電磁波傳播特性

1、電磁波傳播特性摘要： 本文使用電磁波綜合測試儀，通過邁克爾遜干涉的方法，測量了實(shí)驗(yàn)所采用的電磁波的波長。此外，本文還使用綜合測試儀驗(yàn)證了電磁波的反射定律。關(guān)鍵詞：電磁波綜合測試儀；邁克爾遜干涉；反射定律1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）了解電磁波綜合測試儀的結(jié)構(gòu)，掌握其工作原理；2）利用相干波原理，測定自由空間內(nèi)電磁波波長，確定電磁波的相位常數(shù)K和波速v；3）研究電磁波在良導(dǎo)體表面的反射。2. 實(shí)驗(yàn)儀器1） 三厘米固態(tài)信號發(fā)生器1臺三厘米固態(tài)信號發(fā)生器由振蕩器、隔離器和主機(jī)組成，主機(jī)面板如圖2所示。體效應(yīng)管裝在工作于TE101模的波導(dǎo)諧振腔中，調(diào)節(jié)振蕩器的螺旋測微器，可改變調(diào)諧桿伸入波導(dǎo)腔的深度，從而連續(xù)平滑

2、地改變微波諧振頻率。調(diào)節(jié)位于波導(dǎo)腔前面法蘭盤中心處的調(diào)配螺釘，可使波導(dǎo)腔與外電路實(shí)現(xiàn)最佳耦合。隔離器保證振蕩器與負(fù)載間的匹配與隔離，使微波輸出和功率更加穩(wěn)定。圖2 三厘米固態(tài)信號發(fā)生器主要技術(shù)指標(biāo)：頻率范圍：8.69.6GHz；頻率誤差：±5MHz；輸出功率：不小于20mW。（實(shí)驗(yàn)中所使用的電磁波頻率為9.37GHz）2）電磁波綜合測試儀1套電磁波綜合測試儀如圖1所示圖1 電磁波綜合測試儀（1）系統(tǒng)簡介：固定臂?；顒?dòng)臂，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺，可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可由邊緣的刻度讀出，左右各180度。固態(tài)信號源。衰減器，用于控制發(fā)射信號大小。發(fā)射天線，是角錐喇叭天線，可繞水平或垂

3、直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。接收天線，也是角錐喇叭天線，也可繞水平或垂直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。振蕩器，是一個(gè)波導(dǎo)諧振腔，調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓可使接收信號發(fā)生諧振，從而使接收信號增強(qiáng)。檢波器。指示器，是一個(gè)微安表頭，可以定量指示接收信號大小。（2）儀器的調(diào)整：調(diào)整底座上的三個(gè)螺栓，使轉(zhuǎn)臺平面水平，調(diào)整時(shí)可以使用水平儀。使收、發(fā)天線對正：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，使180度刻線與固定臂上的指針對正，使活動(dòng)臂上的指針與0度刻線對正。通過目測，使收、發(fā)天線對正，收、發(fā)天線的上沿都應(yīng)水平。打開信號源，左右輕微轉(zhuǎn)動(dòng)收、發(fā)天線，使接收信號最大；最后固定收、發(fā)天線，系統(tǒng)就調(diào)整好了。3）反射板（金屬板）2塊4）半透射板（玻璃板）1塊3.實(shí)驗(yàn)原理1）自由空間電磁波

4、參量的測量當(dāng)兩束等幅、同頻率的均勻平面電磁波，在自由空間內(nèi)沿相同或相反方向傳播時(shí)，由于相位不同發(fā)生干涉現(xiàn)象，在傳播路徑上可形成駐波場分布。本實(shí)驗(yàn)正是利用相干波原理，通過測定駐波場節(jié)點(diǎn)的分布，求得自由空間中電磁波波長值，再由 K=2/v=f=/K (1)得到電磁波的主要參數(shù)K和v等。電磁波參量測試原理如圖3所示，PT和PR分別表示發(fā)射和接收喇叭天線，A和B分別表示固定和可移動(dòng)的金屬反射板，C表示半透射板（有機(jī)玻璃板）。由PT發(fā)射平面電磁波，在平面波前進(jìn)的方向上放置成45o角的半透射板，由于該板的作用，將入射波分成兩束波，一束向板A方向傳播，另一束向板B方向傳播。由于A和B為金屬全反射板，兩列波就

