場(chǎng)波實(shí)驗(yàn)教程要點(diǎn)

1、電磁場(chǎng)理論實(shí)驗(yàn)講義信息與通信學(xué)院目錄電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹1.實(shí)驗(yàn)一 電磁波參量的研究（2 學(xué)時(shí)）2實(shí)驗(yàn)二/三電磁波反射和折射特性的研究（4學(xué)時(shí)）錯(cuò)誤！未定義書簽。實(shí)驗(yàn)四電磁波的極化實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）1.2電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹電磁波和光波一樣，都具有波動(dòng)的性質(zhì)，即能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象，DH926型電磁波綜合測(cè)試儀（又稱為微波分光儀），正是利用金屬板、金屬柵、介質(zhì)板等引起電磁波反射，極化等效應(yīng)，完成電磁波特性的研究與測(cè)量。DH926型電磁波綜合測(cè)試儀組成如下圖所示。123456789序號(hào)名稱數(shù)量1分度轉(zhuǎn)臺(tái)12三厘米固態(tài)信號(hào)源13喇叭天線24可受衰減器15晶體檢波器16100uA表頭17反射板

2、28介質(zhì)板19讀數(shù)裝置1實(shí)驗(yàn)一電磁波參量的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ず驼莆绽孟喔刹ㄔ頊y(cè)量自由空間電磁波波長(zhǎng)力并且確定電磁波相移常數(shù) 3和波速v的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 .熟悉電磁波綜合測(cè)試儀的特點(diǎn)和使用方法。2 . 了解相干波測(cè)量波長(zhǎng)的原理及方法。3 .用手動(dòng)方法測(cè)量波長(zhǎng)卜3與v。三、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)兩束等幅、同頻率的均勻平面波在自由空間中同向或反向傳輸時(shí)，由于相位不同，二者相互干涉（疊加）。本實(shí)驗(yàn)利用相干波原理，通過調(diào)整兩束同頻、同向、等幅電磁波的波 程差，使其相位差為 兀時(shí)，兩束波相互干涉抵消， 正是根據(jù)這一特性通過測(cè)量空間中電磁波 的分布，來確定電磁波波長(zhǎng)的，波長(zhǎng)測(cè)定后，再由(1-1)得出電磁波的

3、主要參數(shù)。下面再說明一下利用電磁波綜合測(cè)試儀測(cè)量波長(zhǎng)的原理及方法。如下圖所示，設(shè)入射波為垂直極化波。(1-2)Ei =E0iej式中丫為廣義的距離坐標(biāo)。圖1-1相干波測(cè)波長(zhǎng)裝置示意圖17當(dāng)此入射波以入射角。斜入射到介質(zhì)板界面上時(shí)，將會(huì)在垂直于P1、P02面方向上形成Pr3反射波與折射波，由于 Pr1、P02板為良導(dǎo)體板，反射波與折射波被 Pr1、P2板全反射，從而 形成了兩束同頻的平面電磁波。這兩束波再次斜入射到介質(zhì)板上，通過反射與折射，在接收喇叭天線入射方向上形成兩束波。設(shè)R，為介質(zhì)板反射系數(shù)，T10> T，e分別為空氣進(jìn)入介質(zhì)和由介質(zhì)板進(jìn)入空氣時(shí)的傳輸系數(shù)，在一次近似條件下，Pr3喇

4、叭接收的兩束波為(1-3)Eri t-RJjTEieEr2 u-RJjT_Eie2可見為兩束等幅同頻的均勻平面波，滿足了相干波原理的要求，式中相位由下圖可見為1 (2Lri Lr3)=昭2 (2L,2 Lg) (Lr3 2Lri 2：L)L(1-4)2AL =2Lr2 -Lr1| = L - L接收喇叭處的合成波為圖1-2相干波形成的波形分布圖Er =E,1Er2 =-R "_后e-，1 e - 2)：一2 一 I-2R T oT Ei cos()e 2(1-5)2jq=2R_0T一Ei cos(，：L)e 2 測(cè)量過程中，L固定不變，L隨Pr2板移動(dòng)而變化，因此 L也是變化的，由上

