電磁場與電波實驗指導書

電磁場與電磁波試驗指導書

目 錄電磁波感應器的設計與制作電磁波傳播特性試驗電磁波的極化試驗試驗一 電磁波感應器的設計與制作一、預習要求1、什么是法拉第電磁感應定律？2、什么是電偶極子？3、了解線天線根本構(gòu)造及其特性。二、試驗目的1、生疏時變電磁場，理解電磁感應的原理和作用。2、通過電磁感應裝置的設計，初步了解天線的特性及根本構(gòu)造。3、理解電磁波輻射原理。三、試驗原理號發(fā)生器作為放射源，通過放射天線產(chǎn)生電磁波。圖1 電磁感應裝置假設將另一付天線置于電磁波中1所示。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，元天線是最根本的天線。電半波天線、環(huán)形天線、螺旋天線等，如圖2所示。圖2 接收天線本試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潔的模式。對稱天線〔或稱對稱振子〕可以天線。而半波天線是對稱天線中應用最為廣泛的一種天線，它具有構(gòu)造簡潔和饋電便利等優(yōu)點。半波振子因其一臂長度為/4，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〔L/4〕的遠區(qū)場強有以下關系式：60I

cos(2cos)

60IE r sin

r f()式中，f 為方向性函數(shù)，對稱振子歸一化方向性函數(shù)為：()f()F f()

cos(2

cos)()

fmax

sinf

fmax

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，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/2，且只要一臂長度不超過62/2/2方向。四、試驗內(nèi)容與步驟1、翻開功率信號發(fā)生器電源開關，Signal燈亮，機器工作正常，按下Tx按鈕，觀看功率指示表有肯定偏轉(zhuǎn)，此時Standby燈亮，說明放射正常。2、用金屬絲制作天線體，用螺絲固定于感應燈板〔或電流表檢波板〕兩端，并安放到測試支架上，調(diào)整感應板的角度，使其與放射天線的極化方向全都。調(diào)整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，靠近放射天線，直到小燈剛剛發(fā)光時，記錄下滑塊與放射天線的距離。3、轉(zhuǎn)變天線振子的長度，重復上面過程，記錄數(shù)據(jù)。4、選用其它天線形式制作感應器，重復上面過程，記錄數(shù)據(jù)。次數(shù)天線形式天線長度接收距離1234五、留意事項1、按下Tx按鈕時，假設Alarm紅色告警燈亮，應馬上停頓放射，檢查電纜線與放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，或請教師檢查。否則會損壞機器。2〔20cm以外，或視感應燈亮度而定〕。3、盡量削減按下Tx按鈕的時間，以免影響其它小組的測試準確性。4、測試時盡量避開人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。六、報告要求1、依據(jù)標準試驗報告的格式和內(nèi)容完成試驗報告。2、制作兩種以上天線，觀看接收效果。畫出天線外形，記錄接收距離。3、對試驗中的現(xiàn)象分析爭論。4、提出改進意見及建議。七、接收天線參考外形 試驗二 電磁波傳播特性試驗一、預習要求1、什么是邁克爾遜干預原理？它在試驗中有哪些應用？2、駐波的產(chǎn)生原理及其特性。二、試驗目的1、學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，進一步生疏和了解電磁波。三、試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。而當兩個頻率一樣、一些點振動始終減弱或完全抵消，因而形成干預現(xiàn)象。射到金屬板，被金屬板反射回來，到達電磁波感應器；直射波也可直接到達電磁波感應器，這兩列波將形成駐波，兩列電磁波的波程差滿足肯定關系時，在感應器位置可以產(chǎn)生波腹或波節(jié)。示為：E EE E

cos(tkz)cos(tkz)其中z是因波程差而造成的相位差。則當相位差zn (n0,1,2LL)時合成波的振幅最小，z的位置為合成波的1 1波節(jié)；相位差z (2n1)/22合成波的波腹。

(n0,12LLz的位置為2實際上到達電磁感應器的兩列波的振幅不行能完全一樣波的振幅值，合成波的波節(jié)值也不是恰好為零。當合成波振幅最小〔波節(jié)〕時：當合成波振幅最大〔波腹〕時：2z (n1/2)/(2n1)/42此時合成波振幅最大到合成波振幅最小〔波腹到波節(jié)〕的最短波程差為/4，假設此時可動金屬板移動的距離為L，則：L/4即：4L可見，測得了可動金屬板移動的距離L，代入式中便確定電磁波波長。四、試驗內(nèi)容及步驟4所示。圖4 電磁波教學綜合試驗儀1、將設計制作的電磁波感應器〔天線〕安裝在可旋轉(zhuǎn)支臂上，調(diào)整其角度與放射天線的極化方向全都，再將支臂滑塊移到距離放射天線分別為30cm、35cm、40cm刻度處。2、開啟電磁波教學綜合試驗儀開關〔Power〕，Tx按鈕，此時放射天線板已有電磁波放射出來。3、移動反射板，觀看天線上的燈是否有明暗變化。假設沒有，檢查天線角度是否與放射天線極化方向全都；假設還沒有明暗變化，再將支臂滑塊移到距離放射天線近一點。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。以燈泡明暗度推斷波節(jié)〔波腹〕的消滅。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/2。再將天線固定于位置2，重復上述過程。最終將天線固定于位3，重復上述過程。將測量數(shù)記入下表：次數(shù)次數(shù)天線位置〔cm〕〔cm〕〔cm〕波長〔cm〕平均波長〔cm〕頻率〔Hz〕123五、留意事項1、按下Tx按鈕時，假設Alarm紅色告警燈亮，應馬上停頓放射，檢查電纜線與放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，或請教師檢查。否則會損壞儀器。2〔20cm以外，或視感應燈亮度而定〕。3、盡量削減按下Tx按鈕的時間，以免影響其它小組的測試準確性。4、測試時盡量避開人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。六、報告要求1、依據(jù)標準試驗報告的格式和內(nèi)容完成試驗報告。23、對試驗中的現(xiàn)象分析爭論，并對試驗誤差產(chǎn)生的緣由進展分析。4、提出改進意見及建議。試驗三 電磁波的極化試驗一、預習要求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、天線特性與放射〔接收〕電磁波極化特性之間的有什么關系？二、試驗目的1、爭論幾種極化波的產(chǎn)生及其特點。2、制作電磁波感應器，進展極化特性試驗，與理論結(jié)果進展比照、爭論。3、通過試驗，加深對電磁波極化特性的理解和生疏。三、試驗原理電磁波的極化是電磁理論中的一個重要概念時間變化的特性，并用電場強度矢量E的端點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5所示。設兩線極化波沿正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YX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。假設：水平極化波Ex垂直極化波Ey

