南理工電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)大綱及指導(dǎo)說(shuō)明書(shū)

1、“電磁場(chǎng)與電磁波”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)大綱及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)一電磁波參量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)二 電磁波的極化唐萬(wàn)春，車(chē)文荃編制陳如山 審定1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(cè)定實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康腶) 觀(guān)察電磁波的傳播特性。b) 通過(guò)測(cè)定自由空間中電磁波的波長(zhǎng) ，來(lái)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(cè)量波長(zhǎng)的方法。2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容a) 了解并熟悉電磁波綜合測(cè)試儀的工作特點(diǎn)、 線(xiàn)路結(jié)構(gòu)、使用方法。b) 測(cè)量信號(hào)源的工作波長(zhǎng)（或頻率）。3. 實(shí)驗(yàn)原理與說(shuō)明a) 所使用的實(shí)驗(yàn)儀器分度轉(zhuǎn)臺(tái)晶體檢波器2可變衰減器喇叭天線(xiàn)反射板固態(tài)信號(hào)源微安表實(shí)驗(yàn)儀器布置圖如下：3反射板

2、反射板接收用可調(diào)喇叭天線(xiàn)衰減器晶體檢波器發(fā)射用喇叭天線(xiàn)微安表分度轉(zhuǎn)臺(tái)固態(tài)信號(hào)源圖 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(xiàn)， 在接收端用矩形喇叭天線(xiàn)接收信號(hào)， 接收到的信號(hào)經(jīng)晶體檢波器后通過(guò)微安表指示。b) 原理本實(shí)驗(yàn)利用相干波原理，通過(guò)測(cè)得的電磁波的波長(zhǎng)， 再由關(guān)系式k2f(1), vk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 Pr 0 、 Pr1 、 Pr 2 和 Pr 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)板是一3030(mm) 2 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(cè)試。4L1L2O-L 0-L 3圖

3、 2 實(shí)驗(yàn)示意圖r當(dāng)入射波以入射角1 向介質(zhì)板斜投射時(shí)， 在分界面上產(chǎn)生反射波E 和r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：EE 0e jkl(2)分析時(shí) l 為在喇叭天線(xiàn) 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(chǎng) E 與反射場(chǎng) E 可表示為：5ERE 0 expjkll

4、L11ERE0 expjk (l2 L )lL111E2TE 0 expjkll L2ETE 0 expjk (l2L2)lL22它們?cè)诮邮绽?Pr3 處的場(chǎng)為：E1TRE0 expjk (l2L1)lL3E2RTE 0 expjk (l2L2)lL3由于它們同頻同極化，它們相干合成的場(chǎng)可寫(xiě)為E EE2TRE0 expjk ( L2L )RTE0expjk ( L2 L2)1313TRE0 expjkL3exp2 jkLexp2 jkL21A 1 expj 2kl其中ATRE0 expjkL3 expjk 2 L1lL2L1上述過(guò)程可以用圖3 來(lái)示意。(3)(4)(5)(6)(7)圖3 波形

5、圖測(cè)量時(shí)，由于被測(cè)場(chǎng)E 處于測(cè)試結(jié)構(gòu)的近區(qū)場(chǎng)范圍內(nèi)，不完全滿(mǎn)6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(cè)準(zhǔn)波長(zhǎng)值，一般采用 Pr 3 為零指示辦法。 由(6) 式可發(fā)現(xiàn)，合成波中當(dāng)expj 2kl1 時(shí)， Pr3 處的場(chǎng)為零。實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定 L0 , L1, L3 ,移動(dòng) L2 ，使得 Pr3 處的場(chǎng)為零。這時(shí)可得條件exp j 2kl12k ln2n12n1L 2n L12n1ln或44不難發(fā)現(xiàn)相鄰兩個(gè)零值的 L2n 與 L2n 1 之間的間距為，從而達(dá)到測(cè)量目2的。n0,L202i1得第一個(gè)零點(diǎn)位置 L20L14n1,L212 i11得第二個(gè)零點(diǎn)位置 L

6、21L14nN ,L2N2 iN1得第 N+1 個(gè)零點(diǎn)位置 L2NL14,可見(jiàn)，當(dāng)零點(diǎn)總數(shù)為 ( N1) 時(shí)， Pr 2上移動(dòng)的總距離為 ( L2 NL20 ) ，它相當(dāng)于 N 個(gè)半波長(zhǎng)數(shù)。即：2(L2NL20 )N ，故：2(L2N L20 ) 。根據(jù)：Nk2 ,vfk就可得到所測(cè)電磁波的參量 、k、v 等值。可見(jiàn)測(cè)試波長(zhǎng) 所用公式得出的是平均值。從理論上講， n 值越大，測(cè)出的 值精度應(yīng)越高。實(shí)際測(cè)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(cè)的波長(zhǎng)為2(L24 L20 )4它表示了 5 個(gè)波節(jié)點(diǎn)的距離 (L24L 20 ) ，相應(yīng)于 4 個(gè)半波長(zhǎng)。7實(shí)驗(yàn)步驟a) 了解并熟悉

