段，故名微波。微波的波長范圍沒有明確的界限，一般包括分米波、厘米波、毫米波、亞毫米波4個波段，也就是波長從0.1 mm到1 m的電磁波［1］。與普通無線電波相比，微波僅是波長或頻率不同。但是，正是這一區(qū)別，才使微波除了與普通無線電波具有共同點之外，還有其本身的一些特點。

分米波屬于微波，是電磁波的一種，其波長范圍在分米段附近，故而得名。因為分米波波長較短，具有較高的頻率，可以提供很高的能量，并且分米波穿透組織時不影響其活性只改變運動狀態(tài)［2］，所以分米波廣泛應用于電視廣播信號傳播和醫(yī)院治療等［3－4］。分米波發(fā)射天線廣泛覆蓋我國的大部分地區(qū)，為電視廣播傳播的主要載體［5］。

分米波作為電磁波的一種形式，通過研究其某些性質(zhì)可以了解電磁波的特性。因為分米波的波長較短，在實驗室允許的范圍內(nèi)可以對分米波的偏振特性和輻射特性進行驗證分析，所以，掌握分米波的性質(zhì)對于研究電磁理論有很大的幫助。

1 實驗原理

1.1 分米波產(chǎn)生的機制

因為分米波是電磁波的一種，所以只需要探討電磁波的產(chǎn)生機制即可。由自由空間的麥克斯韋方程組［6］可以知道，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，電場與磁場互相激勵產(chǎn)生傳播。在微觀情形，變速運動的帶電粒子導致了電磁波的輻射;在宏觀情形，電磁波由載有交變電流的天線輻射出來。也就是說電磁波是從交變運動的電荷系統(tǒng)輻射出來的。因此，電磁波可以由有限尺寸的電磁振蕩源激勵產(chǎn)生，并脫離場源在空間中傳播。

1.2 分米波的發(fā)射原理

在本實驗中，采用頻率為433.92 MHz的超高頻發(fā)生器產(chǎn)生分米波，然后由發(fā)射天線向外輻射。發(fā)射天線對于分米波的輻射強度、輻射方向和偏振有著決定性的作用，因此，要探究分米波的輻射和偏振特性，必須先認識發(fā)射天線的輻射作用和輻射特征。

1.3 分米波的偏振及輻射特性

可以通過討論振蕩電偶極子的輻射方向特性來了解折合振子輻射出的分米波輻射強度的角度分布和偏振性。

1.3.1 分米波的偏振性

振蕩電偶極子輻射出的電磁波為橫磁波。當電磁波距離振蕩電偶極子足夠遠，并且是在無限大均勻介質(zhì)或是真空中傳播時，可視此時的電磁波為平面電磁波。平面電磁波是橫電磁波，具有偏振特性，即電場、磁場、傳播方向互相垂直。由半波折合振子發(fā)射出的分米波為線偏振波，其電場始終沿天線軸線方向振蕩。而只有電場沿著接收天線的切線方向才會使接收天線接收到信號，所以將接收天線沿不同的方向放置，檢測分米波在接收天線上激勵的電流強弱可以很清楚地了解到分米波電矢量的振動方向。

1.3.2 分米波的輻射特性

根據(jù)輻射角分布因子可知，由折合振子輻射出的分米波其輻射強度沿天線軸線方向為零，在垂直軸線處變?yōu)樽畲螅⑶曳置撞ㄝ椛鋸姸鹊脑龃笫且粋€逐漸變緩的漸變過程。若將接收天線保持與發(fā)射天線平行并置于不同的位置，通過檢測分米波在接收天線上激勵起的電流變化即可了解分米波輻射強度的方向。

2 實驗

2.1 實驗儀器

分米發(fā)射器;電子萬用表;同軸電纜;多量程米尺;接收天線(含燈泡);連接線。

2.2 用帶燈泡的接收天線定性檢測分米波

以發(fā)射天線的軸線方向為x軸，將接有小燈泡的接收天線分別放置在y軸(發(fā)射天線正前方)、z軸(發(fā)射天線的上端)，x軸(發(fā)射天線的軸向)，固定接收天線距離發(fā)射天線0.50 m。放置接收天線并緩慢定軸旋轉(zhuǎn)接收天線，改變接收天線的方向，觀察接收天線在不同位置和方向處時小燈泡的亮暗程度。然后在折合振子附近來回轉(zhuǎn)動接收天線，同時觀察小燈泡的發(fā)光情況，從而定性了解分米波的偏振和輻射特性。

