電磁場與電磁波實驗

1、 電磁場實驗報告信息與通信工程學院電磁場實驗實驗報告班級： 2010211123班姓名： 學號： 序號： 日 期：2012年 12月22日目錄實驗一 電磁波參量的測量3一、實驗目的3二、實驗原理3三、實驗內(nèi)容2四、實驗步驟2五、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果整理3六、誤差分析3七、思考題4實驗二 均勻無耗媒質(zhì)參量的測量5一、實驗目的5二、實驗原理5三、實驗內(nèi)容7四、實驗步驟7五、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果整理8六、誤差分析9七、思考題9實驗三 電磁波反射、折射的研究10一、實驗目的10二、實驗原理10三、實驗內(nèi)容2四、實驗步驟2五、實驗數(shù)據(jù)3六、實驗結(jié)果整理3七、誤差分析4八、思考題4實驗一 電磁波參量的測量一、實驗目的

2、1.在學習均勻平面電磁場特性的基礎上，觀察電磁波傳播特性。2.熟悉并利用相干波原理，測定自由空間內(nèi)電磁波波長，并確定相位常數(shù)和波速。二、實驗原理兩束等幅，同頻率的均勻平面電磁波，在自由空間以相同或相反方向傳播時，由于初始相位不同發(fā)生干涉現(xiàn)象，在傳播路徑上可形成駐波場分布。本實驗正是利用相干波原理，通過測定駐波場節(jié)點的分布，求得自由空間內(nèi)電磁波波長值，再由=2，=f=得到電磁波的主要參數(shù)：，等。圖1-1 其中的測量方法如下：設入射波為：Ei=E0ie-j。當入射波以入射角1向介質(zhì)板斜投射時，則在分界面上產(chǎn)生反射波Er和折射波Et。設介質(zhì)板的反射系數(shù)為R，由空氣進入介質(zhì)板的折射系數(shù)為T0，由介質(zhì)板

3、進入空氣的折射系數(shù)為Tc，另外，可動板Pr2固定板Pr1都是金屬板，其電場反射系數(shù)為-1。在一次近似的條件下，接收喇叭Pr3處的相干波分別為Er1=-RT0TcE0ie-j1，Er2=-RT0TcE0ie-j2。在Pr3處相干波合成為 Er=Er1+Er2=-RT0TcE0i(e-j1+e-j2)式中=1-2=2*L為了準確測量，一般采用Pr3零指示法，即cos2=0或=(2n+1) n=0,1,2這里n表示相干波合成駐波場的波節(jié)點（Er=0）數(shù)。同時，除n=0以外的n值，又表示相干波合成駐波的半波長數(shù)。故把n=0時Er=0的駐波節(jié)點為參考節(jié)點的位置L0，又因=2*(2)*L故2n+1=2*(

4、2)*L或4L=2n+1可得=2(Ln-L0)n (n為半波長數(shù)，一般n=4已足夠)圖2-2 相干波Er1和Er2分布圖三、實驗內(nèi)容1.了解電磁波綜合測試儀的工作特點，使用方法，特別要熟悉和掌握利用相干波原理測試電磁波波長的方法。2.儀器工作正常后，觀察電磁波E、H和S三者符合右手螺旋規(guī)則。3.測值。移動可動板Pr2，并測出相應節(jié)點位置L，根據(jù)測得的L值及n值，計算、4.用EIP25頻率計測出信號源頻率，并計算0(=cf0)，并與所測進行比較。四、實驗步驟1.整體機械調(diào)整：調(diào)整發(fā)射喇叭Pr0，接收喇叭Pr3，使其處于同種極化狀態(tài)。2.安裝反射板，半透射板：注意反射板Pr1與Pr2軸向成90&#

5、176;角，半透射板軸向與Pr1軸向成45°角，并注意反射板Pr1，Pr2的法向分別與Pr3、Pr0軸向重合。3.將所有調(diào)整到位部分用螺絲鎖緊，調(diào)整發(fā)射端的衰減器以控制信號電平，使Pr3表頭指示為80。4.旋轉(zhuǎn)游標使可移動反射板Pr2的起始位置在最右側(cè)（或最左側(cè)），用旋轉(zhuǎn)手柄移動Pr2使所有節(jié)點位置處，Pr3表頭指示都為零。此時說明整個系統(tǒng)調(diào)整到位。5.測量：用旋轉(zhuǎn)手柄使反射板移動，從表頭上測出n+1個零點，同時從讀數(shù)機構(gòu)上得到所有節(jié)點位置L0到Ln，并記錄。6.連續(xù)測3次，用公式計算波長，并將3次波長求平均值，n取3或4即可。7.用所測波長計算、的值五、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果整理1.原始數(shù)