5、再次返回到半透射板并達(dá)到接收喇叭天線PR處。于是PR收到兩束同頻率，振動(dòng)方向一致的兩個(gè)波。如果這兩個(gè)波的相位差為的偶數(shù)倍，則干涉加強(qiáng)；如果相位差為的奇數(shù)倍，則干涉減弱。移動(dòng)反射板B，當(dāng)PR的表頭指示從一次極小變到又一次極小時(shí)，則反射板B就移動(dòng)了/2的距離，由這個(gè)距離就可以求得平面波的波長。圖3 電磁波參量測試原理圖設(shè)入射波為垂直極化波Ei=E0e-j當(dāng)入射波以入射角1向介質(zhì)板C斜入射時(shí)，在分界面上產(chǎn)生反射波Er和折射波Et。設(shè)C板的反射系數(shù)為R，T0為由空氣進(jìn)入介質(zhì)板的折射系數(shù)，Tc為由介質(zhì)板進(jìn)入空氣的折射系數(shù)。固定板A和可移動(dòng)板B都是金屬板，反射系數(shù)均為-1。在一次近似的條件下，接收喇叭天線

6、PR處的相干波分別為Er1=-RT0TcE0e-j1Er2=-RT0TcE0e-j2這里1=Kl1+l3=KL12=Kl2+l3=Kl1+l3+L=KL2其中，L=L1-L2為B板移動(dòng)距離，而Er1與Er2傳播的路程差為2L。由于Er1與Er2的相位差為=2-1=2KL，因此，當(dāng)2L滿足 2L=n (n=0,1,2) （2）Er1和Er2同相相加，接收指示為最大。當(dāng)2L滿足2L=2n+1/2 (n=0,1,2) （3）Er1和Er2反相抵消，接收指示為最小。這里，n表示相干波合成駐波場的波節(jié)點(diǎn)數(shù)。沿一個(gè)方向改變反射板B的位置，使PR輸出重復(fù)出現(xiàn)最大指示，或重復(fù)出現(xiàn)零指示即可測出電磁波波長。為測

7、準(zhǔn)值，一般采用PR零指示方法。圖4 相干波Er1和Er2的分布相干波Er1和Er2的分布如圖4所示，圖中n=0的節(jié)點(diǎn)處L0作為第一個(gè)波節(jié)點(diǎn)（參考點(diǎn)），對于n0的各值則有n=1，2L1=32，對應(yīng)第二個(gè)波節(jié)點(diǎn)，或第一個(gè)半波長數(shù)。n=2，2L2=52，對應(yīng)第三個(gè)波節(jié)點(diǎn)，或第二個(gè)半波長數(shù)。n=N，2LN=(2N+1)2，對應(yīng)第N+1個(gè)波節(jié)點(diǎn)，或第N個(gè)半波長數(shù)。由此可知，兩個(gè)相鄰波節(jié)點(diǎn)（接收零值）間的距離為Ln-Ln+1=/2，n+1個(gè)波節(jié)點(diǎn)之間共有n個(gè)半波長，即Ln-L0=n/2，可得波長的平均值為=2(Ln-L0)/n （4）再把式（4）代入式（1），可以得到被測電磁波的K和v等參量。實(shí)驗(yàn)中可移動(dòng)

8、板B移動(dòng)時(shí)不可能出現(xiàn)無限多個(gè)駐波節(jié)點(diǎn)，測試中一般取n=4已足夠，它相當(dāng)于5個(gè)駐波節(jié)點(diǎn)，這時(shí)被測電磁波波長的平均值為=2(L4-L0)/4 （5）2） 2電磁波入射到兩種不同介質(zhì)分界面上的反射遵循反射定律，即1='1 （6）當(dāng)微波波段的電磁波入射到良導(dǎo)體表面時(shí)，無透射，所有電磁波均反射。4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）自由空間電磁波參量的測量（1）整體機(jī)械調(diào)整（見附錄一），使PT、PR相向，軸線在同一水平面線上，調(diào)整信號電平，使PR表頭指示接近滿刻度。（2）安裝反射板A和B半透射板C，如圖1-1所示，注意A、B軸向成90度角，C板法向與A板法向成45o角，并注意反射板A、B的法向分別與PT、PR的軸向重

