1、電磁場理論實驗講義信息與通信學院17目錄電磁場實驗系統(tǒng)介紹1實驗一 電磁波參量的研究（2學時）2實驗二/三電磁波反射和折射特性的研究（4學時）7實驗四 電磁波的極化實驗（2學時）12電磁場實驗系統(tǒng)介紹電磁波和光波一樣，都具有波動的性質(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量。DH926型電磁波綜合測試儀組成如下圖所示。987654321序號 名稱 數(shù)量1 分度轉(zhuǎn)臺 12 三厘米固態(tài)信號源 13 喇叭天線 24 可變衰減器 15 晶體檢波器 16 100uA表頭

2、 17 反射板 28 介質(zhì)板 19 讀數(shù)裝置 1實驗一 電磁波參量的研究一、 實驗?zāi)康氖煜ず驼莆绽孟喔刹ㄔ頊y量自由空間電磁波波長，并且確定電磁波相移常數(shù)和波速v的方法。二、 實驗內(nèi)容1. 熟悉電磁波綜合測試儀的特點和使用方法。2. 了解相干波測量波長的原理及方法。3. 用手動方法測量波長、與v。三、 實驗原理當兩束等幅、同頻率的均勻平面波在自由空間中同向或反向傳輸時，由于相位不同，二者相互干涉（疊加）。本實驗利用相干波原理，通過調(diào)整兩束同頻、同向、等幅電磁波的波程差，使其相位差為時，兩束波相互干涉抵消，正是根據(jù)這一特性通過測量空間中電磁波的分布，來確定電磁波波長的，波長測定后，再由 （1-

3、1）得出電磁波的主要參數(shù)。下面再說明一下利用電磁波綜合測試儀測量波長的原理及方法。如下圖所示，設(shè)入射波為垂直極化波。 (1-2)式中為廣義的距離坐標。圖1-1 相干波測波長裝置示意圖當此入射波以入射角斜入射到介質(zhì)板界面上時，將會在垂直于Pr1、Pr2面方向上形成反射波與折射波，由于Pr1、Pr2板為良導體板，反射波與折射波被Pr1、Pr2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Pr3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)，T0、T分別為空氣進入介質(zhì)和由介質(zhì)板進入空氣時的傳輸系數(shù)，在一次近似條件下，Pr3喇叭接收的兩束波為 (1-

4、3)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 (1-4)接收喇叭處的合成波為圖1-2 相干波形成的波形分布圖 (1-5)測量過程中，固定不變，L隨Pr2板移動而變化，因此L也是變化的，由上式可見，當L變化使得 (1-6)時，接收喇叭輸出為零（100uA表頭指示為0，即零點），其中 (1-7)圖1-3 利用讀數(shù)裝置測量波長的原理如圖1-3所示，令Lr1 = L,讀數(shù)裝置0刻度端到介質(zhì)板中軸線的距離為Lj，Lr2 = Ln+Lj。以n = 0為參考點，利用等偏移法測得L0為第1個零點（電流表指針為0），則 (1-8)由上式可以得出 (1-9)L1 、L2 、L3

5、 、L4分別為測量得到的第2-5個零點。可見，兩相鄰零點之間的Ln-1,n為 / 2，于是 (1-10)理論上，n越大，測量越精確，實際測量中只需測出數(shù)個零點就可以了，比如n = 4，則 (1-11)四、 實驗步驟1. 按圖1-1將DH926組合成測波長，相移常數(shù)的狀態(tài)。2. 參看頻率刻度表，調(diào)整振蕩器旋鈕，設(shè)置頻率f = 9.37GHz。3. 打開信號源，檢查電壓是否為12V，信號源工作狀態(tài)是否為等幅，然后根據(jù)測量原理，轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置，參照圖1-4所示，利用等偏移法（1-12）式測得第一個零點L0并記錄（讀到小數(shù)點后2位）。 (1-12)4. 繼續(xù)轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置，分別測出第2-5個零點L1-L4

