Методические указания по самостоятельной подготовке

Исследование отражения электромагнитных волн от поверхностей различных типов

Цель работы

1. Исследование свойств электромагнитных волн различной поляризации при наклонном падении на плоскую поверхность с различными электрическими параметрами.

2. Исследование отражающих и экранирующих свойств металличес ких решеток из параллельных проводов.

Методические указания по самостоятельной подготовке

На практике распространение радиоволн происходит в средах с различными, часто резко отличающимися электрическими параметрами, границы раздела между которыми могут располагаться произвольным образом по отношению к направлению распространения электромагнитной волны. При этом падающая на границу раздела электромагнитная волна будет частично отражаться, а частично преломляться во вторую среду (рис. 4.1).

Напомним, что плоскостью распространения (падения) называется плоскость, перпендикулярная к поверхности раздела сред и проходящая через направление распространения падающей волны. Электромагнитная волна с вектором , лежащим в плоскости распространения, называется параллельно или вертикально поляризованной волной. Если вектор перпендикулярен плоскости распространения, волна называется нормально или горизонтально поляризованной.

Углом падения j_пад (отражения j_отр) называется угол между нормалью к границе раздела и направлением распространения падающей (отраженной) волны. Углы g_пад и g_отр (рис. 4.1) называются углами скольжения, а угол j_пр — углом преломления.

Отражение и преломление электромагнитной волны любой поляризации на границе раздела двух сред подчиняются известным из курса физики первому и второму законам Снеллиуса, которые могут быть представлены соответственно в виде

где n₁ и n₂ — коэффициенты преломления соответственно первой и второй сред. Если среды немагнитные (m=1), то где e₁ и e₂ — диэлектрические проницаемости сред.

Для характеристики отраженной и преломленной волн пользуются понятиями коэффициента отражения и коэффициента преломления , которые определяются выражениями

где — комплексные амплитуды напряженностей электрического поля соответственно отраженной, преломленной и падающей волн. Эти коэффициенты называются также коэффициентами Френеля и имеют различные значения для волн нормальной и параллельной поляризаций.

На рис. 4.2 показана зависимость модуля и фазы коэффициента отражения от угла скольжения для волн параллельной и нормальной поляризаций, падающих на границу раздела воздух-диэлектрик (пунктир) и воздух-полупроводник (сплошная линия).

Из графиков следует, что при малых углах скольжения g_пад = 0 для любой поляризации амплитуда отраженной волны приближается к амплитуде падающей, а фаза при отражении скачком изменяется на 180 °. При нормальном падении волны на границу раздела g = p/2 модули коэффициентов отражения при нормальной и параллельной поляризации равны |R_^| = |R _|||. Для всех промежуточных углов (0 < g < p/2) |R_^| > |R _|||.

Модуль коэффициента отражения нормально поляризованной волны монотонно уменьшается с ростом угла скольжения, при этом отраженная волна всегда существует (R_^¹0). Для параллельно поляризованной волны существуют углы скольжения g_Б, при которых отраженная волна имеет минимальное значение, а при отражении от идеального диэлектрика отраженная волна отсутствует(R_||=0). Этот угол называется углом полного преломления или углом Брюстера j_Б. При распространении падающей волны в воздухе (e₁=1)

e₂ = tg²j_Б .
(4.5)

Если отражающая поверхность является идеально проводящей, то при любых углах падения и любой поляризации происходит полное отражение.

В целях уменьшения массы и парусности на практике в качестве отражающих и экранирующих поверхностей широко используются решетчатые конструкции. При исследовании отражающих и экранирующих свойств решетки следует учитывать, что в том случае, когда вектор волны перпендикулярен проводникам решетки, ЭДС в проводниках не наводится и решетка практически не влияет на распространение электромагнит ных волн. Если вектор волны параллелен проводникам решетки, в них будет наводится ЭДС и, следовательно, протекать токи проводимости. Эти токи создадут вторичное излучение, которое приводит к появлению отраженной волны. Чем меньше расстояние между проводниками и чем больше поперечные размеры проводников по сравнению с длиной волны, тем эффективнее влияет решетка на распространение электромагнитных волн.

Экранирующие и отражающие свойства решетки можно оценить по коэффициенту отражения R, а также по коэффициенту прохождения N волны через решетку. Коэффициент прохождения определяется по полю или по мощности соответственно с помощью соотношений

, (4.6)

где Е и Р — напряженность поля и мощность за решеткой, Е₀ и Р₀ — напряженность поля и мощность при отсутствии решетки.