9、合。（3）固定A板，用旋轉(zhuǎn)手柄移動(dòng)B板，使PR表頭指示接近零，記下零指示的起始位置。（4）用旋轉(zhuǎn)手柄使B板移動(dòng)，再從表頭上測出n個(gè)極小值，同時(shí)從讀數(shù)機(jī)構(gòu)上得到相應(yīng)于（3）的起始零指示位置求得反射板移動(dòng)的距離(LnL0)，連續(xù)測三次，求平均值，取n=3或4即可。（5）根據(jù)測得的(LnL0)值，計(jì)算、K和v值。2）電磁波的反射（1）調(diào)試實(shí)驗(yàn)裝置首先使兩個(gè)喇叭天線相互對正，它們的軸線應(yīng)在一條直線上。具體方法如下：旋轉(zhuǎn)工作平臺使0度刻線與固定臂上的指針對正，再轉(zhuǎn)活動(dòng)臂使活動(dòng)臂上的指針對正工作平臺上的180度刻線，然后鎖定活動(dòng)臂。打開固態(tài)信號源開關(guān)，連接在接收喇叭天線上的微安表將有指示，分別微調(diào)發(fā)射喇叭

10、天線和接收喇叭天線的方向，使微安表的指示最大，這時(shí)發(fā)射天線與接收天線就相互對正了。（2）電磁波入射到良導(dǎo)體表面的反射特性首先不加反射板，使發(fā)射天線與接收天線相互對正，調(diào)整固態(tài)信號源，測出入射波電場E1（可使微安表指示60A），然后把良導(dǎo)體反射板放在轉(zhuǎn)臺上，使導(dǎo)體板平面對準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺上的90度刻線，這時(shí)轉(zhuǎn)臺上的0度刻線與導(dǎo)體板的法線方向一致，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺改變?nèi)肷浣?，測量相應(yīng)的反射角'1以及相應(yīng)的反射波場強(qiáng)E'1（仍用微安表指示的電流表示），記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理1）自由空間電磁波參量的測量實(shí)驗(yàn)次數(shù)12微安表零指示次數(shù)n+144可移動(dòng)板位移(LnL0) /mm49.27448.6

11、57波長=2(Ln-L0)/n /mm32.84932.438波長平均值=(1+2+3)/3 /mm32.644實(shí)驗(yàn)中，固態(tài)信號發(fā)生器發(fā)射的電磁波為頻率為9.37GHz的微波，故波長的理論值應(yīng)為=c/f =32.017mm實(shí)驗(yàn)測量值與理論值基本一致，相對誤差約為1.96%。2）電磁波的反射入射角120°30°40°50°60°70°80°反射角'121°33°43°49°60°68°83°入射場強(qiáng)E1（A）63.063.063.063.063.06

12、3.063.0反射場強(qiáng)E'1（A）59.058.759.060.061.061.085.06.誤差分析及討論1）自由空間電磁波參量的測量對于電磁波波長的測量結(jié)果與理論值符合較好，相對誤差在2%以下，除偶然因素外，主要的誤差應(yīng)該是有干涉過程中兩列波沒有完全相干造成的。由于相干的不完全，導(dǎo)致波強(qiáng)的最小值對應(yīng)的L不是一個(gè)精確的點(diǎn)，此距離可在一定范圍內(nèi)變化，造成了測量的誤差。而相干不完全的主要原因則有以下兩點(diǎn)：第一，由于本實(shí)驗(yàn)中對于光路的調(diào)節(jié)相對比較粗糙，精確度不足，可能導(dǎo)致兩束相干波不完全平行；第二，本實(shí)驗(yàn)中使用的波源所發(fā)射的電磁波并不是平面波，且實(shí)驗(yàn)中干涉儀的臂長相對于電磁波的波長而言也無法構(gòu)成遠(yuǎn)場條件。2）電磁波的反射對于反射定律驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)相對而言有著較大的誤差，特別是當(dāng)電磁波以大角度入射時(shí)（例如當(dāng)入射角為80°時(shí)），反射場強(qiáng)甚至超過了入射場強(qiáng)。造成這些誤差的主要原因也是由于實(shí)驗(yàn)中所使用的固態(tài)信號發(fā)生器所發(fā)射的電磁波并不是平面波，而反射定律是只對于平面波才成立的。本實(shí)驗(yàn)中電磁波的傳播實(shí)際上是一個(gè)更為復(fù)雜的問題，當(dāng)入射波