實驗1電磁波參量的測量

1、實驗 1 電磁波參量的測量作者：日期：2【單周一專業(yè)：信息與實驗報告通信工程姓名：劉課程名稱： _電磁場與微波實驗實驗名稱： _實驗一電磁波參量的測量一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┤⒅饕獌x器設(shè)備（必填）五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理七、討論、心得_指導(dǎo)老師：王子立成績： _ _實驗類型： _ 測量型 _同組學(xué)生姓名：盛慧文二、實驗內(nèi)容和原理（必填）四、操作方法和實驗步驟六、實驗結(jié)果與分析（必填）一、實驗?zāi)康暮鸵?學(xué)習(xí)均勻平面電磁波特性的基礎(chǔ)上，觀察電磁波傳播特性。2通過測定自由空間中電磁波的波長，來確定電磁波傳播的相位常數(shù)k 和傳播速度 v。3相干波原理測量波長的方法。二、實驗內(nèi)容和原理1實驗內(nèi)容（1

2、）了解與熟悉微波分光儀的結(jié)構(gòu)和使用方法。（2）測量電磁波的波長 。2實驗原理均勻平面電磁波在各項同性均勻煤質(zhì)中傳播時，具有以下特性：1. 平面電磁波向 Z 防線傳播時， E、H 和 S 三者互相垂直。2.波因子 e jk r 中的相位常數(shù) kw2v，可見當(dāng)電磁波的 或已知時，其相位常數(shù)k 就被確定。3.真空中電磁波傳播速度 v1c 3 108（米 /秒），在介質(zhì)內(nèi)電磁波的傳播速度001。v4. 均勻平面電磁波在空氣中的波阻抗0120377 （歐）0本實驗利用相干波原理來測量電磁波的波長，再由 k2得到電磁波的， v fk主要參量 k、v 等。實驗名稱：名：劉曉辰實驗一電磁波參量的測量學(xué)號：31

3、20103790P. 4姓圖 1相干波測量波長實驗裝置如圖1 所示。圖中 Pr0、Pr1、Pr2、 Pr3 分別表示輻射喇叭天線、固定金屬反射板、可動金屬反射板和接收喇叭天線。圖中介質(zhì)板是一塊30×30(cm)2玻璃板。由發(fā)射喇叭天線輻射來的電磁波一部分經(jīng)介質(zhì)板反射到達(dá)Pr1，再經(jīng) Pr1反射和介質(zhì)板的折射到達(dá)接收喇叭；另一部分能量通過介質(zhì)板折射到達(dá)Pr2，再經(jīng) Pr2 反射和介質(zhì)板的折射到達(dá)接收喇叭。這樣，兩部分能量在接收喇叭處形成相干波。設(shè)介質(zhì)分界面上以入射角1斜入射一個垂直極化波，入射波電場為：EiEot e jk1r則在分界面上便產(chǎn)生反射波Er 和折射波 Et。我們用 R表示

4、介質(zhì)板的反射系數(shù)，用 To和 T分別表示由空氣進(jìn)入介質(zhì)板和由介質(zhì)板進(jìn)入空氣的折射系數(shù)，而固定的和可動的金屬反射板的反射系數(shù)為 -1。在一次近代的條件下，接收喇叭 Pr3 收到的兩相干波為：Er1R T oT Ei e j 1Er 2R T T oEi ej2兩者的幅度相等。若忽略電磁波在介質(zhì)中行程Z 的相位值，則式中： =k(2Z1=k(2Zo+Zr1)=kZ 1+Z)=k(2Zo+2l+Z )=kZ22r2r1r1所以Z=Z2-Z1=2l由于 Z1 o+Zr1 為固定值， Z21+2l是可變的，所以當(dāng)改變可動反射板Pr2 的位置（即=2Z=Z改變 Z2 值）就可使 Er1 和 Er2 同相疊

5、加或者反相疊加。同相疊加時， Pr3 輸出指示最大；反相疊加時， Pr3 輸出指示為零。這樣，我們通過改變 Pr2 的位置，即改變 l值，使 Pr3 輸出指示最大值與零值交替出現(xiàn)， 從而測出電磁波的波長 ，并得到相位常數(shù) k。其數(shù)學(xué)表達(dá)式推導(dǎo)如下：接收喇叭 Pr3 的合成電場：實驗名稱：實驗一 電磁波參量的測量姓名：劉曉辰學(xué)號： 3120103790 P. 5ErEr 1 Er 2R T oT Ei (e j 1e j 2 )R T oT Ei e j (12 )/2 e j ( 1 2 )/2ej ( 1 2 )/2 2R T oTEi cos( 12 )e j ( 12 )/22相位差 =

6、122-Z1)=2k l-=k(Z為使測得的波長 值較準(zhǔn)確，通常取Pr3 指示為零的點作為節(jié)點，即：cos02則2(2n1) , n0,1,22因2k l2l2故得(2 n1)2l2或2 l(2 n1)2這里 n=0，1，2 表示相干波合成電場 Er=0 時 Pr3 所在的節(jié)點， 記這時 Pr3 的位置為 l n，我們可以通過相干波的節(jié)點來求得 值。將波形圖示于圖 2 上。圖 2當(dāng) n=0 時， 2l2(Zr 20Z0 )，得到第一個波節(jié)點的位置l0；2當(dāng) n=1 時，2l2( Zr 21Z0 )3 ，得到第二個波節(jié)點的位置l 1；2依次類推，可得當(dāng) n=N 時， 2l2( Zr 2 NZ0

