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 入，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:反射板固態(tài)信號(hào)源所產(chǎn)生的

2、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幾，再由關(guān)(1)系式vMf =- k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Pro、Pri、Pr2和尺3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)板是一30X30(mm)2的玻璃板，它對電磁波進(jìn)行反射、折射后，可實(shí)現(xiàn)相干波測試。0、L1n圖2實(shí)驗(yàn)示意圖當(dāng)入射波以入射角a向介質(zhì)板斜投射時(shí)，在分界面上產(chǎn)生反射波E訝口 折射波E-。設(shè)入射波為垂直極化波，用R表示介質(zhì)板的反射系數(shù)，用T分別表示由空氣進(jìn)入介質(zhì)板

3、再進(jìn)入空氣后的折射系數(shù)，R與T為復(fù) 數(shù)。另外固定的和可動(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:eJeH分析時(shí)I為在喇叭天線Pro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E與反射場E-可表示為:Ei+=RE0exp(jkl，占E廠=RE0exp jk(l -2JE2+=TE0exp(jkl 応2 E2=hE0 exp jk(l 2L2)7它們在接收喇叭Pr3處的場為:(5)(6)Ei-=hRE0exp jk(l -2Li)：E-RTE0exp

4、 jk(l -21_2)由于它們同頻同極化，它們相干合成的場可寫為E =E廠+ Er = TRE0exp jk(L3 -2LJ RTE0 exp jki -21_2) =JRE0exp(jkL3 )ex9(-212! )+exp(2jkL2 =A 1 +exp(j2k兇)其中A=hRE0exp(-jkL3xp(jk2Li ) 兇=L2 -Li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E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A值，一般采用Pr3為零指示辦法。由（6）式 可發(fā)現(xiàn)，合成波中當(dāng)exp j2

5、k兇=1時(shí)，Pr3處的場為零。實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定L0, Li, l3 ,移動(dòng)l2，使得Pr3處的場為零。這時(shí)可得條件exp j 2k 心I = -14二2kiln =(2 門+沖或L2n-L1=(2n+1 k4不難發(fā)現(xiàn)相鄰兩個(gè)零值的L2n與L2嚴(yán)之間的間距為專，從而達(dá)到測量目的。2i +1n =0, L20 L1 =Z42(i +1)+1,n =1, L2 L-i =Z4得第一個(gè)零點(diǎn)位置L20得第二個(gè)零點(diǎn)位置L21n=N, L2nLi= 扎4得第N+1個(gè)零點(diǎn)位置L2N4。根據(jù):可見，當(dāng)零點(diǎn)總數(shù)為（N+1）時(shí)，Pr2上移動(dòng)的總距離為（L2N-L20）,它相當(dāng) 于 N 個(gè)半波長數(shù)。即：2（L2N-L20

6、）=Nk，故：A = 2（L2NL20）N就可得到所測電磁波的參量 從k、v等值?？梢姕y試波長入所用公式 得出的是平均值。從理論上講，n值越大，測出的入值精度應(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-2(L24 L20)A =它表示了 5個(gè)波節(jié)點(diǎn)的距離（L24-L20 ），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）

7、。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fo （即改變）。由以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，得到相應(yīng)的電磁波參量 扎k, v，并與,ko, Vo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fo上工作，故V及k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)（n +1）可動(dòng)板總位移兇=ln -Io自由空間中波長A = 2岀n波的相位常數(shù)k=2兀A波的相速度丑k5. 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)，相關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論（對實(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

8、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)對人體造成任何傷害。但是，在實(shí)驗(yàn)期間，請 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)90，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

9、測試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

10、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,分別研究波的極化一一線極化波、圓極化波和橢圓極化波的特性。-R介質(zhì)圓波導(dǎo)ErTE110EnEt圓喇叭nErEtEn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)TEio波經(jīng)方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到圓波導(dǎo)口面時(shí)則過渡為TEii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)分量的波相位差90，適當(dāng)調(diào)整介

11、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TEio的EY波過渡到TEii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,Vc =Vn Vt =Vc/J，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 和 EnEt波的相位90，這就實(shí)現(xiàn)了圓極化波相位條件的要求；為使 的幅度相等，可使介質(zhì)片的n方向跟丫軸之間夾角為 = 45，若介質(zhì)片的損耗略去不計(jì)，則有Etm=Enm=$Erm，實(shí)現(xiàn)了圓極化波幅度條件 的要求（有時(shí)需稍偏離45以實(shí)現(xiàn)幅度相位的要求）。AA為了確定圓極化波右旋、左旋的特性，把 n轉(zhuǎn)到丫方向符合右

12、手AA螺旋規(guī)則的波，定為右旋圓極化波；把 n轉(zhuǎn)到丫方向符合左手螺旋規(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A波工作使用。當(dāng)作線極化波工作時(shí)，介質(zhì)片門與丫軸相垂直（或平行）。A-當(dāng)作橢圓極化波工作時(shí)，介質(zhì)片 門與丫夾角可在a =0-45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，相位差匹。2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n方向跟Y軸之間夾角為45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10測 量一次，讀取微安表上的讀數(shù)，

13、并填入下表，最后算出圓極化波的橢 圓度 e= Jimin/lmax 值。表1圓極化波調(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)（PA）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n方向跟Y軸之間夾角為0或90，就可以得到線極化波。固定圓喇叭，轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭，每隔10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0-45之間，按表3列出記錄表格，最后計(jì)算出橢圓極表3橢圓極化波的調(diào)整與測試數(shù)據(jù)表化波的橢圓度e = Jlmin/lmax值。接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（PA）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?實(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（對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中碰到的一些問題的解釋