本发明涉及教学实验仪器技术领域，特别涉及一种极化合成实验教学装置和操作方法。
背景技术：
“电磁场与电磁波”是高等学校电子信息类和电器信息类专业本科必修的一门专业基础课。电磁波的极化特性是很重要的理论，是除时域、频域和空域信息以外又一可利用的重要信息,在雷达信号滤波、检测、增强、抗干扰和目标鉴别/识别等方面都有广泛应用，因此对极化理论的学习、研究和应用都有着重要的意义。然而，极化的概念比较抽象,学生理解起来比较困难，极化理论的学习一直是电磁场与波课程教学中的重点和难点。目前国内部分高校采用微波分光仪和光栅板开展电磁场与电磁波的极化实验教学，该类装置主要是围绕电磁波光学特性，开展相关电磁波光学特征的演示性和验证性实验，另外该装置体积大，辅助设施多，实验过程繁琐，对于极化实验的教学复杂且不够直观，不利于学生对极化概念的理解和学习。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种极化合成实验教学装置和操作方法，可以通过简易的装置来合成不同极化方式的电磁波。
一种极化合成实验教学装置，包括：
信号源，用于产生射频信号；
功率分配器，将所述射频信号等幅等相分成两路；
第一发射天线(1)和第二发射天线(2)，各接收一路射频信号，并将射频信号以电磁波形式发射出去，该两路电磁波相位相同且极化方式相互正交；所述第一发射天线(1)和第二发射天线(2)的高度和相对位置均可调节；
接收天线(3)，极化形式为线极化，用于接收第一发射天线(1)和第二发射天线(2)发射的两路电磁波，并将其合成为一路射频信号；接收天线(3)高度可调，且可围绕自身的中心轴旋转；
检波器，从接收天线(3)接收射频信号，并转换为电流信号；
选频放大器，用于显示所述电流信号。
较佳的，所述第一发射天线(1)和第二发射天线(2)处于不同高度，保证两个发射天线的口面相互无任何遮挡；接收天线(3)口面中心处于两个发射天线口面中心连线的中间位置，且两个发射天线与接收天线(3)间的距离满足远场条件。
较佳的，所述两个发射天线发射的两路电磁波的极化方向相互正交的线极化或圆极化。
较佳的，两个发射天线的间距选取信号源发射电磁波的四分之一波长的偶数倍，且两个发射天线与接收天线(3)间的距离满足远场条件。
较佳的，两个发射天线的间距为四分之一波长的奇数倍，且两个发射天线与接收天线(3)间的距离满足远场条件。
较佳的，所述两个发射天线的间距不为信号源发射电磁波的四分之一波长的整数倍，且两个发射天线与接收天线(3)间的距离满足远场条件。
一种极化合成实验教学装置的操作方法，包括：
s1：使第一发射天线(1)和第二发射天线(2)处于不同高度，且两个发射天线口面相互无遮挡，调节接收天线(3)，使其口面中心处于第一发射天线(1)和第二发射天线(2)口面的中间位置；
s2：打开信号源，调节信号源和选频放大器，使选频放大器的指示值在量程内，两个发射天线发射两束极化方式相互正交的电磁波；
s3：调节两个发射天线间的距离，使其为设定值；
s4：将接收天线(3)旋转设定角度，并记录此时选频放大器相应的示数；
s5：重复步骤s4，直至接收天线(3)旋转一周为止；
在极坐标系中画出选频放大器示数与接收天线(3)旋转角度的映射关系曲线，由此判定接收天线(3)所接收电磁波的极化形式。
较佳的，所述s3中，所述设定值为四分之一波长的奇数倍。
较佳的，所述s3中，所述设定值为四分之一波长的偶数倍。
较佳的，所述s3中，所述设定值为非四分之一波长的整数。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种极化合成实验教学装置和操作方法，通过调节该极化合成实验装置中极化方式正交的两个发射天线的间距，来实现两束电磁波在接收天线口面处不同的相位差，从而合成不同极化形式的电磁波，通过旋转接收天线接收合成的电磁波信号，并通过不同角度下选频放大器示数的变化，来判断合成电磁波的极化形式。因此，通过该极化合成实验装置学生可以更直观地理解电磁波不同极化方式的合成过程及验证相应的极化合成原理。
附图说明
图1为本发明极化合成实验教学装置结构示意图，其中：1-第一发射天线，2-第二发射天线，3-接收天线，4-刻度圆盘，5-发射天线支架，6-滑块，7-导轨，8-接收天线支架，9-稳相电缆。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
均匀平面波的极化是电磁场理论中的一个重要概念，它表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性,并用电场强度矢量e的尾端在空间描绘出的轨迹来表示。如果该轨迹是直线,则被称为线极化波；若轨迹是圆，则称为圆极化波；若轨迹是椭圆,则称为椭圆极化波。