7、)(2 N 1) ，得到第（ N+1）個波節(jié)點的位置 lN 。顯然，2當(dāng)波節(jié)點總數(shù)為（ N+1）時， Pr2 移動的總距離為（ l N-l 0），它等于 N 個半波長數(shù)。即2(l N-l 0）=N實驗名稱：實驗一 電磁波參量的測量姓名：劉曉辰學(xué)號： 3120103790 P. 6可得2(lN l 0 )N從k2fk就可得被測電磁波的參量、 k、 值。由于得到的測試波長為平均值，從理論上講，N 值越大，得到的精度越高。實際測量中，一般取 N=4，對應(yīng)于 5 個波節(jié)點，則所測得波長為：2(l 4l 0 )4它表示 5 個波節(jié)點間距離，對應(yīng)4 個半波長。試驗中，由于實驗裝置中可移動金屬板的移動裝置限

8、制，可能取不到 5 個波節(jié)點；而且由于發(fā)射和接收天線的距離較短 （即為近區(qū)場），易產(chǎn)生各種發(fā)射和折射的干擾，因而在測量中不僅節(jié)點的均勻分布會受影響，而且節(jié)點的波谷值也會有起伏。（注意：由于只取波節(jié)點的位置且計算時取其長度的平均值， 因此節(jié)點波谷值的起伏不影響測量結(jié)果。 ）三、主要儀器設(shè)備DH926A 型微波分光儀一套，其中信號源為固態(tài)信號源，信號源輸出加一可變衰減器，用來調(diào)節(jié)信號源輸出功率的大小。發(fā)射與接收信號采用矩形喇叭天線，在接受喇叭后接警惕檢波器，接收到得信號經(jīng)檢波后通過微安表指示。四、操作方法和實驗步驟1. 首先按圖 1 安裝實驗裝置。圖中發(fā)射喇叭應(yīng)位于可動金屬反射板 Pr2 法線方向

9、上，接收喇叭處于固定金屬反射板 Pr1 法線方向上，固定金屬板反射板與可動金屬反射板應(yīng)保持互相垂直。介質(zhì)板在測試中應(yīng)在兩金屬反射板中間，并與兩金屬板法線各成 45o 角，從而使發(fā)射喇叭輻射來的電磁波經(jīng)介質(zhì)板反射后能入射到固定金屬反射板上。2. 轉(zhuǎn)動可動金屬反射板的手柄，使接收喇叭輸出值是最大，同時調(diào)節(jié)可變衰減器，使得微安表最大讀數(shù)為 80uA 左右。3. 轉(zhuǎn)動可動金屬反射板的手柄，找出金屬反射板 Pr2 的第一個波節(jié)點位置 l0，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動手柄，使可動金屬反射板 Pr2 移動到不同位置的 li 處，即微安表讀數(shù)由最小變到最大，再變?yōu)樽钚。来握业絅 個波節(jié)點。由l0 到 lN 共有（ N+1

10、）個波節(jié)點，總間距為(lN-l0) ，由此可得到信號源輻射電磁波的自由空間波長平均值和相位常數(shù) k。（本實驗采用 9375MHz 工作頻率）五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理1、實驗波節(jié)點位置波節(jié)點序號12345位置（ mm）4.1221.1837.4753.4769.17實驗名稱：名：劉曉辰實驗一電磁波參量的測量學(xué)號：3120103790P. 7姓2、數(shù)據(jù)處理工作頻率 f 0 （對應(yīng)0 ）9375MHz微安表零指示次數(shù)（ N+1）5可動板總位移ll n l065.05mm空間自由波長2l / N32.525mm波的相位常數(shù) k2 /193.18波的相速度v 2f 0 / k c×3.049m/

11、s由頻率得到的波長波長相對誤差：六、實驗結(jié)果與分析1. 比較由已知頻率得到的波長0 與自由空間中測得的波長 之間的差異，分析原因。答：二者波長的相對誤差為 1.64%，比較小，說明實驗做得較好。但實驗中仍存在誤差，原因有以下幾個方面。（1）環(huán)境噪聲干擾。 電磁波在空氣中傳播時會受外界環(huán)境 （如溫度、介質(zhì)、人）等影響，所以計算理論值時會有一定誤差。有多組實驗正在進(jìn)行，因而接收喇叭接收到的電磁波信號不僅包括發(fā)射的電磁波， 還包括其他實驗組的電磁波輻射和環(huán)境中的其他介質(zhì)反射的電磁波。（2）實驗操作的影響。金屬反射板的垂直狀態(tài)和介質(zhì)板的 45 度調(diào)節(jié)都是目測，存在一定的誤差。存在讀數(shù)誤差。（3）理論計

12、算中，是假設(shè)了介質(zhì)板和反射板是無限大， 忽略了電磁波在空間傳播的泄露；而實際測量中，由于金屬反射板是有限長的，會有未被反射的電磁波，對實驗結(jié)果有一定影響。（4）發(fā)射和接收天線的距離較短，為近區(qū)場，容易產(chǎn)生各種反射和折射的干擾，影響節(jié)點的均勻分布。2.相干波測自由空間波長時，介質(zhì)板的放置為什么必須如圖1 所示？如果將介質(zhì)板轉(zhuǎn)動 90°，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？這樣能否測準(zhǔn)自由空間波長？試說明原因。這樣防止可以抵消由于折射帶來的誤差。因為經(jīng)Pr1 反射的波的路徑為反射反射折射，經(jīng) Pr2 反射的波的路徑為折射反射反射，路徑大致相同。而若將介質(zhì)板轉(zhuǎn)過 90 度，則到達(dá)接收喇叭的兩路波路徑完全不同， 一條是直接由介質(zhì)板反射得到，另一條則經(jīng)折射反射反射折射得到，會使兩者的幅度差別較大，難以測量實驗名稱：名：劉曉辰實驗一電磁波參量的測量學(xué)號：3120103790P. 8姓疊加后的波節(jié)