5、式可見，當(dāng)L變化使得cos(：=L) =0(1-6)時(shí)，接收喇叭輸出為零(100uA表頭指示為0,即零點(diǎn))，其中2；L- L =冗=（2n 1）2，（n=0，1,2, ）(1-7)* rs5 LuL、L2品L4y介質(zhì)板受A£s-t事圖1-3利用讀數(shù)裝置測(cè)量波長(zhǎng)的原理如圖1-3所示，令Lri = L',讀數(shù)裝置0刻度端到介質(zhì)板中軸線的距離為L(zhǎng)j, Lr2 = Ln + Lj。以n = 0為參考點(diǎn)，利用等偏移法測(cè)得Lo為第1個(gè)零點(diǎn)(電流表指針為0),則n=0, L0 Lj _L =/L0=一4.3,n = 1, L1 L j - L = ： L1 =45 ,n = 2, L2Lj

6、 - L = L2 =4(1-8)7n = 3, L3，L j - L - : L3 -49 ,n = 4, L4Lj - L = L4 =4(2n 1),n = n, LnLj - L，:Ln =4由上式可以得出表1-1LoL1L2L3L4Lo+Lo-L1+L1-L2+L2-L3+L3-L4+L4-一 Lo,1 L1,2 L2,3 L3,4L1 、 L2 、 L3 、為入/ 2,于LiL2L3Ln-L1- L3-:L1 -L0 -L0,1二L2二L3二L4一 .'L =/L1,2- ： L2 = - ：L2,3- L3 - - ：L3,4(1-9)L4分別為測(cè)量得到的第2-5個(gè)零點(diǎn)。

7、可見，兩相鄰零點(diǎn)之間的Ln-1,n2GL0j 'Ln.)(1-10)理論上，n越大，測(cè)量越精確，實(shí)際測(cè)量中只需測(cè)出數(shù)個(gè)零點(diǎn)就可以了，比如 則2GL0,1 二L12 好4(1-11)四、實(shí)驗(yàn)步驟1.2.3.按圖1-1將DH926組合成測(cè)波長(zhǎng)，相移常數(shù)的狀態(tài)。參看頻率刻度表，調(diào)整振蕩器旋鈕，設(shè)置頻率f = 9.37GHz 。打開信號(hào)源，檢查電壓是否為12V,信號(hào)源工作狀態(tài)是否為等幅，然后根據(jù)測(cè)量原理，轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)裝置，參照?qǐng)D1-4所示，利用等偏移法（1-12）式測(cè)得第一個(gè)零點(diǎn) Lo并記錄（讀 到小數(shù)點(diǎn)后2位）。LnLn. Ln2(1-12)4.繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)裝置，分別測(cè)出第2-5個(gè)零點(diǎn)L1-L4

8、并記錄，然后填入表 1-1中。5 .利用式（1-11）,計(jì)算出入的值，再根據(jù)式（1-1）計(jì)算出3和v。6 .繼續(xù)調(diào)整振蕩器旋鈕，設(shè)置頻率f = 9.20GHz,重復(fù)步驟15,計(jì)算出 入及3和v。7 .綜合2組數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-2中。表1-2入3vf =f =五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容1 .實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .實(shí)驗(yàn)原理3 .實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表4 .對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析（重點(diǎn)分析影響測(cè)量結(jié)果的因素）附錄：等偏移法如圖1-4所示，為了準(zhǔn)確找到電流表零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的L值，須采用等偏移法，具體步驟為：通過旋轉(zhuǎn)讀數(shù)裝置旋鈕，使電流表指針回偏一個(gè)X值，對(duì)應(yīng)讀數(shù)裝置的 L-,同理再使電流表指針回偏一個(gè) X值，對(duì)應(yīng)讀數(shù)裝置的 L+