圖5 電磁波的極化方式E sin(tkz)xmE sin(tkz)ym其中E 、E 分別是水平極化波和垂直極化波的振幅，是E 超前E的相角〔水平極化波xm ym y x取為參考相面〕。z0的平面分析，有：綜合得：

E EE Eym

sin(t)sin(t)aE2bEEx x y

cE21y式中a、b、c為水平極化波和垂直極化波的振幅Exm

、E 和相角有關的常數(shù)。ym此式是個一般化橢圓方程，它說明由E 、E 合成的電場矢量終端畫出的軌跡是一個橢圓。x y在滿足不同條件時，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/2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/2時，其合成波是一個橢圓極化波。試驗一所設計的半波振子天線接收〔放射〕的波為線極化波；而最常用的接收〔放射〕圓極是橢圓極化波。當單位長度的螺圈數(shù)N很大時，放射〔接收〕的波可看作是圓極化波?！矡o論是放射或接收〕果較好。螺旋天線繞向的推斷方法：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、試驗內(nèi)容6所示。圖6 電磁波極化試驗裝置1、將一付放射天線架設在放射支架上，連接好放射電纜，開啟電磁波教學綜合試驗儀開關〔Power〕，電纜線一端接輸出端口〔Output〕，另一端分別接放射天線的垂直、水平和圓極化端口。2、將電磁波感應器安裝在測試支架上，分別設置成垂直、水平、斜45度三種位置，按下Tx放射按鈕，并移動感應器滑塊，觀看燈泡由亮到不亮時距放射天線的距離，并記錄數(shù)據(jù)。3、分析試驗數(shù)據(jù)，推斷放射天線發(fā)出的電磁波的極化形式。極化形式極化形式水平接收距離〔cm〕垂直接口45度標號垂直極化水平極化圓極化〔左旋〕圓極化〔右旋〕五、留意事項1、按下Tx按鈕時，假設Alarm紅色告警燈亮，應馬上停頓放射，檢查電纜線與放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，或請教師檢查。否則會損壞機器。2〔20cm以外，或視感應燈亮度而定?！?、避開與相鄰小組同時按下Tx按鈕，盡量削減按下Tx按鈕的時間，以免相互影響測試準確性。4、測試時盡量避開人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。六、報告要求1、依據(jù)標準試驗報告的格式和內(nèi)容完成試驗報告。2、用自制的接收天線，對應不同的天線極化波接口，調(diào)整感應器的角度，用電流表或燈泡記錄感應器的最大接收距離，分析電磁波的極化形式。3、爭論電磁波不同極化收發(fā)的規(guī)律。4、提出試驗改進意見和建議。試驗四 天線方向圖測量試驗一、預習要求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、試驗目的1、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掌握的方法；3、把握描述方向圖的主要參數(shù)。三、試驗原理〔坐標原點足夠大的球面上，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。假設不另加說明，我們所述的方向圖均指場強振幅方向圖。空間方向圖的測繪格外麻〔坐標原點足夠大的球面上，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。假設不另加說明，我們所述的方向圖均指場強振幅方向圖?？臻g方向圖的測繪格外麻煩，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立體方向圖任意選取，例如即使不到1o的主瓣寬度也能清楚地表示出來，而極坐標卻無法繪制。一般繪制()`

max

()是任一方向的場強值，`

max歸一化最大值是1。對于極低副瓣電平天線的方向圖，大多承受分貝值表示，歸一化最大值取為88方向圖表示法〔a〕極坐標〔b〕直角坐標本試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，關心天線作放射，由功率到的高頻信號經(jīng)檢波后送給電流指示器顯示。9方向圖測試系統(tǒng)四、試驗內(nèi)容與步驟1、翻開功率信號發(fā)生器電源開關，Signal燈亮，機器工作正常，按下TX按鈕，觀看功率指示表有肯定偏轉(zhuǎn)，說明放射正常。2TX按鈕，電流表應有肯定指示，說明接收局部工作正常。3、設定被測天線的架設距離，使天線旋轉(zhuǎn)360o的電流讀數(shù)在量程范圍內(nèi)。4、固定被測天線位置，連續(xù)旋轉(zhuǎn)天線支架，按肯定角度步進，讀出每個步進角度對應的電流表指示值。5、將測量數(shù)據(jù)在直角坐標系中畫出天線的方向圖。并在圖上讀出方向圖的主瓣寬度和副瓣電平。五、留意事項1TXAlarm否對應，放射天線是否接好，或請教師檢查。否則會損壞機儀器。2、盡量削減按下TX3、測試時盡量避開人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。六、報告要求1、畫出試驗測試原理框圖2、數(shù)據(jù)記錄與處理分別在E面和H面旋轉(zhuǎn)被測天線，將數(shù)據(jù)記錄入下表角度010203040506070809010011012013014015016