7、電磁波綜合測(cè)試儀的工作特點(diǎn)、 線(xiàn)路結(jié)構(gòu)、使用方法。b) 測(cè)量電磁波的波長(zhǎng)。首先調(diào)整好電磁波綜合測(cè)試儀使能進(jìn)行正常工作。 然后測(cè)出電磁波的波長(zhǎng)， 根據(jù)測(cè)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2 f1vck0 0c) 用波長(zhǎng)計(jì)（或頻率計(jì)）測(cè)出信號(hào)源的工作波長(zhǎng)（或頻率）。把測(cè)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f 0（即改變0 ）。由以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，得到相應(yīng)的電磁波參量, k , v ，并與 0 , k0 , v0 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 f0 上工作，故及 k 不能改變）。表1電磁波參量測(cè)試數(shù)據(jù)表波長(zhǎng)表 (頻率

8、計(jì) )讀數(shù)0微安表零指示次數(shù)(n1)可動(dòng)板總位移l l nl0自由空間中波長(zhǎng)2ln波的相位常數(shù)k2波的相速度2f 0vk85. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)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(wèn)題的解釋?zhuān)┙Y(jié)論 （實(shí)驗(yàn)的收獲，或者某些建議等等）6安全說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)室中所使用的微波源都在國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)（ 10mW/cm 2），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(kāi)路傳輸線(xiàn)里面看 ;b) 不要把身體的任何部位放在傳輸線(xiàn)的開(kāi)口端 ;c) 在拆 / 裝微波元器件時(shí)，請(qǐng)

9、關(guān)掉微波信號(hào)源。7. 思考題：用相干波測(cè)量自由空間波長(zhǎng)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) 90o ，將發(fā)生何種現(xiàn)象？這時(shí)，能否測(cè)準(zhǔn)電磁波波長(zhǎng)？為什么？9實(shí)驗(yàn)二 電磁波的極化1實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯烤€(xiàn)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(cè)試b) 線(xiàn)極化波的調(diào)整與測(cè)試c) 橢圓極化波的調(diào)整與測(cè)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。10矩形喇叭衰減器檢波器微安表固態(tài)信號(hào)源圖 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖電磁波綜合測(cè)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(zhǎng)計(jì) )、

10、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(wú)限大均勻媒質(zhì)中傳播時(shí)， 空間某點(diǎn)上電場(chǎng)強(qiáng)度矢量 E的末端隨時(shí)間變化的軌跡。當(dāng)電場(chǎng)矢量末端總在一直線(xiàn)上周期地變化時(shí)， 稱(chēng)為線(xiàn)極化波； 當(dāng)電場(chǎng)矢量末端軌跡是圓或橢圓時(shí)，即電場(chǎng)矢量末端總在圓或橢圓上周期地變化時(shí)， 稱(chēng)為圓極化波或橢圓極化波。無(wú)論是線(xiàn)極化波，左、右旋圓極化波，左、右旋橢圓極化波，都11可由兩個(gè)同頻率且場(chǎng)矢量相互正交的線(xiàn)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(xiàn)，分別研究波的極化線(xiàn)極化波、圓極化波和橢

11、圓極化波的特性。-REnEtEt矩一圓波導(dǎo)圓喇叭En介質(zhì)圓波導(dǎo)nERYEtEREtYXEnEnXTE 100介質(zhì)片TE 11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(guò)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(guò)渡到 TE11成為 RP波后，在裝有介質(zhì)

12、12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 vtvc /r ，當(dāng)介質(zhì)片的長(zhǎng)度 L取得合適時(shí)， 使En波的相位超前Et 波的相位0，這就實(shí)現(xiàn)了圓極化波相位條件的要求；為使t 和 n90E E的幅度相等，可使介質(zhì)片的n 方向跟 Y軸之間夾角為450 ，若介質(zhì)片的損耗略去不計(jì)，則有EtmEnm1 Erm ，實(shí)現(xiàn)了圓極化波幅度條件2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 n 轉(zhuǎn)到 Y 方向符合右手螺旋規(guī)則的波，定為右旋圓極化波；把 n 轉(zhuǎn)到 Y 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(xiàn)除作為圓極

13、化波工作外，也可作線(xiàn)極化波， 橢圓極化波工作使用。當(dāng)作線(xiàn)極化波工作時(shí)， 介質(zhì)片 n 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n 與Y夾角可在=0-450之間。4. 實(shí)驗(yàn)步驟a) 圓極化波的調(diào)整與測(cè)試根據(jù)圓極化波的條件，兩個(gè)同頻率的正交場(chǎng)相干波必須幅度相等，相位差。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(xiàn)。轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭，每隔 100 測(cè)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13圓度 eI min / I max 值。14表 1 圓極化波調(diào)

14、整與測(cè)試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（A）橢圓度b) 線(xiàn)極化波的調(diào)整與測(cè)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 0 或 90 0，就可以得到線(xiàn)極化波。固定圓喇叭，轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭，每隔 10 0 測(cè)量一次，讀取微安表上的讀數(shù)，并填入下表。表 2 線(xiàn)極化波的調(diào)整與測(cè)試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（ A）c) 橢圓極化波的調(diào)整與測(cè)試調(diào)整與測(cè)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 eI min / I max 值。表 3 橢圓極化波的調(diào)整與測(cè)試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（A）橢圓度155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(chēng)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