《電磁場與電磁波》實驗指導(dǎo)書

1、北方民族大學(xué)beifang university of nationalities電磁場與電磁波實驗指導(dǎo)書主編 趙霞校對楚栓成北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院二。一五年八月電磁場與電磁波實驗系統(tǒng)介紹 3實驗一 電磁波參量的測量 6實驗二電磁波的極化特性 8實驗三電磁波反射與折射 11電磁場與電磁波實驗系統(tǒng)簡介一、概述dh 9 2 6 b型微波分光儀可作為電磁場與波的波動實驗，適合于高等院校和中等專業(yè)學(xué)校作教學(xué)實驗。因此，電磁場與電磁波 實驗系統(tǒng)就采用了現(xiàn)已經(jīng)有的dh 9 2 6b型微波分光儀作為本課程的實驗系統(tǒng)。二、實驗系統(tǒng)簡介:本實驗系統(tǒng)主要由dh 9 2 6b型微波分光儀和 dh1121b 3

2、cm固態(tài)信號源組成。1 .微波分光儀(如圖一所示)圖一微波分光儀(1)微波分光儀成套配置序號名稱數(shù)量序號名稱數(shù)量1分度轉(zhuǎn)臺19雙縫板12喇叭天線210半透射板13可受衰減器111模擬晶體(模擬晶體及支架)114晶體檢波器112讀數(shù)機構(gòu)15檢波指示器113支座16視頻電纜及微安表114支柱17反射板215模片18單縫板1(2)主要元件性能喇叭天線的增益大約是 20分貝，波瓣的理論半功率點寬度大約為：h面是200, e面是160。當(dāng)發(fā)射喇叭口面的寬邊與水平面平行時，發(fā)射信號電矢量的偏損方向是垂直的?？勺兯p器用來改變微波信號幅度的大小，衰減器的度盤指示越大，對微波信號的衰減 也越大。晶體檢波器可將

3、微波信號變成直流信號或低頻信號（當(dāng)微波信號幅度用低頻信號調(diào)制時） 。當(dāng)以上這些元件連接時，各波導(dǎo)端應(yīng)對齊。如果連接不正確，則信號傳輸可能受破壞。（ 3）安裝與調(diào)整（參照圖一所示）本儀器為了便于運輸、包裝，出廠包裝時將分度轉(zhuǎn)臺做了必要的拆卸，用戶在使用前需做如下安裝與調(diào)整?；磭娖岬拇髨A盤）的安裝：將40.5的孔向上，將四個支腳按圖安置在基座上。固定臂的安裝：在包裝箱中有固定臂取出，將固定臂頭部的 4 個 m5 螺釘通過基座（即噴漆的大圓盤） 。四 個沉孔擰入固定臂上并將指針擺正。活動臂的安裝：將噴漆的大圓盤上的兩個m3螺釘松開后，將活動臂上的三個m4螺釘擰緊，再把兩個m3螺釘擰緊，使活動臂

4、能自由旋轉(zhuǎn)。擰緊大頭螺釘即可使活動臂固緊，松開大頭螺釘即可使活動臂自 由旋轉(zhuǎn)。鋁制支柱的安裝：包裝箱內(nèi)有四根不同長度的鋁制支柱，將其中最長的一根旋入固定臂螺孔中。次長的一根旋入活動臂（即可水平擺動的臂）螺孔中。次短的一根在做麥克爾遜干涉實驗時再旋入基座的螺孔中，實驗完成后隨時取下。最短的一根旋入讀數(shù)機構(gòu)中的滑行螺母上的螺孔中。發(fā)射和接收喇叭天線的安裝：將發(fā)射喇叭天線通過上面的10鋼柱插入旋在固定臂上的鋁制支柱的10孔中，并大致使喇叭天線口對正工作平臺中心（既刻有00180000的圓盤）然后將鋁制支柱上的大頭螺釘擰緊。將固態(tài)信號源的振蕩器（帶隔離器）用 m4 x 8的螺釘固定在喇叭天線的短波導(dǎo)段

5、上。接收喇叭天線用4個m4x8的螺釘將檢波器固定在一個可旋繞天線軸線旋轉(zhuǎn)的波導(dǎo)段上。（可變衰減器的安裝可根據(jù)用戶的使用習(xí)慣， 將其接在發(fā)射喇叭天線和振蕩器之間或接收喇叭天線與檢波器之間。）連接好后，通過波導(dǎo)段上的10鋼柱插入活動臂上鋁制支柱的10孔中，并大致使喇叭口對正工作平臺中心，擰緊大頭螺釘。將微安表用它支架上的大頭螺釘裝在活動臂m4 螺孔中，視頻電纜的兩端分別接在檢波器插座上，和微安表背面的接線柱上。整機機械調(diào)整：首先旋轉(zhuǎn)工作平臺使00 刻線與固定臂上指針對正，再轉(zhuǎn)動活動臂使活動臂上的指針對正在工作平臺 180 0 刻線上，然后將安裝在基座上的滾花螺釘擰緊，使活動臂不易自動擺動（即鎖 緊

