電磁場及電磁波實驗指導(dǎo)書

1、電磁場與電磁波實驗、學(xué)生必須按時到指定實驗室做實驗，不遲到、不早退，不喧嘩，不亂扔雜物；愛護公物，嚴禁在實驗桌面上亂刻、亂畫。保持實驗室良好的實驗環(huán)境。、實驗前學(xué)生必須對所做的實驗進行充分預(yù)習，并寫出預(yù)習報告。實驗前應(yīng)認真了解所用儀器、設(shè)備、儀表的使用方法與注意事項。在啟動設(shè)備之前，需經(jīng)指導(dǎo)教師檢查認可。、實驗時，要嚴肅認真，正確操作，仔細觀察，真實記錄實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果。實驗中嚴禁違章操作，遇到儀器設(shè)備故障要及時報告，不得自行拆卸。不得做與實驗無關(guān)的事情，不得動與實驗無關(guān)的設(shè)備，不得進入與實驗無關(guān)的場所。、實驗中，如發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備損壞或丟失，應(yīng)及時報告，查明原因。凡屬違反操作規(guī)程導(dǎo)致設(shè)備損壞或自行

2、丟失儀表工具的，要追究責任，照章賠償。5、若發(fā)生事故，不要驚慌，必須立即切斷電源，要保持現(xiàn)場并報告老師，以便查明情況，酌情處理。6、實驗完畢后，要按要求整理好試驗設(shè)備、器材和工具等，關(guān)斷電源。經(jīng)指導(dǎo)教師檢查數(shù)據(jù)并簽字后，方可離開實驗室。、學(xué)生需做開放性實驗時，應(yīng)事先與有關(guān)實驗室（中心）聯(lián)系，報告自己的實驗?zāi)康摹?nèi)容。實驗結(jié)束后應(yīng)整理好實驗現(xiàn)場。、學(xué)生必須認真做好實驗報告，在規(guī)定時間內(nèi)交給指導(dǎo)教師批閱。目 錄實驗一 電磁波感應(yīng)器的設(shè)計與制作實驗二 電磁波傳播特性實驗實驗三 電磁波的極化實驗實驗四 天線方向圖測量實驗實驗一 電磁波感應(yīng)器的設(shè)計與制作一、預(yù)習要求1、什么是法拉第電磁感應(yīng)定律？2、什么

3、是電偶極子？3、了解線天線基本結(jié)構(gòu)及其特性。二、實驗?zāi)康?、認識時變電磁場，理解電磁感應(yīng)的原理和作用。2、通過電磁感應(yīng)裝置的設(shè)計，初步了解天線的特性及基本結(jié)構(gòu)。3、理解電磁波輻射原理。三、實驗原理隨時間變化的電場要在空間產(chǎn)生磁場，同樣，隨時間變化的磁場也要在空間產(chǎn)生電場。電場和磁場構(gòu)成了統(tǒng)一的電磁場的兩個不可分割的部分。能夠輻射電磁波的裝置稱為天線，用功率信號發(fā)生器作為發(fā)射源，通過發(fā)射天線產(chǎn)生電磁波。 圖1 電磁感應(yīng)裝置如果將另一付天線置于電磁波中，就能在天線體上感生高頻電流，我們可以稱之為接收天線，接收天線離發(fā)射天線越近，電磁波功率越強，感應(yīng)電動勢越大。如果用小功率的白熾燈泡接入天線饋電點，

4、能量足夠時就可使白熾燈發(fā)光。接收天線和白熾燈構(gòu)成一個完整的電磁感應(yīng)裝置，如圖1所示。電偶極子是一種基本的輻射單元，它是一段長度遠小于波長的直線電流元，線上的電流均勻同相，一個作時諧振蕩的電流元可以輻射電磁波，故又稱為元天線，元天線是最基本的天線。電磁感應(yīng)裝置的接收天線可采用多種天線形式，相對而言性能優(yōu)良，但又容易制作，成本低廉的有半波天線、環(huán)形天線、螺旋天線等，如圖2所示。圖2 接收天線本實驗重點介紹其中的一種半波天線。半波天線又稱半波振子，是對稱天線的一種最簡單的模式。對稱天線（或稱對稱振子）可以看成是由一段末端開路的雙線傳輸線形成的。這種天線是最通用的天線型式之一，又稱為偶極子天線。而半波

