張 智，高 潔，楊明慧，房明娟

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，西安 710062)

微波也屬于電磁波，但它是一個(gè)比普通無(wú)線電波段的波長(zhǎng)更短的波段，故名微波。微波的波長(zhǎng)范圍沒(méi)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(gè)波段，也就是波長(zhǎng)從0.1 mm到1 m的電磁波［1］。與普通無(wú)線電波相比，微波僅是波長(zhǎng)或頻率不同。但是，正是這一區(qū)別，才使微波除了與普通無(wú)線電波具有共同點(diǎn)之外，還有其本身的一些特點(diǎn)。

分米波屬于微波，是電磁波的一種，其波長(zhǎng)范圍在分米段附近，故而得名。因?yàn)榉置撞úㄩL(zhǎng)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(shí)不影響其活性只改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［2］，所以分米波廣泛應(yīng)用于電視廣播信號(hào)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(guó)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(guò)研究其某些性質(zhì)可以了解電磁波的特性。因?yàn)榉置撞ǖ牟ㄩL(zhǎng)較短，在實(shí)驗(yàn)室允許的范圍內(nèi)可以對(duì)分米波的偏振特性和輻射特性進(jìn)行驗(yàn)證分析，所以，掌握分米波的性質(zhì)對(duì)于研究電磁理論有很大的幫助。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 分米波產(chǎn)生的機(jī)制

因?yàn)榉置撞ㄊ请姶挪ǖ囊环N，所以只需要探討電磁波的產(chǎn)生機(jī)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(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)互相激勵(lì)產(chǎn)生傳播。在微觀情形，變速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子導(dǎo)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(lái)。也就是說(shuō)電磁波是從交變運(yùn)動(dòng)的電荷系統(tǒng)輻射出來(lái)的。因此，電磁波可以由有限尺寸的電磁振蕩源激勵(lì)產(chǎn)生，并脫離場(chǎng)源在空間中傳播。

1.2 分米波的發(fā)射原理

在本實(shí)驗(yàn)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(duì)于分米波的輻射強(qiáng)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(rèn)識(shí)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(guò)討論振蕩電偶極子的輻射方向特性來(lái)了解折合振子輻射出的分米波輻射強(qiáng)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(dāng)電磁波距離振蕩電偶極子足夠遠(yuǎn)，并且是在無(wú)限大均勻介質(zhì)或是真空中傳播時(shí)，可視此時(shí)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(chǎng)、磁場(chǎng)、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(chǎng)始終沿天線軸線方向振蕩。而只有電場(chǎng)沿著接收天線的切線方向才會(huì)使接收天線接收到信號(hào)，所以將接收天線沿不同的方向放置，檢測(cè)分米波在接收天線上激勵(lì)的電流強(qiáng)弱可以很清楚地了解到分米波電矢量的振動(dòng)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(qiáng)度沿天線軸線方向?yàn)榱?，在垂直軸線處變?yōu)樽畲螅⑶曳置撞ㄝ椛鋸?qiáng)度的增大是一個(gè)逐漸變緩的漸變過(guò)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(guò)檢測(cè)分米波在接收天線上激勵(lì)起的電流變化即可了解分米波輻射強(qiáng)度的方向。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

分米發(fā)射器;電子萬(wàn)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(cè)分米波

以發(fā)射天線的軸線方向?yàn)閤軸，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(shí)小燈泡的亮暗程度。然后在折合振子附近來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)接收天線，同時(shí)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(wàn)用表的接收天線定量檢測(cè)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(dòng)180°，同時(shí)記錄萬(wàn)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(dòng)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(wàn)用表)，將接收天線置于發(fā)射天線正對(duì)位置，并保持平行，記錄此時(shí)萬(wàn)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(gè)天線平行放置，記錄此時(shí)萬(wàn)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(gè)天線平行，記錄此時(shí)萬(wàn)用表的示數(shù)。

圖1 接收天線位置分布

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 定性檢驗(yàn)

通過(guò)使用帶有燈泡的天線沿著不同方向來(lái)接收發(fā)射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)天線放在實(shí)驗(yàn)桌上正對(duì)且平行于發(fā)射天線的軸線時(shí)，燈泡最亮;當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)天線使其與發(fā)射天線軸線垂直時(shí)，燈泡變暗;當(dāng)天線由遠(yuǎn)及近運(yùn)動(dòng)時(shí)，燈泡逐漸變亮;當(dāng)天線保持與發(fā)射天線正對(duì)且平行于發(fā)射天線進(jìn)行繞動(dòng)時(shí)，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(shí)驗(yàn)理論。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)萬(wàn)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(cè)輻射強(qiáng)度大致為球形分布，其他位置的輻射情況也更加清楚地驗(yàn)證上述觀點(diǎn)。由圖3可知，在1a和2a處，使接收天線由近及遠(yuǎn)地向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)

當(dāng)在發(fā)射天線和接收天線中間加上一附加天線時(shí)(附加天線、接收天線和發(fā)射天線三者互相平行時(shí))，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(dāng)附加天線由發(fā)射天線端向接收天線端運(yùn)動(dòng)時(shí)，萬(wàn)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(dāng)附加天線位于接收天線后方時(shí)，隨著附加天線于接收天線的距離增加，萬(wàn)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(dāng)附加天線與發(fā)射端接近時(shí)，可以認(rèn)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(méi)有附加天線時(shí)的值相當(dāng);當(dāng)附加天線位于接收天線后方，逐漸遠(yuǎn)離接收天線時(shí)，萬(wàn)用表的示數(shù)逐漸變大，并且燈泡變暗，這是因?yàn)榻邮仗炀€這時(shí)成為了發(fā)射天線，附加天線對(duì)接收天線產(chǎn)生了輻射影響，當(dāng)其遠(yuǎn)離時(shí)，該影響逐漸減弱。

4 結(jié)論

本論文從微觀和宏觀角度對(duì)分米波的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了闡述，指出分米波具有偏振性和輻射特性，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行驗(yàn)證和分析，得到了如下結(jié)論:

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

2)通過(guò)使用萬(wàn)用表對(duì)分米波進(jìn)行定性研究發(fā)現(xiàn)了其輻射值的分布規(guī)律，驗(yàn)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(guò)附加天線對(duì)接收天線的影響效果判定，電磁場(chǎng)具有能量傳遞和相互影響的作用，說(shuō)明其輻射的干擾性。

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