電磁場與電磁波實驗講義

1、電磁場與電磁波實驗講義（試用）實驗一、電磁波的反射特性研究一、實驗?zāi)康?、研究電磁波在良導(dǎo)體表面的反射;2、熟悉微波分光儀DH962B的使用方法。法線二、實驗原理r反射波入射波i金屬反射板實驗原理圖 如上圖所示,電磁波在傳播過程中如遇到障礙物,必定要發(fā)生反射,我們用一塊金屬板作為障礙物來研究當(dāng)電磁波以某一入射角投射到此金屬板上所遵循的反射定律,即反射線在入射線和通過入射點的法線所決定的平面上,反射線和入射線分居在法線兩側(cè),反射角等于入射角(如上圖所示,r =i)。三、實驗裝置 (1)實驗裝置示意圖微安表三厘米固態(tài)信號源接收喇叭天線發(fā)射喇叭天線金屬反射板四、實驗內(nèi)容和步驟1、熟悉微波分光儀的結(jié)構(gòu)

2、、儀器的連接和系統(tǒng)調(diào)整: 在微波分光儀的底座上有兩個支臂,其中一個為固定支臂,另一個支臂則可繞中心軸旋轉(zhuǎn)(帶固定螺釘),發(fā)射喇叭天線和信號源安裝在固定支臂上,接收喇叭天線和微安表安裝在旋轉(zhuǎn)支臂上。微波分光儀底座中央有一帶角度刻度線的園形工作平臺。儀器連接時,兩喇叭天線的口面應(yīng)正對,它們各自的軸線應(yīng)在同一條直線上,兩個臂的位置指針應(yīng)分別指向工作平臺的900刻度處。按信號源的操作規(guī)程打開電源,調(diào)節(jié)衰減器使微安表有一適當(dāng)?shù)淖x數(shù)(滿量程的三分之二及以上,這樣可以減小讀數(shù)誤差對測試結(jié)果的影響)。將帶支座的金屬反射板放在園形工作平臺上(注意:金屬反射板的平面應(yīng)與支座下面的小園盤上的某一對刻度線一致),在將

3、帶支座的金屬反射板放在園形工(2)作平臺上時,應(yīng)注意兩點:(1)使小園盤的刻度線(與金屬板平面一致的一對刻度線)與工作平臺上相應(yīng)900刻度的一對刻度線一致,這時工作平臺上的00刻度線就與金屬反射板的法線方向一致;(2)利用工作平臺上的固定螺釘將金屬反射板的支座固定。2、測量入射角和反射角: 轉(zhuǎn)動工作平臺,使固定臂的指針指在某一角度處,該角度數(shù)就是入射角,然后轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臂使微安表的讀數(shù)達(dá)到最大,此時旋轉(zhuǎn)臂上的指針?biāo)傅目潭染褪欠瓷浣?。如果此時微安表的指示太大或太小,可調(diào)節(jié)信號源的衰減器,使微安表的指示有一適當(dāng)值。做此項實驗時,入射角最好取300至650之間,因為入射角太大接收喇叭天線有可能直接接收

4、到入射波。按下表所示入射角,分別測出它們所對應(yīng)的反射角。入射角(0)3035404550556065反射角(0)注意:實驗時應(yīng)注意周圍環(huán)境對測試結(jié)果的影響;實驗裝置附近不可有運動物體,甚至測量者頭部的移動都有可能影響測量結(jié)果,所以測量者應(yīng)坐在接收天線后面讀數(shù)。五、實驗儀器1、DH926B微波分光儀; 2、三厘米固態(tài)信號源; 3、帶支座的金屬反射板; 4、角錐喇叭天線; 5、微安表。 (3)六、預(yù)習(xí)要求1、熟悉實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗?nèi)容和步驟; 2、設(shè)計出記錄數(shù)據(jù)的表格,寫出預(yù)習(xí)報告。七、實驗報告要求1、寫出實驗名稱、作者、合作者、實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗?nèi)容和步驟、畫出實驗裝置示意圖;2、實