6、） 。用一根細(xì)線繩，拉緊在發(fā)射，接收兩個喇叭天線之間，先使喇叭天線上刻的短刻線（每個 喇叭上和法蘭上都有刻線） 成一直線。 這可以細(xì)繩為準(zhǔn)繩， 通過水平轉(zhuǎn)動兩個天線的角度來實現(xiàn)。 然后，用一塊反射板（本儀器所帶的成套件）或一塊大三角板垂直放在工作平臺上，并使垂足通 過工作平臺中心。此時，著細(xì)線是否正與反射板或三角板垂直平臺平面的一邊正好靠上（允許誤 差上2mm） 。如不符合規(guī)定要求，可重新調(diào)整固定臂的安裝角度和指針，也可稍微擺動活動臂，使細(xì)線正與垂邊靠上，然后調(diào)整活動臂上的指針位置，使其正指180 0。2 . dh1121b 3cm固態(tài)信號源dh1121b型三厘米固態(tài)信號源是一種使用體效應(yīng)管做

7、振蕩源的微波信號源（如圖二所示），它能長期工作、耗電少、體積緊湊、功率輸出較大、價格低廉、能輸出等幅信號及方波調(diào)制信號， 適合于實驗室、工廠、教學(xué)及工業(yè)檢測等場合使用。圖二儀器的外形（1） 主要技術(shù)特性頻率范圍：8.69.6ghz頻率穩(wěn)定度：在等幅工作狀態(tài)下（儀器預(yù)熱30分鐘后）；5x 10-4/15min在等幅工作狀態(tài)下，電源電壓變化土10%頻率變化5x10-4功率輸出（等幅工作狀態(tài)）：不小于20mw工作方式：等幅波輸出形式：波導(dǎo)型號 bj-100；法蘭盤型號fb-100使用條件：環(huán)境溫度 0c40c；相對濕度2090%連續(xù)工作時間：8h功率消耗：儀器滿負(fù)荷時最大功耗不大于25va電源電壓：

8、交流 220v 10%,50hz（2）工作原理dh1121b型三厘米固態(tài)信號源由振蕩器、隔離器和主機組成。體效應(yīng)管裝在工作于te10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，使微波輸出的頻率和功率更加穩(wěn)定。通過儀器面板上的按鍵可方便地選擇振蕩器的工作方式為連續(xù)波或方波調(diào)制。三位半數(shù)字表實時顯示振蕩器的工作電壓和電流。儀器使用集成穩(wěn)壓電源供電，具有過壓過流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠。振蕩器/隔離器單元與主機通過快速航空插頭相

9、連。振蕩器/隔離器單元可單獨與用戶系統(tǒng)連接，使用方便靈活。（3）使用說明開機前，先不要將固態(tài)源振蕩器連線插入主機的“輸出”插座。按下“電源”按鍵，此時數(shù)字表應(yīng)發(fā)亮，“工作狀態(tài)”按鍵在“等輻”狀態(tài)時，在電壓指示狀態(tài)下，電表應(yīng)指示12v左右，再按下電流指示，指示應(yīng)接近零，此時證明電源是正常的。為防止意外，應(yīng)關(guān)閉電源，再將固態(tài)源振蕩器的連線插入電源機箱的“輸出”插座內(nèi)，然后按下“電源”按鍵固態(tài)源便開始振蕩，微波能量從波導(dǎo)口輸出。調(diào)節(jié)測微頭可改變振蕩器的輸出頻率，用測微頭讀數(shù)可簡易確定振蕩器的頻率，（用”頻率一測微器刻度對照表”）。如用戶希望精確確定振蕩器的頻率，請外接頻率計或波長計確定振 蕩器的頻率

10、。按下“方波”鍵，固態(tài)源的輸出接晶體檢波器，用示波器觀察晶體檢波器的輸出波形。如輸出波形不滿意，可以用改錐調(diào)節(jié)面板上的微調(diào)至方波輸出波形滿意為止。（方波輸出波形出廠時已調(diào)好）實驗一電磁波參量的測量(綜合性實驗)、實驗?zāi)康?1)掌握電磁波的波長、頻率、相位常數(shù)等參量及意義。(2)熟悉電磁波各參量的相互關(guān)系。(3)學(xué)會電磁波波長的測量。、實驗儀器與器材1 . dh926b型微波分光儀2 套2 . dh1121b 3cm固態(tài)信號源1臺3 .固定反射板1個4 .可移反射板1個三、實驗基本原理及電路本實驗主要是利用dh926b微波分光儀和dh1121b 3cn態(tài)信號源實驗系統(tǒng)采 用邁克爾遜干涉實驗的實驗