Описание установки

Лабораторная установка (рис. 4.3) состоит из высокочастотного генератора (l = 3 см) (1); передающей (2) и приемной (3) рупорных антенн; детекторной секции (4) с индикаторным прибором (5) и стойки (6) с держателем для крепления отражающих поверхностей. Передающая и приемная антенны укреплены на стойках. Передающая антенна находится в неподвижном положении, а приемная вместе со штангой может вращаться в горизонтальной плоскости. Угол поворота антенны определяется по лимбу. Для перехода от параллельной к нормальной поляризации и наоборот обе антенны могут поворачиваться вокруг своей оси на 90 °.

В состав лабораторной установки входят также отражающие металлический и диэлектрический листы и металлическая решетка.

Порядок выполнения работы

1. Изучить лабораторную установку и правила использования измерительной аппаратуры.

2. Экспериментально проверить первый закон Снеллиуса. Исследование провести при отражении радиоволн от диэлектрического листа. Для этого установить лист на специальный держатель и развернуть его по отношению к передающему рупору так, чтобы угол падения j_пад = 20 °. Перемещая приемный рупор со штангой в горизонтальной плоскости, по максимуму показаний индикатора определить угол отражения j_отр. Аналогично определить угол отражения для углов падения, указанных в табл. 4.1. Измерения провести при параллельной (вертикальной) и нормальной (горизонтальной) поляризациях радиоволн. Вид поляризации определять по отношению к отражательному листу. Результаты измерений свести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

3.Определить зависимость модуля коэффициента отражения от угла падения радиоволн на диэлектрический лист. Модуль коэффициента отражения определяется (4.3). Для определения величины поля падающей волны необходимо на держатель установить металлический лист и развернуть его по отношению к передающему рупору под углом скольжения g = 20. Перемещая приемный рупор, найти такое положение, при котором показание индикатора будет максимальным. Так как в этом случае отражается вся энергия, показание индикатора будет соответствовать падающей волне (x_пад). Затем на место металлического листа поставить диэлектрический и определить величину отраженной волны (x_отр). С учетом квадратичности характеристики детектора модуль коэффициента отражения будет

. (4.7)

Таким же образом определить коэффициент отражения для других углов падения (см. табл. 4.2) и для другой поляризации радиоволн. При определении модуля коэффициента отражения для параллельной поляризации требуется также определить угол Брюстера (угол, при котором модуль коэффициента отражения имеет минимальное значение).

Результаты измерения занести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

По данным табл. 4.2 построить график зависимости R = f(g_пад ) — модуля коэффициента отражения от угла скольжения для параллельной и нормальной поляризаций электромагнитной волны.

4.Определить коэффициент прохождения волны и зависимость модуля коэффициента отражения от угла скольжения радиоволн на металлическую решетку.

Модуль коэффициента отражения определить (по указанию преподавателя) по методике, описанной в п. 3.

Коэффициент прохождения измеряется при нормальном падении электромагнитной волны на металлическую решетку. Развернуть приемную и передающую антенны друг на друга, установить удобное для отсчета отклонение стрелки индикаторного прибора и записать показание (x₀). Затем перед приемным рупором установить решетку так, чтобы провода решетки были перпендикулярны плоскости поляризации, и записать показания индикатора x_^. Поворотом рупорных антенн или решетки на 90° установить плоскость поляризации параллельно проводам решетки. Произвести отсчет показаний индикатора x_||. Расчет коэффициента прохождения через решетку выполнить по формулам

Содержание отчета

1.Схема лабораторной установки.

2.Таблицы с записями первичных результатов измерений и расчетов.

3.Графический материал.

4.Основные выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Что называется плоскостью падения электромагнитной волны?

2. Какая поляризация электромагнитной волны называется нормальной (горизонтальной), параллельной (вертикальной)?

3. Дать определение углам падения, отражения, преломления, скольжения.

4. Дать определение коэффициентам отражения и преломления.

5. Отражение нормально (параллельно) поляризованных волн от границы раздела двух сред (ориентация векторов и относительно плоскости падения).

6. Зависимость модуля и фазы коэффициента отражения от угла скольжения при отражении от границы раздела двух сред с различными электрическими параметрами.

7. В чем заключается влияние полного преломления, и при каких условиях оно наступает?

8. Пояснить влияние решетки из проводника на распространение электромагнитных волн. Как можно оценить экранирующие свойства металлической решетки?

Литература

1. Черенкова Е.Л., Чернышев О.В. Распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1984.

2. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1972.

3. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М.: Высш. шк., 1975.