5、天線是對稱天線中應(yīng)用最為廣泛的一種天線，它具有結(jié)構(gòu)簡單和饋電方便等優(yōu)點。半波振子因其一臂長度為，全長為半波長而得名。其輻射場可由兩根單線駐波天線的輻射場相加得到，于是可得半波振子（）的遠區(qū)場強有以下關(guān)系式：式中，為方向性函數(shù)，對稱振子歸一化方向性函數(shù)為： 其中是的最大值。由上式可畫出半波振子的方向圖如圖3所示。圖3 半波振子的方向圖半波振子方向函數(shù)與無關(guān)，故在H面上的方向圖是以振子為中心的一個圓，即為全方向性的方向圖。在E面的方向圖為8字形，最大輻射方向為，且只要一臂長度不超過，輻射的最大值始終在方向上；若繼續(xù)增大L，輻射的最大方向?qū)⑵x方向。四、實驗內(nèi)容與步驟1、打開功率信號發(fā)生器電源開關(guān)，

6、Signal燈亮，機器工作正常，按下Tx按鈕，觀察功率指示表有一定偏轉(zhuǎn)，此時Standby燈亮，說明發(fā)射正常。2、用金屬絲制作天線體，用螺絲固定于感應(yīng)燈板（或電流表檢波板）兩端，并安放到測試支架上，調(diào)節(jié)感應(yīng)板的角度，使其與發(fā)射天線的極化方向一致。調(diào)節(jié)測試支架滑塊到最右端，按下功率信號發(fā)生器上Tx按鈕，同時移動測試支架滑塊，靠近發(fā)射天線，直到小燈剛剛發(fā)光時，記錄下滑塊與發(fā)射天線的距離。3、改變天線振子的長度，重復(fù)上面過程，記錄數(shù)據(jù)。4、選用其它天線形式制作感應(yīng)器，重復(fù)上面過程，記錄數(shù)據(jù)。次數(shù)天線形式天線長度接收距離1234五、注意事項1、按下Tx按鈕時，若Alarm紅色告警燈亮，應(yīng)立即停止發(fā)射，

7、檢查電纜線與發(fā)射天線接口是否旋緊，其余接口是否用封閉帽蓋上，Output接口與電纜是否接好，或請老師檢查。否則會損壞機器。2、測試感應(yīng)器時，不能將感應(yīng)燈靠近發(fā)射天線的距離太小，否則會燒毀感應(yīng)燈。（置于20cm以外，或視感應(yīng)燈亮度而定）。3、盡量減少按下Tx按鈕的時間，以免影響其它小組的測試準確性。4、測試時盡量避免人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。六、報告要求1、按照標準實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。2、制作兩種以上天線，觀察接收效果。畫出天線形狀，記錄接收距離。3、對實驗中的現(xiàn)象分析討論。4、提出改進意見及建議。七、接收天線參考形狀實驗二 電磁波傳播特性實驗一、預(yù)習要求1、什么是邁克爾

8、遜干涉原理？它在實驗中有哪些應(yīng)用？2、駐波的產(chǎn)生原理及其特性。二、實驗?zāi)康?、學(xué)習了解電磁波的空間傳播特性。2、通過對電磁波波長、波幅、波節(jié)、駐波的測量，進一步認識和了解電磁波。三、實驗原理變化的電場和磁場在空間的傳播稱為電磁波。幾列不同頻率的電磁波在同一媒質(zhì)中傳播時，幾列波可以保持各自的特點（波長、波幅、頻率、傳播方向等），在同時通過媒質(zhì)時，在幾列波相遇或疊加的區(qū)域內(nèi)，任一點的振動為各個波單獨在該點產(chǎn)生振動的合成。而當兩個頻率相同、振動方向相同、相位差恒定的波源所發(fā)出的波疊加時，在空間總會有一些點振動始終加強，而另一些點振動始終減弱或完全抵消，因而形成干涉現(xiàn)象。干涉是電磁波的一個重要特性，利

9、用干涉原理可對電磁波傳播特性進行很好的探索。而駐波是干涉的特例。在同一媒質(zhì)中兩列振幅相同的相干波，在同一直線上反向傳播時就疊加形成駐波。由發(fā)射天線發(fā)射出的電磁波，在空間傳播過程中可以近似看成均勻平面波。此平面波垂直入射到金屬板，被金屬板反射回來，到達電磁波感應(yīng)器；直射波也可直接到達電磁波感應(yīng)器，這兩列波將形成駐波，兩列電磁波的波程差滿足一定關(guān)系時，在感應(yīng)器位置可以產(chǎn)生波腹或波節(jié)。設(shè)到達電磁感應(yīng)器的兩列平面波的振幅相同，只是因波程不同而有一定的相位差，電場可表示為： 其中是因波程差而造成的相位差。則當相位差時，合成波的振幅最小，的位置為合成波的波節(jié)；相位差時，合成波的振幅最大，的位置為合成波的波