9、,然后利用下式得出 L的值。L. L2圖1-4等偏移法圖示實(shí)驗(yàn)二/三 電磁波反射和折射特性的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯侩姶挪ㄔ诹紝?dǎo)體表面的反射；研究電磁波在良介質(zhì)表面的反射和折射；研究電磁波全反射和全折射的條件。二、實(shí)驗(yàn)原理設(shè)一平行極化的平面波以角度 。斜入射到媒質(zhì)分界面上， 如圖2-1所示，根據(jù)電磁場(chǎng)理 論，媒質(zhì)1中將存在8'方向上的反射波，媒質(zhì) 2中則出現(xiàn)日”方向上的折射波（為折射 角），電磁場(chǎng)量分別為圖2-1平行極化波斜投射時(shí)各場(chǎng)量在分界面上的值入射波:E .二 Em（axcosuazsine-jkl（xsinzcos.匚 + cHEm-)k1(xsin -n zcos=a y e1反

10、射波:E - 一 REm( -ax cos口 - az sin )e j(xsin"4coeHR/ Em-jk1 (xsin r *cos)二aye1折射波:= TEm(axcos-azs"%一壬T I-+_ a I/ Em e-jk2(xsin zcos?)2式中，k11； 1 , k.空口；2 2利用分界面上（z = 0）電場(chǎng)和磁場(chǎng)切向分量連續(xù)的邊界條件，可得斯涅爾（Snell）反射定律:6 =日'和斯涅爾折射定律:sin 丁 ki-時(shí)Msin 1 k2 .二2 ；2. ；2反射系數(shù)c 1 cos ? - 2 cos n"R/ 1 cos 12 cos

11、''傳輸系數(shù)2 2 cos二T/ =：771 cos 2 cos 二卜面我們分幾種情況討論一下。1）全反射這時(shí)R/=1,發(fā)生全反射的臨界角為因?yàn)閟in2<1 ,所以只有1 > 2>,即電磁波從光密媒質(zhì)進(jìn)入光疏媒質(zhì)時(shí)才會(huì)發(fā)生全反 c射（良導(dǎo)體情況除外）。2）全折射這時(shí)要求R=0,于是將發(fā)生全折射時(shí)的入射角，即布儒斯特（Brewster）角為全折射時(shí)的折射角為可見折射角a.Mgoo-HP;若電磁波以角度 印入射到厚度為d的介質(zhì)板表面，則sin - = cos'這正是電磁波由 苞到，的全折射條件。因此，當(dāng)電磁波以布儒斯特角從介質(zhì)板的一側(cè)入射時(shí)，在介質(zhì)板的另一

12、側(cè)可接收到全部信號(hào)，如圖 2-2所示。當(dāng)1> / e”>ep,折射修 1,e'Bp,折射波方向靠向法向。波方向離開分界面的法向；當(dāng)圖2-2介質(zhì)板全折射示意圖3)電磁波斜入射到良導(dǎo)體表面的反射良導(dǎo)體的特性近似于理想導(dǎo)體，電磁波投射到良導(dǎo)體表面時(shí)，可認(rèn)為發(fā)生全反射，此時(shí)，R/ -1, R =-1, T -0三、實(shí)驗(yàn)儀器DH926B型微波分光儀，喇叭天線，DH1121B型三厘米固態(tài)信號(hào)源， DH926AD型數(shù)據(jù) 采集儀，計(jì)算機(jī)，良導(dǎo)體反射板，玻璃板四、實(shí)驗(yàn)步驟1)反射角測(cè)量?jī)衫瓤诿鎽?yīng)互相正對(duì)，使它們各自的軸線處于同一條直線上，此時(shí)兩喇叭位置的指針應(yīng)分別指示于工作平臺(tái)的 0和18

13、0刻度處。調(diào)整發(fā)射、接收喇叭同為水平極化。將支座放在工作平臺(tái)上，并利用平臺(tái)上的定位銷和刻線對(duì)正支座，拉起平臺(tái)上四個(gè)壓緊螺釘旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后放下，將支座壓緊。將反射全屬板放到支座上時(shí)，應(yīng)使金屬板平面與支座下面的小圓盤上的90 -90這對(duì)刻線一致。這時(shí)小平臺(tái)上的00刻度就與金屬板的法線方向一致。轉(zhuǎn)動(dòng)小平臺(tái)，將固定臂指針調(diào)到 30。65角角度之間任意一位置，這時(shí)固定臂指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)刻度盤上指示的刻度就是入射角的讀數(shù)。開啟DH1121B型三厘米固態(tài)信號(hào)源。轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)臂，當(dāng)電流表顯示出的最大指示時(shí)，活動(dòng)臂指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)刻度盤上指示的刻度就是反射角的讀數(shù)。如果此時(shí)表頭指示太大或太小，應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)發(fā)射端的可變衰減器，使表

