南理工電磁場與電磁波實驗大綱及指導說明書

1、“電磁場與電磁波”課內(nèi)實驗大綱及實驗指導書實驗一 電磁波參量的測定實驗二 電磁波的極化唐萬春，車文荃 編制陳如山 審定南京理工大學 通信工程系2006年12月實驗一 電磁波參量的測定實驗1. 實驗目的a) 觀察電磁波的傳播特性。b) 通過測定自由空間中電磁波的波長l，來確定電磁波傳播的相位常數(shù)k和傳播速度v。c) 了解用相干波的原理測量波長的方法。2. 實驗內(nèi)容a) 了解并熟悉電磁波綜合測試儀的工作特點、線路結(jié)構(gòu)、使用方法。b) 測量信號源的工作波長（或頻率）。3. 實驗原理與說明a) 所使用的實驗儀器 分度轉(zhuǎn)臺 晶體檢波器 可變衰減器 喇叭天線 反射板 固態(tài)信號源 微安表實驗儀器布置圖如下：

2、圖1 實驗儀器布置圖固態(tài)信號源所產(chǎn)生的信號經(jīng)可變衰減器至矩形喇叭天線，在接收端用矩形喇叭天線接收信號，接收到的信號經(jīng)晶體檢波器后通過微安表指示。b) 原理本實驗利用相干波原理，通過測得的電磁波的波長l， 再由關(guān)系式 得到電磁波的主要參量k，v等。實驗示意圖如圖2所示。圖中、和分別表示輻射喇叭、固定反射板、可動反射板和接收喇叭，圖中介質(zhì)板是一的玻璃板，它對電磁波進行反射、折射后，可實現(xiàn)相干波測試。圖2 實驗示意圖當入射波以入射角向介質(zhì)板斜投射時，在分界面上產(chǎn)生反射波和折射波。設入射波為垂直極化波，用表示介質(zhì)板的反射系數(shù)，用分別表示由空氣進入介質(zhì)板再進入空氣后的折射系數(shù), 與為復數(shù)。另外固定的和可

3、動的金屬反射板的反射系數(shù)均為-1。假設發(fā)射的平面波為： 分析時為在喇叭天線Pr0發(fā)射的波的傳播方向上與相位參考零點所在的面之間的距離(有正、負值之分)，相位參考零點不妨選介質(zhì)板的中心點。忽略介質(zhì)板與金屬板之間的多次作用效應，則在反射板1與反射板2處的入射場與反射場可表示為： 它們在接收喇叭Pr3處的場為： 由于它們同頻同極化，它們相干合成的場可寫為 其中 上述過程可以用圖3來示意。圖3 波形圖測量時，由于被測場處于測試結(jié)構(gòu)的近區(qū)場范圍內(nèi)，不完全滿足理想平面波的特性，這不僅影響著零點位置均勻分布，而且使波幅值也有起伏。為了測準波長l值，一般采用Pr3為零指示辦法。由式可發(fā)現(xiàn)，合成波中當時，Pr3

4、處的場為零。實驗時，固定,移動，使得Pr3處的場為零。這時可得條件不難發(fā)現(xiàn)相鄰兩個零值的與之間的間距為，從而達到測量目的。 得第一個零點位置 得第二個零點位置 得第N+1個零點位置可見，當零點總數(shù)為時，上移動的總距離為，它相當于個半波長數(shù)。即： ，故： 。根據(jù)：就可得到所測電磁波的參量l、k、v等值?？梢姕y試波長l所用公式得出的是平均值。從理論上講，n值越大，測出的l值精度應越高。實際測試時，一般取n=4已足夠，這時相應于5個波節(jié)點，所測的波長為它表示了5個波節(jié)點的距離，相應于4個半波長。實驗步驟a) 了解并熟悉電磁波綜合測試儀的工作特點、線路結(jié)構(gòu)、使用方法。b) 測量電磁波的波長。首先調(diào)整好

5、電磁波綜合測試儀使能進行正常工作。然后測出電磁波的波長，根據(jù)測出的值，得到電磁波的重要參量k，由k值可計算出傳播速度c) 用波長計（或頻率計）測出信號源的工作波長（或頻率）。把測試值填入表1中。如采用3cm標準信號源，則可改變信號源工作頻率（即改變）。由以上實驗內(nèi)容，得到相應的電磁波參量，并與作比較（如使用該儀器本身的固態(tài)信號源，它已調(diào)定在一個固定頻率上工作，故及不能改變）。表1 電磁波參量測試數(shù)據(jù)表波長表(頻率計)讀數(shù) 微安表零指示次數(shù) 可動板總位移 自由空間中波長 波的相位常數(shù) 波的相速度 5. 實驗報告實驗名稱實驗目的實驗步驟（包括使用設備，實驗框架圖，實驗原理等）實驗結(jié)果（實驗數(shù)據(jù)，相

6、關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論 （對實驗結(jié)果和實驗中碰到的一些問題的解釋）結(jié)論 （實驗的收獲，或者某些建議等等）6安全說明 在本實驗室中所使用的微波源都在國際安全標準以內(nèi)（10mW/cm2），不會對人體造成任何傷害。但是，在實驗期間，請注意以下事項:a) 不要用眼睛望任何連接其他設備的開路傳輸線里面看;b) 不要把身體的任何部位放在傳輸線的開口端;c) 在拆/裝微波元器件時，請關(guān)掉微波信號源。7. 思考題：用相干波測量自由空間波長時，介質(zhì)板所放位置，為什么必須如圖1所示。若把介質(zhì)板轉(zhuǎn)，將發(fā)生何種現(xiàn)象？這時，能否測準電磁波波長？為什么？實驗二 電磁波的極化1 實驗目的研究線極化、圓極化和橢圓極化電磁波的產(chǎn)生和