10、腹。實際上到達電磁感應(yīng)器的兩列波的振幅不可能完全相同，故合成波波腹振幅值不是二倍單列波的振幅值，合成波的波節(jié)值也不是恰好為零。根據(jù)以上分析，若固定感應(yīng)器，只移動金屬板，即只改變第二列波的波程，讓駐波得以形成，當合成波振幅最小（波節(jié)）時：當合成波振幅最大（波腹）時：此時合成波振幅最大到合成波振幅最?。úǜ沟讲ü?jié)）的最短波程差為，若此時可動金屬板移動的距離為，則：即： 可見，測得了可動金屬板移動的距離，代入式中便確定電磁波波長。四、實驗內(nèi)容及步驟實驗裝置如圖4所示。 圖4 電磁波教學(xué)綜合實驗儀1、將設(shè)計制作的電磁波感應(yīng)器（天線）安裝在可旋轉(zhuǎn)支臂上，調(diào)節(jié)其角度與發(fā)射天線的極化方向一致，再將支臂滑塊移

11、到距離發(fā)射天線分別為30 cm、35cm、40cm刻度處。2、開啟電磁波教學(xué)綜合實驗儀開關(guān)（Power），按Tx按鈕，此時發(fā)射天線板已有電磁波發(fā)射出來。3、移動反射板，觀察天線上的燈是否有明暗變化。如果沒有，檢查天線角度是否與發(fā)射天線極化方向一致；如果還沒有明暗變化，再將支臂滑塊移到距離發(fā)射天線近一點。4、如系統(tǒng)正常工作，從遠而近移動反射板，使燈泡明暗變化。以燈泡明暗度判斷波節(jié)（波腹）的出現(xiàn)。先將天線固定于位置1，由遠而近移動反射板，記錄下燈泡兩個相鄰最亮時反射板位置的坐標（波腹點），其距離即為。再將天線固定于位置2，重復(fù)上述過程。最后將天線固定于位置3，重復(fù)上述過程。將測量數(shù)記入下表：次數(shù)天

12、線位置（cm）波腹點1（cm）波腹點2（cm）波長（cm）平均波長（cm）頻率（Hz）123五、注意事項1、按下Tx按鈕時，若Alarm紅色告警燈亮，應(yīng)立即停止發(fā)射，檢查電纜線與發(fā)射天線接口是否旋緊，其余接口是否用封閉帽蓋上，Output接口與電纜是否接好，或請老師檢查。否則會損壞儀器。2、測試感應(yīng)器時，不能將感應(yīng)燈靠近發(fā)射天線的距離太小，否則會燒毀感應(yīng)燈。（置于20cm以外，或視感應(yīng)燈亮度而定）。3、盡量減少按下Tx按鈕的時間，以免影響其它小組的測試準確性。4、測試時盡量避免人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。六、報告要求1、按照標準實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。2、用自制的接收天線，分

13、別用白熾燈和電流表測量電磁波的波長，并計算出電磁波的頻率。3、對實驗中的現(xiàn)象分析討論，并對實驗誤差產(chǎn)生的原因進行分析。4、提出改進意見及建議。實驗三 電磁波的極化實驗一、預(yù)習要求1、什么是電磁波的極化？它具有什么特點？2、了解各種常用天線的極化特性。3、天線特性與發(fā)射（接收）電磁波極化特性之間的有什么關(guān)系？二、實驗?zāi)康?、研究幾種極化波的產(chǎn)生及其特點。2、制作電磁波感應(yīng)器，進行極化特性實驗，與理論結(jié)果進行對比、討論。3、通過實驗，加深對電磁波極化特性的理解和認識。三、實驗原理電磁波的極化是電磁理論中的一個重要概念，它表征在空間給定點上電場強度矢量的取向隨時間變化的特性，并用電場強度矢量E的端點

14、在空間描繪出的軌跡來表示。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5所示。設(shè)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。圖5 電磁波的極化方式若：水平極化波 垂直極化波 其中、分別是水平極化波和垂直極化波的振幅，是超前的相角（水平極化波取為參考相面）。取的平面分析，有：綜合得：式中、為水平極化波和垂直極化波的振幅、和相角有關(guān)的常數(shù)。此式是個一般化橢圓方程，它表明由、合成的電場矢量終端畫出的軌跡是一個橢圓。在滿足不同

15、條件時，形成三種極化波。1、當兩個線極化波同相或反相時，其合成波是一個線極化波。2、當兩個線極化波振幅相等，相位相差時，其合成波是一個圓極化波。3、當兩個線極化波振幅不等或相位差不為時，其合成波是一個橢圓極化波。實驗一所設(shè)計的半波振子天線接收（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。極化波需要重視的是極化的旋轉(zhuǎn)方向問題。一般規(guī)定：面對電磁波傳播的方向（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