11、的方法進(jìn)行電磁波的波長測量。邁克爾遜干涉實驗的基本原理見圖一，在平面波前進(jìn)的方向上放置成450的半透射板。由于該板的作用，將入射波分成兩束波，一束向 a方向傳播，另一束向b方向 傳播。由于a、b處全反射板的作用，兩列波就再次回到半透射板并到達(dá)接收喇叭處。 于是接收喇叭收到兩束同頻率，振動方向一致的兩個波。如果這兩個波的位相差為2冗的整數(shù)倍。則干涉加強；當(dāng)位相差為冗的奇數(shù)倍則干涉減弱。因此在a處放一固定 板，讓b處的反射板移動，當(dāng)表頭指示從一次極小變到又一次極小時，則 b處的反 射板就移動入/2的距離.因此有這個距離就可求得平面波的波長。圖一邁克爾遜干涉實驗四、實驗內(nèi)容及步驟內(nèi)容：1 .組建邁克

12、爾遜干涉實驗系統(tǒng)。2 .認(rèn)知實驗系統(tǒng)中的各波導(dǎo)元件及功能特點。3 .熟悉固態(tài)信號源的使用方法。4 .用邁克爾遜干涉的實驗方法測量電磁波的波長。步驟：1、組建邁克爾遜干涉實驗系統(tǒng)。實驗儀器布置如圖二；使兩喇叭口面互成900半透射板與兩喇叭軸線互成45,將讀數(shù)機構(gòu)通過它本身上帶有的兩個螺釘旋入底座 上，使其固定在底座上，再插上反射扳，使固定反射板的法線與接受喇叭的軸線一致， 可移反射板的法錢與發(fā)射喇叭軸線一致。圖二 邁克爾遜干涉實驗的儀器布置2、在實驗時。將可移反射板移到讀致機構(gòu)的一端，在此附近測出一個極小的位 置，然后旋轉(zhuǎn)讀數(shù)機構(gòu)上的手柄使反射扳移動，從表頭上測出（n+1）個極小值，并 同時從讀

13、數(shù)機構(gòu)上得到相應(yīng)的位移讀數(shù)，從而求得可移反射板的移動距離l。則波長2l 兒= n信號源工作波長32mmn+112345位移讀數(shù)5個點的計算波長入14個點的計算波長入2自由空間的波長入=（入1+入2）/2波的相位常數(shù)p波速v五、實驗要求1 .熟悉實驗電路，了解實驗過程及測試方法。2 .自制測試表格，觀測電流表的變化和數(shù)值，讀取讀數(shù)機構(gòu)的位移讀數(shù)，并填 寫記錄表。3 .整理實驗數(shù)據(jù)，并計算波長。4 .分析實測波長與理論波長的誤差原因。六、實驗思考題1 .實驗中的極大值和極小值是否反映了電磁波的駐波情況，為什么？2 .在實驗系統(tǒng)中，a點和b點處發(fā)生了什么現(xiàn)象？為什么？實驗二電磁波的極化特性(綜合性實

14、驗)、實驗?zāi)康?1)熟悉電磁波的極化的概念。(2)學(xué)會電磁波極化的測試方法。、實驗儀器與器材1. dh926b型微波分光儀22. dh1121b 3cm 固態(tài)信號源23 .固定反射板14 .可移反射板1三、實驗基本原理及電路套臺個套它表征在空間給定點上電場強度矢 e的端點在空間描繪出的軌跡來表電磁波的極化是電磁理論中的一個重要概念, 量的取向隨時間變化的特性，并用電場強度矢量 示。由其軌跡方式可得電磁波的極化方式有三種：線極化、圓極化、橢圓極化。極化波都可看成由兩個同頻率的直線極化波在空間合成 ，如圖所示，兩線極化波沿正 z方 向傳播，一個的極化取向在 x方向，另一個的極化取向在 y方向。若x

15、在水平方向， y在垂直方向，這兩個波就分別為水平極化波和垂直極化波。若：水平極化波 ex=exm sin(wt-kz)垂直極化波 ey=eym sin(wt-kz+ 6 )其中exm eym分別是水平極化波和垂直極化波的振幅，6是ey超前ex的相角(水平極化波取為參考相面)。取z=0的平面分析，有ex=exm sin(wt)ey=eym sin(wt+ 6)aex2-bexey +cey 2=1式中a、b、c為水平極化波和垂直極化波的振幅 exm eymffi相角6有關(guān)的常數(shù)。此 式是個一般化橢圓方程，它表明由ex、ey合成的電場矢量終端畫出的軌跡是一個橢圓。所以：1、當(dāng)兩個線極化波同相或反相