均匀平面电磁波的电场矢量总是垂直于传播方向，一般情况下它可以表示为两个相互垂直的分量。以
每个分量的表达式可以写成
其中，exm和eym分别是电场矢量在
对于任意给定的场点p(z0)，通过对上述两式应用三角函数和差化积公式及一些数学运算，我们最终可以得到
上式是一个以时间t为变量的曲线方程，它描述的是垂直于传播方向的平面内电场矢量尾端的运动轨迹。
当
如果
如果
一般情况下，
由此可知，两束两个极化相互垂直的线极化波，当它们的初始相位相差0或±π时，两束电磁波合成后的极化方式为线极化；当初始相位相差±π/2，且exm＝eym＝em时，两束电磁波合成后的极化方式为圆极化；而当
本发明中的极化合成实验教学装置就是通过改变两个发射天线至接收天线的距离，来改变两个发射天线发射的电磁波至接收天线的波程差，相应地改变两个发射天线发射的电磁波在接收天线口面处的相位差，从而改变在接收天线口面处合成的电磁波的极化方式。如图1所示，该极化合成实验教学装置主要包括：
信号源，用于产生射频信号，与功率分配器连接；
功率分配器，所述功率分配器将输入的射频信号等幅等相分成两路；
第一发射天线1和第二发射天线2分别固定在两个发射天线支架5上；两个发射天线均通过稳相电缆9与功率分配器连接，用于分别接收两路射频信号，并将两路射频信号转化为相位相同且极化方式相互正交的电磁波发射出去；所述两个发射天线支架5高度可调，且支架5均通过滑块6设置在导轨7上，发射天线支架5可沿导轨7滑动。所述导轨7的侧面固定有刻度尺，可以读出两个发射天线之间的距离。
接收天线3，极化形式为线极化，用于接收第一发射天线1和第二发射天线2发射的空间合成电磁波；接收天线3外部套有环形的刻度圆盘4，所述刻度圆盘4固定在高度可调的接收天线支架8上，所述接收天线8可围绕自身的中心轴旋转；所述刻度圆盘4用于读出接收天线8旋转的角度。
检波器，与所述接收天线3连接，并将接收的射频信号转换为电流信号；
选频放大器，所述选频放大器与所述检波器连接，用于显示接收的信号；
调节所述发射天线支架5使两个发射天线处于不同高度，并使一前一后的两个发射天线的口面相互无任何遮挡，通过调节所述接收天线支架8的高度，使接收天线3的口面中心处于两个发射天线口面中心连线的中间位置。所述两个发射天线发射的电磁波极化是相互正交的线极化或圆极化，两个发射天线与接收天线间的距离均满足远场条件。
调节两个发射天线的间距，使其为信号源发射电磁波的四分之一波长的整数倍(即nλ4，其中λ为电磁波的波长，n为整数)，其中：
当整数倍为奇数时，即所述两个发射天线的间距为四分之一波长的奇数倍时，旋转接收天线3，每旋转一定的角度记录下此时接收天线转动的角度值和相应角度下选频放大器的读数，直至接收天线3旋转一周为止。在极坐标系中画出选频放大器示数与接收天线3旋转角度的映射关系曲线，由曲线形状可以判定接收天线3所接收电磁波的极化形式为圆极化；
当整数倍为偶数时，即所述两个发射天线的间距为四分之一波长的偶数倍时，旋转接收天线3，每旋转一定的角度记录下此时接收天线3转动的角度值和相应角度下选频放大器的读数，直到接收天线3旋转一周为止，在极坐标系中画出选频放大器示数与接收天线3旋转角度的映射关系曲线，由曲线形状可以判定接收天线3所接收电磁波的极化形式为线极化。
针对上述极化合成实验教学装置，本发明还提供了一种操作方法，具体过程如下：
s1：通过稳相电缆9连接功率分配器和两个发射天线(1和2)，第一发射天线1和第二发射天线2发射的电磁波初始相位相同且极化方式正交；调节发射天线支架5，使第一发射天线1和第二发射天线2处于不同高度，且两个发射天线口面相互无遮挡，调节接收天线支架8，使接收天线3的口面中心处于第一发射天线1和第二发射天线2口面中心连线的中间位置；
s2：打开信号源，设置信号源的频率f和功率p，调节选频放大器，使选频放大器的指示值在量程内，两个发射天线发射两束极化方式相互正交的电磁波；
s3：通过调节滑块6来移动第一发射天线1和第二发射天线2，使两个发射天线间的距离d为四分之一波长的奇数倍，即间距d＝0.25×(2n 1)×c/f(其中n为整数，c为光速)，且两个发射天线(1和2)与接收天线3间的距离均满足远场条件，记录此时接收天线3所在的刻度圆盘4的读数和选频放大器的示数；
s4：将接收天线3在刻度圆盘4上旋转5度，并记录此时选频放大器相应的示数；
s5：重复步骤s4，直至接收天线3旋转一周为止；