16、波稱為左旋圓極化波。右旋螺旋天線發(fā)射或接收右旋圓極化波效果較好，左旋螺旋天線發(fā)射或接收左旋圓極化波效果較好。螺旋天線繞向的判斷方法：沿著天線輻射方向，當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)容實驗裝置如圖6所示。圖6 電磁波極化實驗裝置1、將一付發(fā)射天線架設(shè)在發(fā)射支架上，連接好發(fā)射電纜，開啟電磁波教學(xué)綜合實驗儀開關(guān)（Power），電纜線一端接輸出端口（Output），另一端分別接發(fā)射天線的垂直、水平和圓極化端口。2、將電磁波感應(yīng)器安裝在測試支架上，分別設(shè)置成垂直、水平、斜45度三種位置，按下Tx發(fā)射按鈕，并移動感應(yīng)器滑塊，觀察燈泡由亮到不亮時距發(fā)射天線的距離，

17、并記錄數(shù)據(jù)。3、分析實驗數(shù)據(jù)，判斷發(fā)射天線發(fā)出的電磁波的極化形式。極化形式接收距離（cm）接口標號水平垂直45度垂直極化水平極化圓極化（左旋）圓極化（右旋）五、注意事項1、按下Tx按鈕時，若Alarm紅色告警燈亮，應(yīng)立即停止發(fā)射，檢查電纜線與發(fā)射天線接口是否旋緊，其余接口是否用封閉帽蓋上，Output接口與電纜是否接好，或請老師檢查。否則會損壞機器。2、測試感應(yīng)器時，不能將感應(yīng)燈靠近發(fā)射天線的距離太小，否則會燒毀感應(yīng)燈。（置于20cm以外，或視感應(yīng)燈亮度而定。）3、避免與相鄰小組同時按下Tx按鈕，盡量減少按下Tx按鈕的時間，以免相互影響測試準確性。4、測試時盡量避免人員走動，以免人體反射影響測

18、試結(jié)果。六、報告要求1、按照標準實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。2、用自制的接收天線，對應(yīng)不同的天線極化波接口，調(diào)整感應(yīng)器的角度，用電流表或燈泡記錄感應(yīng)器的最大接收距離，分析電磁波的極化形式。3、討論電磁波不同極化收發(fā)的規(guī)律。4、提出實驗改進意見和建議。實驗四 天線方向圖測量實驗一、預(yù)習要求1、什么是天線的方向性？2、什么是天線的方向圖，描述方向圖有哪些主要參數(shù)？二、實驗?zāi)康?、通過天線方向圖的測量，理解天線方向性的含義；2、了解天線方向圖形成和控制的方法；3、掌握描述方向圖的主要參數(shù)。三、實驗原理天線的方向圖是表征天線的輻射特性(場強振幅、相位、極化)與空間角度關(guān)系的圖形。完整的方向圖是一

19、個空間立體圖形，如圖7所示。它是以天線相位中心為球心（坐標原點），在半徑足夠大的球面上，逐點測定其輻射特性繪制而成的。測量場強振幅，就得到場強方向圖；測量功率，就得到功率方向圖；測量極化就得到極化方向圖；測量相位就得到相位方向圖。若不另加說明，我們所述的方向圖均指場強振幅方向圖。空間方向圖的測繪十分麻煩，實際工作中，一般只需測得水平面和垂直面的方向圖就行了。 圖7 立體方向圖天線的方向圖可以用極坐標繪制，也可以用直角坐標繪制。極坐標方向圖的特點是直觀、簡單，從方向圖可以直接看出天線輻射場強的空間分布特性。但當天線方向圖的主瓣窄而副瓣電平低時，直角坐標繪制法顯示出更大的優(yōu)點。因為表示角度的橫坐標

20、和表示輻射強度的縱坐標均可任意選取，例如即使不到1º的主瓣寬度也能清晰地表示出來，而極坐標卻無法繪制。一般繪制方向圖時都是經(jīng)過歸一化的,即徑向長度(極坐標)或縱坐標值(直角坐標)是以相對場強表示。這里，是任一方向的場強值，是最大輻射方向的場強值。因此，歸一化最大值是1。對于極低副瓣電平天線的方向圖，大多采用分貝值表示，歸一化最大值取為零分貝。圖8所示為同一天線方向圖的兩種坐標表示法。圖8 方向圖表示法 （a）極坐標 （b）直角坐標本實驗測量一種天線的方向圖，測試系統(tǒng)框圖如圖9所示。其中，輔助天線作發(fā)射，由功率信號發(fā)生器激勵產(chǎn)生電磁波；被測天線作接收，被測天線置于可以水平旋轉(zhuǎn)的實驗支架上，接收到的高頻信號經(jīng)檢波后送給電流指示器顯示。圖9 方向圖測試系統(tǒng)四、實驗內(nèi)容與步驟1、打開功率信號發(fā)生器電源開關(guān)，Signal燈亮，機器工作正常，按下TX按鈕，觀察功率指示表有一定偏轉(zhuǎn)，說明發(fā)射正常。2、將檢波天線架設(shè)于極化支架上，連接好天線到電流表的電纜，