5、驗結(jié)果；3、分析可能引起測量誤差的因素。實驗二、電磁波的極化特性研究一、實驗?zāi)康?1、研究線極化波、圓極化波和橢圓極化波的形成和特點; 2、了解線極化波、圓極化波和橢圓極化波特性參數(shù)的測試方法; 3、進(jìn)一步熟悉微波分光儀DH962B的使用方法。二、實驗原理平面電磁波的極化是指電磁波傳播時,空間某點電場強度矢量E隨時間變化的規(guī)律。若E的末端總在一條直線上周期性變化,稱為線極化波。若E的末端的軌跡是圓(或橢圓),稱為圓(或橢圓)極化波。若圓運動軌跡與波的傳播方向符合右手(或左手)螺旋規(guī)則時,則稱為右旋(或左旋)圓極化波。線極化波、圓極化波和橢圓極化波都可由兩個同頻率的正交線極化波組合而成。 設(shè)同頻

6、率的兩個正交線極化波的電場為: Ex=Exmcos(t-1) (1) (4) Ey=Eymcos(t-2) (2)1、線極化波的合成:當(dāng)Ex、Ey的相位相同時,即1=2=,合成電場為 E=exExmcos(t-)+eyEymcos(t-) 合成電場的大小為: E=Exm2+Eym21/2cos(t-) (3) 合成電場的方向為(與x軸的夾角):=tg-1Ey/Ex=tg-1Eym/Exm=常數(shù) (4) 由式(3)和式(4)可以看出,合成電場的大小隨時間作周期性變化,但方向不變,始終在一條直線上,合成后為線極化波,如圖一所示。 xyEyExEo圖一 線極化波2、圓極化波的合成:(暫不做) 在式(

7、1)和式(2) 中,當(dāng)Exm=Eym=Em,相位差為900時 Ex=Emcos(t-1) Ey=Emcos(t-1-/2)=Emsin(t-1) 合成電場的大小為: (5) E=Em=常數(shù) (5) 合成電場的方向為(與x軸的夾角): =tg-1Ey/Ex=t-1 (6) 由式(5)和式(6)可以看出,合成電場的大小不變,但方向隨時間變化。合成電場矢量的末端在一圓周上以角速度旋轉(zhuǎn),這就是圓極化波,如圖二所示。 oxyExEyE右旋左旋圖二 圓極化波 設(shè)電磁波沿Z軸傳播,當(dāng)Ey較Ex滯后900時,合成電場矢量沿逆時針方向旋轉(zhuǎn),是右旋圓極化波;當(dāng)Ey較Ex超前900時,合成電場矢量沿順時針方向旋轉(zhuǎn),

8、是左旋圓極化波。3、橢圓極化波的合成: 在式(1)和式(2)中,當(dāng)Ey和 Ex具有不同振幅和不同相位,則合成波矢量的端點軌跡是一個橢圓,因此,這種平面波就是橢圓極化波。 當(dāng)Ey分量較Ex分量滯后時,合成電場矢量沿逆時針方向旋轉(zhuǎn),與傳播方向(Z軸正方向)形成右旋橢圓極化波;當(dāng)Ey分量較Ex分量超前 (6)時,合成電場矢量沿順時針方向旋轉(zhuǎn),與傳播方向(Z軸正方向)形成左旋橢圓極化波。三、實驗裝置介紹 實驗裝置如圖三所示圖三 實驗裝置垂直金屬絲柵板 發(fā)射喇叭天線介質(zhì)分光板水平金屬絲柵板接收喇叭天線介質(zhì)分光板將發(fā)射天線輻射出的電磁波分為兩路:一路反射到垂直金屬絲柵板,另一路折射到水平金屬絲柵板。 垂直

9、金屬絲柵板反射垂直極化波(濾除水平極化波);水平金屬絲柵板反射水平極化波(濾除垂直極化波)。 把發(fā)射喇叭天線轉(zhuǎn)動一個角度,可同時產(chǎn)生E和E兩個同頻率的入射波: E+=Ei+sin (7) (7) E+=Ei+cos (8) E+經(jīng)介質(zhì)分光板的反射,垂直金屬絲柵板的反射和介質(zhì)分光板的折射到達(dá)接收喇叭天線處的場強為E+2; E+經(jīng)介質(zhì)分光板的折射,水平金屬絲柵板的反射和介質(zhì)分光板的反射到達(dá)接收喇叭天線處的場強為E+2。由式(7)和式(8)可知,調(diào)整發(fā)射喇叭天線的轉(zhuǎn)角,可改變E+和E+的幅度,從而可改變E+2和E+2的幅度(注意:當(dāng)=450時, E+=E+,但由于RR,TT, 故E+2和E+2的幅度