2.3 用外接萬用表的接收天線定量檢測分米波

圖1中，固定接收天線到發(fā)射天線之間的距離為1.0 m，將接收天線分別由1a沿1b方向、2a沿2b方向、3a沿3b方向定軸轉(zhuǎn)動180°，同時記錄萬用表上的電壓示數(shù);分別將1a、2a、3a位置的接收天線沿y軸、x軸、z軸移動并記錄電壓值，從而定量研究分米波的偏振和輻射特性。

2.4 附加天線桿作為反射器和控制器的影響

使用接有二極管的接收天線(外接萬用表)，將接收天線置于發(fā)射天線正對位置，并保持平行，記錄此時萬用表的示數(shù)。將附加天線桿放置在接收天線和發(fā)射天線之間，即附加天線桿作為控制器，保持3個天線平行放置，記錄此時萬用表的示數(shù)。將附加天線桿置于接收天線的后方，即附加天線桿作為反射器，仍然保持3個天線平行，記錄此時萬用表的示數(shù)。

圖1 接收天線位置分布

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 定性檢驗

通過使用帶有燈泡的天線沿著不同方向來接收發(fā)射信號，發(fā)現(xiàn)當天線放在實驗桌上正對且平行于發(fā)射天線的軸線時，燈泡最亮;當轉(zhuǎn)動天線使其與發(fā)射天線軸線垂直時，燈泡變暗;當天線由遠及近運動時，燈泡逐漸變亮;當天線保持與發(fā)射天線正對且平行于發(fā)射天線進行繞動時，燈泡亮度基本不變。由此可以定性地發(fā)現(xiàn)，分米波具有偏振性和輻射特性，符合實驗理論。

3.2 實驗數(shù)據(jù)

通過萬用表連接至接收天線，可以從電子屏中讀取具體的輻射值，從而更加直觀地得出分米波的特性。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，天線位于1a處和2a處的輻射值具有相似的分布形狀，其值也大體相同，可以推測輻射強度大致為球形分布，其他位置的輻射情況也更加清楚地驗證上述觀點。由圖3可知，在1a和2a處，使接收天線由近及遠地向外運動時，輻射值逐漸變小，并且下降速度由大到小;在3a處可以看到，初始值就很小，并且也遵循先大后小的規(guī)律。從上述實驗數(shù)據(jù)可以推知發(fā)射天線的分布為以發(fā)射天線為軸線的球狀的分布，在垂直軸線處輻射強度最大，并且輻射方向沿著天線的走線方向。

圖2 接收天線與發(fā)射天線不同距離的輻射值

圖3 接收天線不同角度的輻射值

3.3 電磁波傳遞實驗

當在發(fā)射天線和接收天線中間加上一附加天線時(附加天線、接收天線和發(fā)射天線三者互相平行時)，隨著附加天線位置的不同，接收天線所接受的輻射值發(fā)生了變化，大致規(guī)律如下:當附加天線由發(fā)射天線端向接收天線端運動時，萬用表的示數(shù)由大變小，并且附加天線上的燈泡由亮變暗;當附加天線位于接收天線后方時，隨著附加天線于接收天線的距離增加，萬用表的示數(shù)逐漸增大，并且燈泡由亮變暗。綜合分析上述情況可以發(fā)現(xiàn):電磁波是一種可以互相傳遞的能量，當附加天線與發(fā)射端接近時，可以認為兩者距離較近，能量在兩者直接之間互相傳遞，燈泡亮度最大，兩者疊加電磁波傳遞至接收端，使其受到的輻射值與沒有附加天線時的值相當;當附加天線位于接收天線后方，逐漸遠離接收天線時，萬用表的示數(shù)逐漸變大，并且燈泡變暗，這是因為接收天線這時成為了發(fā)射天線，附加天線對接收天線產(chǎn)生了輻射影響，當其遠離時，該影響逐漸減弱。

4 結論

本論文從微觀和宏觀角度對分米波的產(chǎn)生機制進行了闡述，指出分米波具有偏振性和輻射特性，并且對實驗原理進行驗證和分析，得到了如下結論:

1)使用帶有燈泡的接收天線對分米波的偏振性進行了定性研究，發(fā)現(xiàn)不同方向的電場分量是不同的。

2)通過使用萬用表對分米波進行定性研究發(fā)現(xiàn)了其輻射值的分布規(guī)律，驗證了其輻射特性，描繪出了該輻射天線的輻射分布情形。

3)通過附加天線對接收天線的影響效果判定，電磁場具有能量傳遞和相互影響的作用，說明其輻射的干擾性。

［1］閆潤卿，李英惠.微波技術基礎［M］.北京:北京理工大學出版社，2011:1－2.

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［3］米立新，王彥香，張仲，等.經(jīng)皮電神經(jīng)刺激對周圍神經(jīng)再生的影響［J］.中華物理醫(yī)學與康復雜志，2003，25(4):209－211.

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