115電磁波傳播特性

注：本試驗報告僅供學(xué)習(xí)、參考，謝絕抄襲。如有覺察抄襲，作者概不負責(zé)！注：本試驗報告僅供學(xué)習(xí)、參考，謝絕抄襲。如有覺察抄襲，作者概不負責(zé)！10試驗11.5 電磁波傳播特性Part1電磁波參量的測量一、試驗?zāi)康臓幷撾姶挪ㄔ诹紝?dǎo)體外表的反射。利用相干波原理，測定自由空間內(nèi)電磁波波長λK和波速v。二、試驗儀器1臺；1套；反射板〔金屬板〕2塊；半透射板〔玻璃板〕1塊。三、試驗原理和方法1.自由空間電磁波參量的測量過測定駐波場節(jié)點的分布，求得自由空間中電磁波波長λ值，再由K2vfKKv等。1所示，PP分別表示放射和接收喇叭天線，AB分別T R表示固定和可移動的金屬反射板，C表示半透射板〔有機玻璃板。由P放射平面電磁波，T在平面波前進的方向上放置成45°角的半透射板，由于該板的作用，將入射波分成兩束波，ABAB為金屬全反射板，兩列波就再次返回到半透射板并到達接收喇叭天線PPR Rπ的偶數(shù)倍，則干預(yù)加強；假設(shè)相位差為π的奇數(shù)倍，則干預(yù)減弱。BP的表頭指示從一次微小變到又一次微小時，則反射板B就移動了Rλ/2的距離，由這個距離就可以求得平面波的波長。設(shè)入射波為垂直極化波

EEi

ejθ1

向介質(zhì)板C斜入射時，在分界面上產(chǎn)生反射波Er

E。t0CR，T為由空氣進入介質(zhì)板的折射系數(shù)，T為由介質(zhì)板進入空氣的折0c射系數(shù)。固定板A和可移動板B都是金屬板，反射系數(shù)均為-1。在一次近似的條件下，接P處的相干波分別為R1電磁波參量測試原理圖E RTTE

ej1r1 0c 012E RTTE2

ej這里1Kl1Kl

r2 0c 0113lKL113lKll

LKL2 2 3 1 3 2L2ΔL=|L-L2

|BEE1 r1

2ΔL。EEr1 r2

的相位差為=2 1

2KL2ΔL滿足2Lnn0,1,2, EEr1 r2

同相相加，接收指示為最大。2ΔL時滿足2L2n1 2n0,1,2, E Er1 r2

反相抵消，接收指示為零。這里，n表示相干波合成駐波場的波節(jié)點數(shù)。RBP輸出重復(fù)消滅最大指示，或重復(fù)消滅零指示即λλPR零指示方法。R圖2相干波E 和Er1 r2

的分布相干波E 和Er1 r2

2n=0的節(jié)點處LΔ0Δ

作為第一個波節(jié)點〔參考點，對于n≠0的各值則有1n=1，2ΔL=3/2λ，對應(yīng)其次個波節(jié)點，或第一個半波長數(shù)。12n=2，2ΔL=5/2λ，對應(yīng)第三個波節(jié)點，或其次個半波長數(shù)。2……n=N，2ΔLN=(2N+1)/2λN+1N個半波長數(shù)。-1n 0由此可知，兩個相鄰波節(jié)點〔接收零值〕間的距離為ΔLn-ΔLn=λ/2，(n+1)個波節(jié)點之n個半波長，即ΔL-ΔL=nλ-1n 00λ=2(ΔLn-ΔL)/n0再把式該式代回，可以得到被測電磁波的Kv等參量。試驗中可移動板Bn=4已足夠，5個駐波節(jié)點，這時被測電磁波波長的平均值為λ=2(ΔL4-ΔL0)/4四、試驗步驟整體機械調(diào)整〔見附錄一，使PP相向，軸線在同一水平面線上，調(diào)整信號T RP表頭指示接近滿刻度。RABC1A、B90°角，C板法A45°A、BP、P的軸向重合。R TABP表頭指示接近零，登記零指示的起始位R置。0B板移動，再從表頭上測出n個微小值，同時從讀數(shù)機構(gòu)上得到相應(yīng)于3〕的起始零指示位置求得反射板移動的位置ΔLΔL，連續(xù)測三次，求平均值，0nn=34即可。0依據(jù)測得的〔ΔL-ΔL〕λ、Kv值。0n五、數(shù)據(jù)記錄與處理表1 電磁波波長、相位常數(shù)、波速的測量示零計數(shù)n=1 n=2 n=3n=4讀數(shù)65.652mm 49.565mm 34.291mm18.326mm|ΔLn-ΔL1|0 16.087mm 31.361mm47.326mmλ=2(ΔL-ΔL)/(n-1)n 0—— 32.174mm 31.161mm31.551mm波長平均值λ λ=(λλ 1 2 3