14、頭指示接近滿量程。連續(xù)選取幾個(gè)入射角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在表2-1中記錄入射角和反射角。改變發(fā)射和接收喇叭為垂直極化，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。2）良好導(dǎo)體表面對(duì)電磁波反射特性的測(cè)試。首先，不加反射板，測(cè)出入射場(chǎng)E01 （如用選頻放大器做指示，調(diào)至滿度值100）。其次,加良導(dǎo)體反射板（用鋁金屬板300X300mm2）,改變?nèi)肷洳ǖ娜肷浣?& （入射場(chǎng)Eoi不變），測(cè)出反射角日=81時(shí)的反射場(chǎng)E0；。把有關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)填入表 3-2中。3）全折射測(cè)量測(cè)試良好介質(zhì)的全折射（或稱無反射），我們采用平行極化波工作狀態(tài)，為此，須將電磁波綜合測(cè)試儀白輻射喇叭（Pr0）與接收喇叭（Pr3）置于平行極化工作狀態(tài)。對(duì)于測(cè)試良

15、好導(dǎo)體的全反射，我們同樣采用平行極化波工作狀態(tài)。測(cè)試裝置示意圖2-3所示。圖2-3反射、折射測(cè)試裝置示意圖1.電磁波斜投射時(shí)，良好介質(zhì)全折射的測(cè)試。首先，轉(zhuǎn)臺(tái)上不放介質(zhì)板， 調(diào)整發(fā)射與接收天線， 使彳導(dǎo)E01=E02用，（接收天線發(fā)射天線 在一直線上）。然后用厚度d=3.2mm的有機(jī)玻璃板，放置在測(cè)試儀平臺(tái)支座上，然后改變波 對(duì)介質(zhì)板的投射角（轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，而接收與輻射喇叭總保持在一直線上），使接收的折射波場(chǎng)與入射波場(chǎng)相等，即 Eoi=Eo2,同時(shí)得到斜投射時(shí)，反射波場(chǎng)為零的入射角0i=奧。把測(cè)試數(shù)據(jù)填入表2-1。將輻射與接收喇叭都轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直極化波工作狀態(tài)，適當(dāng)改變自角度，觀察有無全折射（或無反射

16、）現(xiàn)象發(fā)生。表2-1垂直極化入射場(chǎng)E01入射角0120 °30 °40 °50 °60 °70 °80 °85 °反射角9 '反射場(chǎng)E01實(shí)測(cè)夕-理論0 '表2-2水平極化入射場(chǎng)E01入射角0120°30°40°50 °60°70 °80 °85 °反射角夕反射場(chǎng)E0；實(shí)測(cè)9 '-理論9 '表2-3厚度入射場(chǎng)8 P =arcsin(J-)、名n +斗2全折射折射角但dE01計(jì)算值測(cè)試值E。；E02四、實(shí)驗(yàn)

17、報(bào)告內(nèi)容1 .實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表3 .分析測(cè)試值與計(jì)算值之間存在誤差的原因?qū)嶒?yàn)四 電磁波的極化實(shí)驗(yàn)一、預(yù)習(xí)要求1、什么是電磁波的極化 ？它具有什么特點(diǎn)？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(shí)驗(yàn)?zāi)康?、研究幾種極化波的產(chǎn)生及其特點(diǎn)；2、進(jìn)行極化特性實(shí)驗(yàn)，與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、討論；3、通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)電磁波極化特性的理解和認(rèn)識(shí)。三、實(shí)驗(yàn)原理1)極化原理電磁波的極化是電磁理論中的一個(gè)重要概念，它表征在空間給定點(diǎn)上電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的取向隨 時(shí)間變化的特性，并用電場(chǎng)強(qiáng)度矢量 E的端點(diǎn)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