6、據(jù)表格：（微安表讀數(shù)選取左右偏離2uA的地方讀數(shù)）單位：mm第一組第二組第三組第四組L左/mm4.10018.56534.75551.100L右/mm6.48521.07037.14553.480L/mm5.29319.81835.95052.2402.理論值：從儀器標稱來看，發(fā)射頻率為f0=9.3718GHz，0=c0f0=32.011mm3.計算值：（1）波長：波長的實際值：=2*L3+L2-L1+L04=31.298mm相對誤差：=0-0*100%=|32.011-31.29832.011|*100%=2.23%絕對誤差：=0-=0.713mm在誤差允許范圍內(nèi)，可認為結(jié)果正確。（2）下面

7、計算，v的計算值：=20.201v=2f2.9332*108m/s六、誤差分析由以上計算可得，計算的結(jié)果與理論值有一定偏差，但是誤差還在誤差允許范圍內(nèi)，所以屬于正常誤差，誤差產(chǎn)生原因由以下幾點：1. 整體機械調(diào)整時，都是用人眼來確定是否水平，是否垂直，喇叭的調(diào)整也不精準，不能保證完全平行極化或垂直極化，所以產(chǎn)生了誤差2. 用相干波測波長的裝置讀數(shù)時，微安表刻度有限，底座上的角度刻度表也精度有限3. 讀數(shù)的時候，人眼讀書也會存在一定的誤差，所測量的數(shù)據(jù)組數(shù)有限；4. 實驗室內(nèi)的溫度在實驗過程中發(fā)生變化，并且空氣中電磁波的傳播速度小于真空中的光速，而計算時默認為真空光速計算的。七、思考題用相干波測

8、量電磁波波長時，圖1-1中的介質(zhì)板放置位置若轉(zhuǎn)900，將出現(xiàn)什么現(xiàn)象？這時能否側(cè)準？為什么？答：答：原測量方式中Er1=-RT0TcE0ie-j1，Er2=-RT0TcE0ie-j2。介質(zhì)板旋轉(zhuǎn)90°后Er1=-RT0TcE0iej1，Er2=-RT0TcE0ie-j2。介質(zhì)板旋轉(zhuǎn)后使得T0Tc產(chǎn)生的幅度，相位變化也計入兩項和之中，因此很可能無法產(chǎn)生明顯的駐波分布，故無法準確測量的值。實驗二 均勻無耗媒質(zhì)參量的測量一、實驗目的1.應用相干波節(jié)點位移法，來研究均勻無損耗媒質(zhì)參量r的測試；2.了解均勻無損耗媒質(zhì)中電磁波參量、與自由空間內(nèi)電磁波參量0、0、c的差別；3.熟悉均勻無損耗媒質(zhì)分

9、界面對電磁波的反射和折射的特性。二、實驗原理媒質(zhì)參量一般應包括介電常數(shù)和磁導率兩個量，它們由媒質(zhì)特征方程D=E和B=H來表征，要確定，的值，總是要和場量E和H聯(lián)系在一起，對于損耗媒質(zhì)來說，和為復數(shù)，且和頻率有關。這里，我們僅僅對均勻無損耗電介質(zhì)的介電常數(shù)進行討論（r=1的情況），最終以測定相對介電常數(shù)（r=0）來了解媒質(zhì)的特性和參量。用相干波原理和測駐波節(jié)點的方法可以確定自由空間內(nèi)電磁波參量0、0、c，對于具有r的均勻無耗媒質(zhì)，無法直接測得媒質(zhì)中的、值，不能得到媒質(zhì)參量值。但是我們利用類似相干波原理實驗裝置，即實驗一中的實驗裝置，根據(jù)對r板放置前后引起駐波節(jié)點位置變化的辦法，測得相位變化值，進

10、而測定媒質(zhì)r值。首先固定Pr1，移動Pr2使Pr3出現(xiàn)零指示，此時Pr2的位置在L3，然后緊貼Pr2的表面放置具有厚度為的待測r介質(zhì)樣品板，Pr2仍處于波節(jié)點位置L3，由于r板的引入使Pr3指示不再為零,如圖2-2中的（a）和（b）所示：我們把喇叭輻射的電磁波近似看做平面波，設Pr3接收喇叭處的平面波表達式：Er2=E0re-jz由于Pr2處存在厚度為的r的媒質(zhì)板（非磁性材料的媒質(zhì)r=1）使Pr3處的Er1和Er2之間具有相位差。（a）(b)媒質(zhì)板厚度為，則r板內(nèi)總的相位滯后值為=-0=0*2(r-1)為再次使Pr3處實現(xiàn)相干波零指示接收，必須把Pr2連同r板向前推進L，造成一個相位增量，其值

