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(浙江理工大学信息学院, 杭州 310018)

引 言

电磁波的极化是电磁波中的一个重要的概念,是电磁波中与频率、振幅和相位并列的四大要素之一,在通信、雷达信号检测、目标识别和抗干扰等方面具有重要的应用价值[1-2]。首先,从复数形式的麦克斯韦方程组出发,给出简化的无源自由空间的波动解;其次,简化波动解并简单分析平面电磁波极化的成因;最后,借助HFSS(high frequency simulator structure)电磁仿真系统,利用图形曲线展示电磁波的极化状态,可形象生动、直观快捷,直接体现各种因素对极化状态的影响,从而有效地加深对该问题的理解[3-4]。

一、电磁波极化的成因

(1)

(2)

式(2)中Exm,Eym分别表示电场沿x,y方向各分量的振幅,φx,φy表示电场沿x,y方向的初相位,对应时域表达式为:

(3)

(4)

(5)

式(4)两边同乘cosφy,然后减去式(5)两边同乘cosφx得:

sinωt(sinφycosφx-sinφxcosφy)=sinωtsin(φy-φx)

(6)

式(4)两边同乘sinφy,然后减去式(5)两边同乘sinφx得:

cosωt(cosφxsinφy-sinφxcosφy)=cosωtsin(φy-φx)

(7)

式(6)两边平方,然后加上式(7)两边平方,同时设Δφ=φy-φx得:

(8)

一般教材都是运用上述数学推导判断极化方式的,学生的意识停留在空间电场在xoy平面上的分布决定了极化的方式,而空间电场有激励天线及馈电装置决定,即特定频率下,空间电磁波的极化由天线的形状、尺寸及馈电方式决定。下面将借助有限元分析软件HFSS,通过图形曲线描述线极化可分解为左右旋圆极化,然后天线尺寸及馈电点改变可产生圆极化波,如此,在数学抽象的解析指导下,通过图形图像将使极化更加直观、生动,增加学生对极化的认识与理解,相应的也可提高教学效果。

二、基于HFSS的极化状态展示

电磁波极化理论表明,线极化波可分解为右旋、左旋圆极化波的叠加,下面基于HFSS,通过仿真曲线验证。……