10、并不相等);當(dāng)前后調(diào)節(jié)水平金屬絲柵板的位置,就可以改變E+2在空間傳播的波程,從而可改變E+2和E+2之間的相位差。因此,適當(dāng)調(diào)整發(fā)射喇叭天線的轉(zhuǎn)角和前后調(diào)節(jié)水平金屬絲柵板的位置,就可改變E+2和E+2的幅度及二者之間的相位差。當(dāng)E+2和E+2的幅度相等, =/2時,就可在接收喇叭天線處獲得園極化波;當(dāng)=時,就可在接收喇叭天線處獲得線極化波。當(dāng)E+2和E+2的幅度不同,相位也不同時,就可在接收喇叭天線處獲得橢園極化波。四、實驗內(nèi)容和實驗方法 1、圓極化波的調(diào)試與測試: 兩個同頻率的正交場,幅度相等,相位差為/2時,可產(chǎn)生圓 極化波。為此,先把發(fā)射喇叭天線旋轉(zhuǎn)大約500角(),再把接 收喇叭天線

11、的E面垂直放置,可接收E+2,然后把接收喇叭天線 的E面水平放置,可接收E+2。若E+2E+2,可適當(dāng)調(diào)整發(fā)射喇 叭天線的轉(zhuǎn)角,使E+2=E+2。最后前后調(diào)節(jié)水平金屬絲柵板的(8)位置,使接收喇叭天線轉(zhuǎn)動任何角度的輸出指示值都相等,那么在接收天線處就獲得了圓極化波。當(dāng)接收喇叭天線轉(zhuǎn)動角度為0、10、20 、170度時記錄測量數(shù)據(jù)填入表一中,并計算出圓極化波的橢圓度e的值。表一00102030405060140150160170I(uA)由于實驗誤差, E+2和E+2總有差別,所得圓極化波非純圓極化波,因此用圓極化波的橢圓度e=Imin/Imax1/2來表示, Imin是輸出指示的最小值, Im

12、ax是輸出指示的最大值。數(shù)據(jù)記錄發(fā)射喇叭天線的轉(zhuǎn)角:1= 水平金屬絲柵板位置參數(shù):L1=圓極化波的橢圓度e=（注：接收喇叭天線:EI1/2 ） 2、線極化波的調(diào)試與測試: 在前面產(chǎn)生圓極化波的基礎(chǔ)上,前后調(diào)節(jié)水平金屬絲柵板的位置,使E+2和E+2之間的相位差=即可產(chǎn)生線極化波(注:由于此時E+2和E+2 的幅度可以不必相等,所以可以調(diào)整發(fā)射喇叭天線轉(zhuǎn)角,也可以不作調(diào)整)。調(diào)整水平金屬絲柵板的位置L0產(chǎn)生的波程差為2L,由此產(chǎn)生的相位差=2 L。由= 2/2 L,(9)可以解出L=/4,所以把水平金屬絲柵板的位置前后調(diào)節(jié)/4就可以產(chǎn)生線極化波(實際上在前面產(chǎn)生圓極化波的基礎(chǔ)上,把水平金屬絲柵板的

13、位置前后調(diào)節(jié)/8（f=9GHz）就可以產(chǎn)生線極化波)。當(dāng)接收喇叭天線轉(zhuǎn)動角度為0、10、20 、170度時記錄測量數(shù)據(jù)填入表二中。表二 00102030405060140150160170I(uA)數(shù)據(jù)記錄發(fā)射喇叭天線的轉(zhuǎn)角:2= 水平金屬絲柵板位置參數(shù):L2=3、橢圓極化波的調(diào)試與測試: 在前面產(chǎn)生線極化波的基礎(chǔ)上,適當(dāng)前后調(diào)節(jié)水平金屬絲柵板的位置,即可產(chǎn)生橢圓極化波。當(dāng)接收喇叭天線轉(zhuǎn)動角度為0、10、20 、170度時記錄測量數(shù)據(jù)填入表三中,并計算出橢圓極化波的橢圓度e的值。表三00102030405060140150160170I(uA)數(shù)據(jù)記錄發(fā)射喇叭天線的轉(zhuǎn)角:3=? 水平金屬絲柵板位置參數(shù):L3= (10)橢圓極化波的橢圓度e=注:橢圓極化波的橢圓度e=Imin/Imax1/2, Imin是輸出指示的最小值, Imax是輸出指