11、為=20*2l=0*2l從而補償了r板的相位滯后, 使Pr3處實現(xiàn)零指示，有=，整理后可得：r=(1+l)2=0r=0(1+l)=2=0(1+l)=cr=c(1+l)利用邊界條件還能算得，反射系數(shù)與折射系數(shù)：R0=1-r1+rT0=21+r三、實驗內(nèi)容1.用卡尺在r板的四周測量其厚度，并取平均值。2.根據(jù)圖測出沒有r時的所有節(jié)點位置及有r時對應的所有節(jié)點位置，計算其對應節(jié)點的差值，并計算其平均值L。3.把測試值列入表格中，并根據(jù)相應關系式，得到被測介質(zhì)板的r值，介質(zhì)中的電磁波參量、及分界面上的R、T的值。四、實驗步驟1.整體機械調(diào)整：并測出r板的平均厚度。2.根據(jù)圖示安裝反射板、透射板：固定P

12、r1，移動Pr2使Pr3表頭指示為零，記下Pr3處L的位置。3.將具有厚度為待測r的介質(zhì)板放在Pr2處，必須緊貼r表面，同時注意在放進r板之后，Pr2仍處于波節(jié)點L的位置。此時指示Pr3不再為零。4.將Pr2和r共同移動，使Pr2由L移到L處使Pr3再次示零，得到L=L-L。5.計算r、R、T的值。五、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果整理（1）用卡尺在r板的四周測量其厚度，數(shù)據(jù)如下：第一組第二組第三組第四組/mm6.186.285.805.70/mm5.99（2）媒質(zhì)參量測試數(shù)據(jù)表：（0=32.011mm，0=20=196.1826 rad/m）第一組第二組第三組第四組L左/mm4.10018.56534.75

13、551.100L右/mm6.48521.07037.14553.480L/mm5.29319.81835.95052.240L左'/mm14.10031.08547.130L右'/mm16.47033.38549.425L'/mm15.28532.23548.278L/mm4.5333.7153.962L/mm4.070r=(1+l/)23.08622.62502.7604=0r m18.221619.757619.2670r=0r rad/m344.645317.852325.947V=Cr m/s1.708×1081.852×1081.806&#

14、215;108R=(1-r)(1+r)-0.2745-0.2367-0.2485T=2(1+r)0.72550.76330.7515注：（1）r、R、T的計算值已經(jīng)包含在上表中。（2）有介質(zhì)板的情況下，第一組的數(shù)據(jù)讀不出來，所以第一組的數(shù)據(jù)缺失，只用了二，三，四組的數(shù)據(jù)六、誤差分析由以上計算可得，計算的結(jié)果與理論值有一定偏差，但是誤差還在誤差允許范圍內(nèi)，所以屬于正常誤差，誤差產(chǎn)生原因由以下幾點：1.整體機械調(diào)整時，都是用人眼來確定是否水平，是否垂直，喇叭的調(diào)整也不精準，不能保證完全平行極化或垂直極化，所以產(chǎn)生了誤差2.用相干波測波長的裝置讀數(shù)時，微安表刻度有限，底座上的角度刻度表也精度有限3.

15、讀數(shù)的時候，人眼讀書也會存在一定的誤差，所測量的數(shù)據(jù)組數(shù)有限；4.實驗室內(nèi)的溫度在實驗過程中發(fā)生變化，并且空氣中電磁波的傳播速度小于真空中的光速，而計算時默認為真空光速計算的。5介質(zhì)板的四個角測出來的不完全一樣，說明介質(zhì)板不均勻，有誤差。七、思考題本實驗內(nèi)容用r=1測試均勻無損耗媒質(zhì)r值，可否測r1的磁介質(zhì)？試說明原因。答：不能因為在本實驗中所有推導公式的前提都是r=1，如果r1，則不能用實驗中用到的推導公式。實驗三 電磁波反射、折射的研究一、實驗目的1.研究電磁場在良好導體表面的反射。2.研究電磁場在良好介質(zhì)表面的反射和折射3.研究電磁場發(fā)生全反射和全折射的條件。二、實驗原理1.電磁波斜入射

16、到兩種不同媒質(zhì)分界面上的反射和折射 均勻平面波斜入射到兩種不同媒質(zhì)的分界面上發(fā)生反射和折射，以平行極化波為例：（1） 反射定律：1=1'(3-1)（2） 折射定律：sin2=21sin1(3-2)2.平行極化波入射到兩種媒質(zhì)分界面上的反射系數(shù)Rp和折射系數(shù)Tp分別為：Rp=-21cos+21-(sin)2(21)cos+21-(sin)2Tp=221-(sin)221cos+21-(sin)2(3-3)平行極化波斜入射時發(fā)生全折射，即Rp=0，由（3-3）應有：21cos=21-(sin)2(3-4)可以解出全折射時的入射角1=p=sin-121+2(3-5)p稱為布儒斯特角，它表示在