16、時，其合成波是一個線極化波；2、當(dāng)兩個線極化波相位差為ji/2時，其合成波是一個橢圓極化波；3當(dāng)兩個線極化波振幅相等，相位相差ji/2時，其合成波是一個圓極化波。實驗一所設(shè)計的半波振子接收（發(fā)射）的波為線極化波，而最常用的接收（發(fā)射） 圓極化波或橢圓極化波的天線即為螺旋天線。實際上一般螺旋天線在軸線方向不一定 產(chǎn)生圓極化波，而是橢圓極化波。當(dāng)單位長度的螺圈數(shù) n很大時，發(fā)射（接收）的波 可看作是圓極化波。極化波的一個需要重視的地方是極化的旋轉(zhuǎn)方向問題。一般規(guī)定：面對電波傳播的方向（無論是發(fā)射或接收），電場沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的波稱為右旋圓極化波，反時 針方向旋轉(zhuǎn)的波稱為左旋圓極化波。右旋螺旋天線只

17、能發(fā)射或接收右旋圓極化波，左 旋螺旋天線只能發(fā)射或接收左旋圓極化波。 判斷方法：沿著天線輻射方向，當(dāng)天線的 繞向符合右手螺旋定則時，為右旋圓極化，反之為左旋圓極化。四、實驗內(nèi)容及步驟內(nèi)容：1 .組建電磁波極化實驗系統(tǒng)。2 .熟悉固態(tài)信號源的使用方法。3 .用旋轉(zhuǎn)接收天線的角度的方法驗證極化方式和極化匹配。步驟：1、實驗儀器布置如圖一所示。圖一 電磁波極化實驗的儀器布置2、兩喇叭口面互相平行，并與地面垂直，其軸線在一條直線上。3、由于接收喇叭是和一段旋轉(zhuǎn)短波導(dǎo)連在一起的； 在旋轉(zhuǎn)短波導(dǎo)的軸承環(huán)的900 范圍內(nèi)，每隔50有一刻度，所以接收喇叭的轉(zhuǎn)角可以從此處讀到。因此轉(zhuǎn)動接收喇 叭，就可以得到轉(zhuǎn)角

18、與微安表頭指示的一組數(shù)據(jù)。并可與馬呂斯定律進(jìn)行比較。接收喇叭 旋轉(zhuǎn)角度-90 0-80 0-70 0-60 0-50 0-40 0-30 0-20 0-10000微安表 讀數(shù)（wa）接收喇叭 旋轉(zhuǎn)角度100200300400500600700800900微安表 讀數(shù)（科a4、做實驗時為了避免小平臺的影響，可以松開平臺中心三個十字槽螺釘，把工作臺取下。做實驗時還要盡量減少周圍環(huán)境的影響。五、實驗要求1、按照標(biāo)準(zhǔn)實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。2、依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，作方格紙繪制極化圖。3、分析實驗結(jié)果，討論電磁波的極化形式。六、實驗思考題1. 如果把矩形喇叭發(fā)射天線旋轉(zhuǎn)900，實驗結(jié)果又會是怎樣？2

19、. 矩形喇叭天線的電場方向是怎樣的？3. 如果把矩形喇叭天線換成圓形喇叭天線，實驗結(jié)果又是怎樣的？實驗三電磁波反射與折射（綜合性實驗）一、實驗?zāi)康模?）熟悉電磁波的反射與折射的特性。（2）學(xué)會反射波與折射波的測試。二、實驗儀器與器材1. dh926b型微波分光儀2 套2. dh1121b 3cm 固態(tài)信號源2 臺3. 測試用介質(zhì)板、金屬板。各1塊三、實驗基本原理及電路反射與折射實驗。電磁波在傳播過程中如遇到障礙物，必定要發(fā)生反射，本處以一塊大的金屬板作為障礙物來研究當(dāng)電波以某一入射角投射到此金屬板上所遵循的反射定律，即反射線在入射線和通過入射點的法線所決定的平面上，反射線和入射線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角。當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，它的傳播方向總要發(fā)生改變產(chǎn)生所謂折 射。本實驗是以一塊大的介質(zhì)板作為障礙物來研究當(dāng)電波以某一入射角投射到此介質(zhì) 板上所遵循的折射定律。四、實驗內(nèi)容及步驟實驗思路（內(nèi)容）：1 .用金屬板觀測電磁波的反射情況。2 .用介質(zhì)板觀測電磁波的反射和折射情況。步驟：1 .組裝實驗系統(tǒng)。（儀器布置如圖一）圖一反射實驗儀器的布置2 .儀器連接時，兩喇叭口面應(yīng)互相正對，它們各自的軸線應(yīng)在一條直線上。3 .指示兩喇叭位置的指針分別指于工作平臺的900刻度處，