18、三種：線極化、圓極化、橢圓極化。極化波都可看成由 兩個(gè)同頻率的直線極化波在空間合成 ，如圖所示，兩線極化波沿正 Z方向傳播，一個(gè)的極化 取向在X方向，另一個(gè)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(gè)波就分別為水平極化波和垂直極化波。水平極化波：Ex =Exmsin( t -kz)垂直極化波：Ey = Eymsin( t - kz )其中Exm、Eym分別是水平極化波和垂直極化波的振幅，平是Ey超前Ex的相角(水平極化波取為參考相面)。取z=0的平面分析，有E x = ExmSin(t) Ey =EymSin( t )綜合得aEj -bExEv cE； =1x x y y式

19、中a、b、c為水平極化波和垂直極化波的振幅£麗、Evm和相角平有關(guān)的常數(shù)。xi myim此式是個(gè)一般化橢圓方程，它表明由Ex、Ey合成的電場(chǎng)矢量終端畫出的軌跡是一個(gè)橢 圓。所以：1、當(dāng)兩個(gè)線極化波同相或反相時(shí)，其合成波是一個(gè)線極化波；2、當(dāng)兩個(gè)線極化波相位差為 5/2時(shí)，其合成波是一個(gè)橢圓極化波；3、當(dāng)兩個(gè)線極化波振幅相等，相位相差5/2時(shí)，其合成波是一個(gè)圓極化波。極化波的一個(gè)需要重視的地方是極化的旋轉(zhuǎn)方向問題。一般規(guī)定：面對(duì)電波傳播的方向（無論是發(fā)射或接收），電場(chǎng)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的波稱為左旋圓極化波，反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的 波稱為右旋圓極化波。1）喇叭型極化天線工作原理電磁波極化天線是由

20、方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，介質(zhì)圓波導(dǎo)和圓錐喇叭連接而成。介質(zhì)圓波導(dǎo)可做360°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，即垂直介質(zhì)片平面的一個(gè)分量和平行介質(zhì)面的一個(gè)分量。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，Vc = Vn > Vt = -V=，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90?,這就實(shí)現(xiàn)了圓極化波

21、相位條件的要求；為使En與Et的幅度相等，可使介質(zhì)片的n方向跟Y軸之間夾角為 爐士 45?,若介質(zhì)片的損耗略去不計(jì)，則有Etm=Enm=1,2Erm ,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）。為了確定圓極化波右旋、左旋的特性把n轉(zhuǎn)到Y(jié)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(jié)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、橢圓極化波工作使用。當(dāng)作線極化波工作時(shí)，介質(zhì)片 n轉(zhuǎn)到Y(jié)軸相垂直（或平行）。當(dāng)作橢圓極化波工作時(shí)，介質(zhì) 片n到Y(jié)軸夾角可在a=045空間。三實(shí)驗(yàn)儀器DH30002型電磁波極化天線（產(chǎn)品設(shè)計(jì)

22、為9370MHz左右使兩個(gè)分量的波相位差90°）四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1使用方形喇叭形成圓極化波Pr1為垂直柵網(wǎng)，Pr2為水平柵網(wǎng)，當(dāng)輻射喇叭Pr0轉(zhuǎn)角45。后，輻射波的場(chǎng)分為 E/與E_L兩個(gè)分量，Pr1則反射 EL分量，而E /分量透過垂直柵網(wǎng)被吸收；Pr2則反射E/分量，而E，分量透過水平柵網(wǎng)被吸收。這是轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭Pr3,當(dāng)Pr3喇叭E面與垂直柵網(wǎng)平行時(shí)收到E，波。經(jīng)幾次調(diào)整輻射喇叭Pr0的轉(zhuǎn)角使Pr3接收到的|E / |=|E ! | ,實(shí)現(xiàn)了圓極化的幅度相等要求。然后接收喇叭Pr3在E，與E/之間轉(zhuǎn)動(dòng)，將出現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角下|E a |< |E / | （或|E，| ）。這時(shí)改變 Pr2水平柵網(wǎng)適當(dāng)位置，使 Pr3接收的波具有|E a |=|E / |=|E !| ,從而實(shí)現(xiàn)了 E/與E，兩個(gè)波的相位差為土 90。，得到圓極化波（因?yàn)閳A極化應(yīng)該 在接收天線任意角度