17、1,2分界面上實現(xiàn)全反射的入射角。行極化波斜入射到厚度為d的介質(zhì)板上，如圖3-1所示：當1=p時，入射波在第一個界面上發(fā)生全折射，折射波入射在第二個界面上，仍然滿足(3-5)式中的條件發(fā)生全折射，在介質(zhì)板后面就可以接收到全部的入射信號。103.垂直極化波不可能發(fā)生全折射（無反射）波入射到兩種媒質(zhì)的分界面上，反射系數(shù)Rn和折射系數(shù)Tn分別為：Rn=cos-21-(sin)2cos+21-(sin)2 Tn=2coscos+21-(sin)2對于一般媒質(zhì)12，12，可以證明，垂直極化波無論是從光疏媒質(zhì)入射到光密媒質(zhì)，還是從光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)，總有：cos21-(sin)2，即RN0所以不可能發(fā)

18、生全折射。沿任意方向極化的平面電磁波，以1=p入射到兩種媒質(zhì)的分界面上時分界面上時反射波中只有垂直極化波分量，利用這種方法可以產(chǎn)生垂直極化波。4.電磁波斜入射到良導體表面的反射：對于良導體，E2=0，所以E1+=E1-，|R|=1，|T|=0所以，在良導體表面上斜投射的電磁波，其反射長等于入射場，反射角等于入射角。三、實驗內(nèi)容（1）測量電磁波入射到良導體表面的反射特性（2）觀察，測試介質(zhì)板上的反射與折射（3）測試平行極化波斜入射到介質(zhì)板上發(fā)生全折射時的布儒斯特叫（4）觀察垂直極化波斜入射到介質(zhì)板上是否發(fā)生全折射四、實驗步驟（1）調(diào)試試驗裝置：首先使兩個喇叭天線互相隊正，它們的軸線應該在一條直線

19、上，具體方法如下：旋轉(zhuǎn)工作平臺使00刻線與固定臂上的指針對正，再轉(zhuǎn)動活動臂使活動臂上的指針對正工作平臺上的1800刻線，然后鎖定活動臂。打開固態(tài)信號源上的開關，連接在接收喇叭天線上的微安表將有指示，分別調(diào)整發(fā)射喇叭天線和接收喇叭天線的方向，使微安表的指示最大，這時發(fā)射天線與接收天線互相對正。（2）測試電磁波入射到良導體表面的反射特性首先不加反射板，使發(fā)射天線與接收天線互相對正，調(diào)整固態(tài)信號源，測出入射波電場（可使微安表指示80uA）。然后把良導體反射板放在轉(zhuǎn)臺上，使導體板平面對準轉(zhuǎn)臺上的900刻線，這時轉(zhuǎn)臺上的00刻線與導體板的法線方向一致。改變?nèi)肷浣?，測在反射角1=1時的反射波場強E01（

20、仍用微安表指示的電流表示），把測試數(shù)據(jù)填入表3-1中。最后可把接收天線轉(zhuǎn)到導體板后（1800刻線處），觀察有無折射波。（3）平行極化波斜入射到介質(zhì)板上的斜折射實驗 1）把發(fā)射天線和接收天線都轉(zhuǎn)到平行極化波工作狀態(tài)，首先測量入射波電場E01（可使微安表指示80uA）。然后把玻璃板放在轉(zhuǎn)臺上，使玻璃板平面對準轉(zhuǎn)臺上的900刻線。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺改變?nèi)肷浣?，使E01=E02，同時得到斜入射時，反射波場強為零的入射角（可把接收天線轉(zhuǎn)到反射波方向驗證），這時1=p，把測量數(shù)據(jù)填入表3-3中。2）把發(fā)射天線和接收天線都轉(zhuǎn)到垂直極化波工作狀態(tài)，重復上述實驗，觀察有無全折射現(xiàn)象。3）把發(fā)射天線喇叭轉(zhuǎn)到任意方向（例如順時針旋轉(zhuǎn)450），使入射角1=p，在反射波方向分別測量水平極化波和垂直極化波，記錄實驗結(jié)果，把測量數(shù)據(jù)填入表3-4.五、實驗數(shù)據(jù)（1）電磁波入射到良導體表面的反射特性：表3-1入射場E01 74uA入射角1300400500600反射角1300400500600反射場E0162uA68uA86uA71uA（2）平行極化波斜入射到介質(zhì)板上的全折射實驗：(玻璃的介電常數(shù)約為5)表3-3全折射現(xiàn)象p入射場E01反射場E01折射場E02測量值計算值74uA0uA86u