s6：根据测试结果，在极坐标系中画出选频放大器示数与接收天线3旋转角度的映射关系曲线，由曲线的形状可以判定接收天线3所接收电磁波的极化形式为圆极化，即验证了间距d为四分之一波长奇数倍的两个发射天线发射的正交极化电磁波在接收天线3的口面处合成了圆极化电磁波；
s7：通过调节滑块6来移动第一发射天线1和第二发射天线2，使两个发射天线的间距d为四分之一波长的偶数倍，即间距d＝0.25×2n×c/f(其中n为整数，c为光速)，且两个发射天线(1和2)与接收天线3间的距离均满足远场条件，记录此时接收天线3所在的刻度圆盘4的读数和选频放大器的示数；
s8：重复步骤s4，直至接收天线3旋转一周为止；
s9：根据测试结果，在极坐标系中画出选频放大器示数与接收天线3旋转角度的映射关系曲线，由曲线的形状可以判定接收天线3所接收电磁波的极化形式为线极化，即验证了间距d为四分之一波长的偶数倍的两个发射天线发射的正交极化电磁波在接收天线3的口面处合成了线极化电磁波。
s10：通过调节滑块6来移动第一发射天线1和第二发射天线2，使两个发射天线的间距d不为四分之一波长的整数倍，即间距d≠0.25×n×c/f(其中n为整数，c为光速)，且两个发射天线(1和2)与接收天线3间的距离均满足远场条件，记录此时接收天线3所在的刻度圆盘4的读数和选频放大器的示数；
s11：重复步骤s4，直至接收天线3旋转一周为止；
s12：根据测试结果，在极坐标系中画出选频放大器示数与接收天线3旋转角度的映射关系曲线，由曲线的形状可以判定接收天线3所接收电磁波的极化形式为椭圆极化，即验证了间距d不为四分之一波长整数倍的两个发射天线发射的正交极化电磁波在接收天线3的口面处合成了椭圆极化电磁波。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种极化合成实验教学装置，其特征在于，包括：
信号源，用于产生射频信号；
功率分配器，将所述射频信号等幅等相分成两路；
第一发射天线(1)和第二发射天线(2)，各接收一路射频信号，并将射频信号以电磁波形式发射出去，该两路电磁波相位相同且极化方式相互正交；所述第一发射天线(1)和第二发射天线(2)的高度和相对位置均可调节；
接收天线(3)，极化形式为线极化，用于接收第一发射天线(1)和第二发射天线(2)发射的两路电磁波，并将其合成为一路射频信号；接收天线(3)高度可调，且可围绕自身的中心轴旋转；
检波器，从接收天线(3)接收射频信号，并转换为电流信号；
选频放大器，用于显示所述电流信号。
2.根据权利要求1所述的极化合成实验教学装置，其特征在于，所述第一发射天线(1)和第二发射天线(2)处于不同高度，保证两个发射天线的口面相互无任何遮挡；接收天线(3)口面中心处于两个发射天线口面中心连线的中间位置，且两个发射天线与接收天线(3)间的距离满足远场条件。
3.根据权利要求1或2所述的极化合成实验教学装置，其特征在于，所述两个发射天线发射的两路电磁波的极化方向相互正交的线极化或圆极化。
4.根据权利要求3所述的极化合成实验教学装置，其特征在于，两个发射天线的间距选取信号源发射电磁波的四分之一波长的偶数倍，且两个发射天线与接收天线(3)间的距离满足远场条件。
5.根据权利要求3所述的极化合成实验教学装置，其特征在于，两个发射天线的间距为四分之一波长的奇数倍，且两个发射天线与接收天线(3)间的距离满足远场条件。
6.根据权利要求3所述的极化合成实验教学装置，其特征在于，所述两个发射天线的间距不为信号源发射电磁波的四分之一波长的整数倍，且两个发射天线与接收天线(3)间的距离满足远场条件。
7.一种根据权利要求1所述极化合成实验教学装置的操作方法，其特征在于，包括：
s1：使第一发射天线(1)和第二发射天线(2)处于不同高度，且两个发射天线口面相互无遮挡，调节接收天线(3)，使其口面中心处于第一发射天线(1)和第二发射天线(2)口面的中间位置；
s2：打开信号源，调节信号源和选频放大器，使选频放大器的指示值在量程内，两个发射天线发射两束极化方式相互正交的电磁波；
s3：调节两个发射天线间的距离，使其为设定值；
s4：将接收天线(3)旋转设定角度，并记录此时选频放大器相应的示数；
s5：重复步骤s4，直至接收天线(3)旋转一周为止；
在极坐标系中画出选频放大器示数与接收天线(3)旋转角度的映射关系曲线，由此判定接收天线(3)所接收电磁波的极化形式。
8.如权利要求7所述的极化合成实验教学装置的操作方法，其特征在于，所述s3中，所述设定值为四分之一波长的奇数倍。
9.如权利要求7所述的极化合成实验教学装置的操作方法，其特征在于，所述s3中，所述设定值为四分之一波长的偶数倍。
10.如权利要求7所述的极化合成实验教学装置的操作方法，其特征在于，所述s3中，所述设定值为非四分之一波长的整数。
技术总结