南理工電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)大綱及指導(dǎo)說明書

1、“電磁場與電磁波”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)大綱及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一 電磁波參量的測定實(shí)驗(yàn)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(xué) 通信工程系2006年12月實(shí)驗(yàn)一 電磁波參量的測定實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康腶) 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(shí)驗(yàn)內(nèi)容a) 了解并熟悉電磁波綜合測試儀的工作特點(diǎn)、線路結(jié)構(gòu)、使用方法。b) 測量信號(hào)源的工作波長（或頻率）。3. 實(shí)驗(yàn)原理與說明a) 所使用的實(shí)驗(yàn)儀器 分度轉(zhuǎn)臺(tái) 晶體檢波器 可變衰減器 喇叭天線 反射板 固態(tài)信號(hào)源 微安表實(shí)驗(yàn)儀器布置圖如下：

2、圖1 實(shí)驗(yàn)儀器布置圖固態(tài)信號(hào)源所產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)，接收到的信號(hào)經(jīng)晶體檢波器后通過微安表指示。b) 原理本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)反射板和接收喇叭，圖中介質(zhì)板是一的玻璃板，它對(duì)電磁波進(jìn)行反射、折射后，可實(shí)現(xiàn)相干波測試。圖2 實(shí)驗(yàn)示意圖當(dāng)入射波以入射角向介質(zhì)板斜投射時(shí)，在分界面上產(chǎn)生反射波和折射波。設(shè)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(jìn)入介質(zhì)板再進(jìn)入空氣后的折射系數(shù), 與為復(fù)數(shù)。另外固定的和可

3、動(dòng)的金屬反射板的反射系數(shù)均為-1。假設(shè)發(fā)射的平面波為： 分析時(shí)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(diǎn)所在的面之間的距離(有正、負(fù)值之分)，相位參考零點(diǎn)不妨選介質(zhì)板的中心點(diǎn)。忽略介質(zhì)板與金屬板之間的多次作用效應(yīng)，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?cè)诮邮绽萈r3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(shí)，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(diǎn)位置均勻分布，而且使波幅值也有起伏。為了測準(zhǔn)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(dāng)時(shí)，Pr3

4、處的場為零。實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定,移動(dòng)，使得Pr3處的場為零。這時(shí)可得條件不難發(fā)現(xiàn)相鄰兩個(gè)零值的與之間的間距為，從而達(dá)到測量目的。 得第一個(gè)零點(diǎn)位置 得第二個(gè)零點(diǎn)位置 得第N+1個(gè)零點(diǎn)位置可見，當(dāng)零點(diǎn)總數(shù)為時(shí)，上移動(dòng)的總距離為，它相當(dāng)于個(gè)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(yīng)越高。實(shí)際測試時(shí)，一般取n=4已足夠，這時(shí)相應(yīng)于5個(gè)波節(jié)點(diǎn)，所測的波長為它表示了5個(gè)波節(jié)點(diǎn)的距離，相應(yīng)于4個(gè)半波長。實(shí)驗(yàn)步驟a) 了解并熟悉電磁波綜合測試儀的工作特點(diǎn)、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(jìn)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(jì)算出傳播速度c) 用波長計(jì)（或頻率計(jì)）測出信號(hào)源的工作波長（或頻率）。把測試值填入表1中。如采用3cm標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，則可改變信號(hào)源工作頻率（即改變）。由以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，得到相應(yīng)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(hào)源，它已調(diào)定在一個(gè)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(jì))讀數(shù) 微安表零指示次數(shù) 可動(dòng)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(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)步驟（包括使用設(shè)備，實(shí)驗(yàn)框架圖，實(shí)驗(yàn)原理等）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相

6、關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論 （對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中碰到的一些問題的解釋）結(jié)論 （實(shí)驗(yàn)的收獲，或者某些建議等等）6安全說明 在本實(shí)驗(yàn)室中所使用的微波源都在國際安全標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)（10mW/cm2），不會(huì)對(duì)人體造成任何傷害。但是，在實(shí)驗(yàn)期間，請(qǐng)注意以下事項(xiàng):a) 不要用眼睛望任何連接其他設(shè)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(shí)，請(qǐng)關(guān)掉微波信號(hào)源。7. 思考題：用相干波測量自由空間波長時(shí)，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(shí)，能否測準(zhǔn)電磁波波長？為什么？實(shí)驗(yàn)二 電磁波的極化1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯烤€極化、圓極化和橢圓極化電磁波的產(chǎn)生和

7、各自的特點(diǎn)。2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理a) 所使用的實(shí)驗(yàn)儀器固態(tài)信號(hào)源頻率計(jì)衰減器矩形喇叭圓形喇叭檢波器微安表實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 實(shí)驗(yàn)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(hào)源、頻率計(jì)(或波長計(jì))、衰減器及圓形喇叭等組成。固態(tài)信號(hào)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(shí)，空間某點(diǎn)上電場強(qiáng)度矢量E的末端隨時(shí)間變化的軌跡。當(dāng)電場矢量末端總在一直線上周期地變化時(shí)，稱為線極化波；當(dāng)電場矢量末端軌跡是

8、圓或橢圓時(shí)，即電場矢量末端總在圓或橢圓上周期地變化時(shí)，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(gè)同頻率且場矢量相互正交的線極化波組合而成。本實(shí)驗(yàn)利用方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，介質(zhì)圓波導(dǎo)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(dǎo)可做3600旋轉(zhuǎn)，并有刻度指示轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。當(dāng)TE10波經(jīng)方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到圓波導(dǎo)口面時(shí)則過渡為TE11波，并在介質(zhì)圓波導(dǎo)內(nèi)分成兩個(gè)分量的波，即垂直界面片平面的一個(gè)分量和平行介質(zhì)面的一個(gè)分量。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為9370MHz左右使兩個(gè)分

9、量的波相位差900，適當(dāng)調(diào)整介質(zhì)圓波導(dǎo)（亦可轉(zhuǎn)動(dòng)介質(zhì)片）的角度使兩個(gè)分量的幅度相等時(shí)則可得到圓極化波。當(dāng)方圓波導(dǎo)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(dǎo)段內(nèi)分成Et和En兩個(gè)分量的波，因Et和En的速度不同，當(dāng)介質(zhì)片的長度L取得合適時(shí)，使En波的相位超前Et波的相位900，這就實(shí)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(jì)，則有，實(shí)現(xiàn)了圓極化波幅度條件的要求（有時(shí)需稍偏離450以實(shí)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(dāng)作線極化波工作時(shí)，介質(zhì)片與Y軸相垂直（或平行）。當(dāng)作橢圓極化波工作時(shí)，介質(zhì)片與Y夾角可在a=0-450之間。4. 實(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(xiàng)，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(jì)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(dòng)角度微安表讀數(shù)（mA）橢圓度5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告提綱包括以下內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)步驟（包括使用設(shè)備，實(shí)驗(yàn)框架圖，實(shí)驗(yàn)原理等）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論 （對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中碰到的一些問題的解釋）結(jié)論 （實(shí)驗(yàn)的收獲，或者某些建議等等）6 安全說明在本實(shí)驗(yàn)室中所使用的