31.629mm31.629nm。λ與三厘米固態(tài)信號發(fā)生器的出射電磁波參數(shù)的比較：f=9.37GHz，因而電磁波波長理論值為λ理論與實際間的誤差為

=32.017mm理論32.017mm31.629mmw 32.017mm

100%1.21%可見具有較大的準(zhǔn)確性。同時進展標(biāo)準(zhǔn)差的計算：3i13i12i32因而測得波長可寫為=31.6290.295)m。六、試驗后思考誤差分析測得的波長值和真實值間的誤差有以下幾種主要的產(chǎn)生緣由：讀數(shù)誤差：對螺旋測微器的讀數(shù)存在偶然誤差；45°放置的玻璃板均為手動放置，且缺少準(zhǔn)確測量擺放角度的方式，因而搭建時難免與抱負裝置相差較大：電流示零處并非一個準(zhǔn)確的點，而是在一段區(qū)間內(nèi)均呈現(xiàn)為0。在試驗中，雖然我們統(tǒng)一選取了“馬上離開零點”處的值作為零點記錄，但對于“馬上離開零點”的定義難免會產(chǎn)生偏差；反射板和玻璃板并不抱負，存在的不平坦的平面會對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響。對裝置改進的建議依據(jù)對誤差來源的分析，可對裝置做如下的改進：針對自行搭建裝置時產(chǎn)生的角度誤差：永久固定反射板和玻璃板的位置；或者實行其他方式便捷地確定所放置的板的位置及角度。針對零點選擇時的偏差，可設(shè)計一個數(shù)字式讀數(shù)裝置，當(dāng)探測到的電流從0開頭正向經(jīng)過一個微小量〔如A〕，準(zhǔn)確地記錄下螺旋測微器的讀數(shù)。Part2電磁波的反射與折射一、試驗?zāi)康臓幷撾姶挪ㄔ诹紝?dǎo)體外表的反射。爭論電磁波在電介質(zhì)外表的反射和折射。爭論電磁波在介質(zhì)外表發(fā)生無反射的條件。二、試驗儀器1臺；1套；測試用介質(zhì)板、金屬板。三、試驗原理電磁波斜入射到兩種不同介質(zhì)分界面上的反射和折射反射定律折射定律

11sin 1sin2

121 2n1ε1、ε2分別為兩種介質(zhì)的介電常數(shù)；θ1、θ1’θ2分別為入射角、反射角和折射角。平行極化波入射到兩種介質(zhì)分解面上發(fā)生無反射〔全透射〕的條件平行極化波在兩種介質(zhì)分界面上的反射系數(shù)R和透射系數(shù)T的菲涅爾公式為：|| ||E ncosncosR 1 2

1 1 2|| E

ncos

ncos1 || 2 1 1 2E 2ncosT 2 1 1|| E1 ||

ncos2

ncos1 2||其中，E1為入射波場強、E1’為反射波場強、E2為折射波場強。欲使平行極化波斜入射時發(fā)生無反射，即R=0，由上式應(yīng)有||可以解出無反射時的入射角為

ncos =ncosθ θ 122B

arctan21θB21平行極化波斜入射到厚度為d的介質(zhì)板上，θ 如圖3所示當(dāng)= 時θ 1 B上發(fā)生全折射，折射波入射在其次個界面上，仍舊滿足上式中的條件發(fā)生全折射，在介質(zhì)板 后面就可以接收到全部入射信號。3斜入射時的全折射垂直極化波不行能產(chǎn)生無反射〔全折射〕垂直極化波入射在兩種介質(zhì)的分界面上，反射系數(shù)RT分別為⊥ ⊥E ncosncosR 1 1 1 2 2 E