7、各自的特點。2 實驗內(nèi)容a) 圓極化波的調(diào)整與測試b) 線極化波的調(diào)整與測試c) 橢圓極化波的調(diào)整與測試3 實驗原理a) 所使用的實驗儀器固態(tài)信號源頻率計衰減器矩形喇叭圓形喇叭檢波器微安表實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 實驗系統(tǒng)框圖電磁波綜合測試儀中輻射喇叭（3cm波段）支路由固態(tài)信號源、頻率計(或波長計)、衰減器及圓形喇叭等組成。固態(tài)信號源的工作頻率f=9370MHz左右，接收喇叭支路由矩形喇叭、檢波器、微安表等組成。b) 原理電磁波極化是指電磁波在無限大均勻媒質(zhì)中傳播時，空間某點上電場強度矢量E的末端隨時間變化的軌跡。當電場矢量末端總在一直線上周期地變化時，稱為線極化波；當電場矢量末端軌跡是

8、圓或橢圓時，即電場矢量末端總在圓或橢圓上周期地變化時，稱為圓極化波或橢圓極化波。無論是線極化波，左、右旋圓極化波，左、右旋橢圓極化波，都可由兩個同頻率且場矢量相互正交的線極化波組合而成。本實驗利用方圓波導轉(zhuǎn)換，介質(zhì)圓波導和圓錐喇叭連接而成的電磁波極化天線，分別研究波的極化線極化波、圓極化波和橢圓極化波的特性。圖2 圓極化波輻射裝置圖2所示為圓極化波輻射裝置，其中介質(zhì)圓波導可做3600旋轉(zhuǎn)，并有刻度指示轉(zhuǎn)動的角度。當TE10波經(jīng)方圓波導轉(zhuǎn)換到圓波導口面時則過渡為TE11波，并在介質(zhì)圓波導內(nèi)分成兩個分量的波，即垂直界面片平面的一個分量和平行介質(zhì)面的一個分量。實驗裝置設計為9370MHz左右使兩個分

9、量的波相位差900，適當調(diào)整介質(zhì)圓波導（亦可轉(zhuǎn)動介質(zhì)片）的角度使兩個分量的幅度相等時則可得到圓極化波。當方圓波導使TE10的EY波過渡到TE11成為RP波后，在裝有介質(zhì)片的圓波導段內(nèi)分成Et和En兩個分量的波，因Et和En的速度不同，當介質(zhì)片的長度L取得合適時，使En波的相位超前Et波的相位900，這就實現(xiàn)了圓極化波相位條件的要求；為使Et和En的幅度相等，可使介質(zhì)片的方向跟Y軸之間夾角為，若介質(zhì)片的損耗略去不計，則有，實現(xiàn)了圓極化波幅度條件的要求（有時需稍偏離450以實現(xiàn)幅度相位的要求）。為了確定圓極化波右旋、左旋的特性，把轉(zhuǎn)到方向符合右手螺旋規(guī)則的波，定為右旋圓極化波；把轉(zhuǎn)到方向符合左手螺

10、旋規(guī)則的波，定為左旋圓極化波。波極化天線除作為圓極化波工作外，也可作線極化波，橢圓極化波工作使用。當作線極化波工作時，介質(zhì)片與Y軸相垂直（或平行）。當作橢圓極化波工作時，介質(zhì)片與Y夾角可在a=0-450之間。4. 實驗步驟 a) 圓極化波的調(diào)整與測試根據(jù)圓極化波的條件，兩個同頻率的正交場相干波必須幅度相等，相位差。為此將反射板和介質(zhì)板拿掉，把輻射喇叭換成圓喇叭，轉(zhuǎn)動圓喇叭使介質(zhì)片的方向跟Y軸之間夾角為450左右，然后固定圓喇叭，再把接收喇叭調(diào)整到與圓喇叭成一直線。轉(zhuǎn)動接收喇叭，每隔100測量一次，讀取微安表上的讀數(shù)，并填入下表，最后算出圓極化波的橢圓度值。表1 圓極化波調(diào)整與測試數(shù)據(jù)表接收喇叭

11、轉(zhuǎn)動角度微安表讀數(shù)（mA）橢圓度b) 線極化波的調(diào)整與測試轉(zhuǎn)動圓喇叭使介質(zhì)片的方向跟Y軸之間夾角為00或900，就可以得到線極化波。固定圓喇叭，轉(zhuǎn)動接收喇叭，每隔100測量一次，讀取微安表上的讀數(shù)，并填入下表。表2線極化波的調(diào)整與測試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動角度微安表讀數(shù)（mA）c) 橢圓極化波的調(diào)整與測試調(diào)整與測試橢圓極化波的方法與內(nèi)容同a、b項，要注意的是圓喇叭的轉(zhuǎn)角在0-450之間，按表3列出記錄表格，最后計算出橢圓極化波的橢圓度值。表3橢圓極化波的調(diào)整與測試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動角度微安表讀數(shù)（mA）橢圓度5 實驗報告實驗報告提綱包括以下內(nèi)容：實驗名稱實驗目的實驗步驟（包括使用設備，實驗框架圖，實驗原理等）實驗結(jié)果（實驗數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論 （對實驗結(jié)果和實驗中碰到的一些問題的解釋）結(jié)論 （實驗的收獲，或者某些建議等等）6 安全說明在本實驗室中所使用的