ncosn

cos 1 1 1 2 2E 2ncosT 2 1 1 E n1 1

cos1

ncos2 2ε一般而言，≠εε1 2θ θ 射入光疏介質(zhì)，總有ncos ≠ncos ，故R 0θ θ 1 1 2 2 ⊥θ 沿任意方向打算的平面電磁波以= 入射到兩種介質(zhì)的分界面上時θ 1 B直極化波重量，利用這種方法可以產(chǎn)生垂直極化波。電磁波斜入射到良導(dǎo)體外表的反射對于良導(dǎo)體，E=02EE,R1,T01 1四、試驗內(nèi)容調(diào)試試驗裝置平臺使0°180°刻線，然后鎖定活動臂。翻開固態(tài)信號源開關(guān)，連接在接收喇叭天線上的微安表將有指示，天線就相互對正了。電磁波入射到良導(dǎo)體外表的反射特性E〔可使微安表指示60μ90°刻線，這時轉(zhuǎn)臺上的0°刻線與導(dǎo)體板的法線方向全都，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)變?nèi)肷浣铅?，測量在反射角時的反射波場強E〔仍用微安表指示的電流表示2中，1 1 1最終可把接收天線轉(zhuǎn)到導(dǎo)體板后180刻線處，觀看有無折射波。觀看、測試介質(zhì)板上的反射與折射試驗裝置如圖4所示，把導(dǎo)體板換成介質(zhì)板〔有機玻璃板3中，并驗證|R|+|T|=1。4介質(zhì)板上的反射與折射平行極化波斜入射到介質(zhì)板上無反射試驗1 2 1 〔喇叭天線短邊平行于地面。首先測量入射波電場E1〔可使微安表指示60μA〕，然后把有機玻璃板放在轉(zhuǎn)臺上，使有90刻線。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)變?nèi)肷浣?，使EE，反射波場強E=〔可把接收天線轉(zhuǎn)到反射波方向驗證〕，這時θ=θ41 2 1 〔喇叭天線短邊垂直于地面把放射天線轉(zhuǎn)到任意方向〔例如順時針旋轉(zhuǎn)45°〕，使入射角θ1=θB，在反射波方向分別測量水平極化波和垂直極化波，記錄試驗結(jié)果。五、數(shù)據(jù)記錄與處理表2 良導(dǎo)體外表的反射入射角θ 20°130° 40° 50°60°70°80°反射角θ’ 20.8°127.8° 38.0° 47.5°58.5°72.5°78.5°反射角與理論值誤差 4.0%7.3% 5.0% 5.0%2.5%3.6%1.9%入射場強E(μA) 72.0172.0 72.0 72.072.072.072.0反射場強E’(μA) 71.0172.0 71.0 81.080.055.056.0衰減系數(shù) 0.0140.000 0.014 -0.125-0.1110.2360.222從測得反射角和理論值的誤差比較中可以看到，兩者吻合地格外好，最大也僅有7%的5給出了理論和實際的比照曲線：5理論與實際反射角的比照曲線圖而比較入射和反射的場強則會覺察有明顯的反常狀況：在30°左右，入射和反射的電磁60°左右消滅比入射光更強的電磁波。比照圖如圖6所示。有更大地機率向其他方向散射，因而反射光線會有較大程度的衰減。而對于60°左右處探測場強大于入射場強的反?，F(xiàn)象，我們疑心在這個角度處，由于反射板的缺陷，入射光線也局部地被探測器收集到了。6入射與反射場強的比照曲線圖附錄：電磁波綜合試驗系統(tǒng)一、電磁波綜合測試儀1所示。1電磁波綜合測試儀〔1〕系統(tǒng)簡介①固定臂。②活動臂，可以自由轉(zhuǎn)動。③轉(zhuǎn)臺，可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角度可由邊緣的刻度讀出，左右各180°。④固態(tài)信號源。⑤衰減器，用于掌握放射信號大小。⑥發(fā)①固定臂。②活動臂，可以自由轉(zhuǎn)動。③轉(zhuǎn)臺，可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角度可由邊緣的刻度讀出，左右各180°。④固態(tài)信號源。⑤衰減器，用于掌握放射信號大小。⑥發(fā)射天線，是角錐喇叭天線，可繞水平或垂直軸線轉(zhuǎn)動。⑦接收天線，也是角錐喇叭天線，也諧振，從而使接收信號增加。⑨檢波器。⑩指示器，是一個微安表頭，可以定量指示接收信號大小?！?〕儀器的調(diào)整①調(diào)整底座上的三個螺栓，使轉(zhuǎn)臺平面水平，調(diào)整時可以用水平儀〔2〕儀器的調(diào)整①調(diào)整底座上的三個螺栓，使轉(zhuǎn)臺平面水平，調(diào)整時可以用水平儀正：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，使180°刻線與固定臂上的指針對正，使活動臂上的指針與0°刻線對正；通過目測，使收、發(fā)天線對正，收、發(fā)天線的上沿都應(yīng)水平；翻開信號源，左右稍微轉(zhuǎn)動收、發(fā)天線，使接收信號最大；最終固定收、發(fā)天線，系統(tǒng)就調(diào)整好了?！?〕附件〔金屬板〔玻璃二、三厘米固態(tài)信號發(fā)生器三厘米固態(tài)信號發(fā)生器由振蕩器、隔離機和主機組成，主機面板如附圖2所示。體效應(yīng)