6、并記錄，然后填入表1-1中。表1-1L0L1L2L3L4L0+L0-L1+L1-L2+L2-L3+L3-L4+L4-L0,1L1,2L2,3L3,45. 利用式（1-11），計算出的值，再根據(jù)式（1-1）計算出和v。6. 繼續(xù)調(diào)整振蕩器旋鈕，設(shè)置頻率f = 9.20GHz，重復步驟15，計算出及和v。7. 綜合2組數(shù)據(jù)，將實驗結(jié)果填入表1-2中。表1-2vf =f =五、 實驗報告內(nèi)容1. 實驗?zāi)康?. 實驗原理3. 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)表4. 對實驗結(jié)果進行分析（重點分析影響測量結(jié)果的因素）附錄：等偏移法如圖1-4所示，為了準確找到電流表零點對應(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

7、鈕，使電流表指針回偏一個X值，對應(yīng)讀數(shù)裝置的L-，同理再使電流表指針回偏一個X值，對應(yīng)讀數(shù)裝置的L+，然后利用下式得出L的值。圖1-4 等偏移法圖示實驗二/三 電磁波反射和折射特性的研究一、實驗?zāi)康膌 研究電磁波在良導體表面的反射；l 研究電磁波在良介質(zhì)表面的反射和折射；l 研究電磁波全反射和全折射的條件。二、實驗原理設(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)電磁場理論，媒質(zhì)1中將存在方向上的反射波，媒質(zhì)2中則出現(xiàn)方向上的折射波（為折射角），電磁場量分別為E+EtE-q ¢¢q ¢qzxH+H-Ht圖2-1 平行極化波斜投射時各場量在分界

8、面上的值入射波： 反射波： 折射波： 式中， 利用分界面上（z = 0）電場和磁場切向分量連續(xù)的邊界條件，可得斯涅爾（Snell）反射定律： 和斯涅爾折射定律： 反射系數(shù)傳輸系數(shù)下面我們分幾種情況討論一下。1)全反射這時=1，發(fā)生全反射的臨界角為因為，所以只有1 2，即電磁波從光密媒質(zhì)進入光疏媒質(zhì)時才會發(fā)生全反射（良導體情況除外）。2)全折射這時要求=0，于是將發(fā)生全折射時的入射角，即布儒斯特(Brewster)角為全折射時的折射角為可見折射角；若電磁波以角度qP 入射到厚度為d的介質(zhì)板表面，則這正是電磁波由e2到e1的全折射條件。因此，當電磁波以布儒斯特角從介質(zhì)板的一側(cè)入射時，在介質(zhì)板的另一

9、側(cè)可接收到全部信號，如圖2-2所示。當12，,折射波方向離開分界面的法向；當21，,折射波方向靠向法向。e1，m0e2，m0e1，m0dq¢¢q¢¢qq圖2-2介質(zhì)板全折射示意圖3)電磁波斜入射到良導體表面的反射良導體的特性近似于理想導體，電磁波投射到良導體表面時，可認為發(fā)生全反射，此時，三、實驗儀器 DH926B型微波分光儀，喇叭天線，DH1121B型三厘米固態(tài)信號源，DH926AD型數(shù)據(jù)采集儀，計算機，良導體反射板，玻璃板四、實驗步驟1）反射角測量l 兩喇叭口面應(yīng)互相正對，使它們各自的軸線處于同一條直線上，此時兩喇叭位置的指針應(yīng)分別指示于工作平臺的0

10、和180刻度處。l 調(diào)整發(fā)射、接收喇叭同為水平極化。l 將支座放在工作平臺上，并利用平臺上的定位銷和刻線對正支座，拉起平臺上四個壓緊螺釘旋轉(zhuǎn)一個角度后放下，將支座壓緊。l 將反射全屬板放到支座上時，應(yīng)使金屬板平面與支座下面的小圓盤上的90°-90°這對刻線一致。這時小平臺上的0°刻度就與金屬板的法線方向一致。l 轉(zhuǎn)動小平臺，將固定臂指針調(diào)到30°65°角度之間任意一位置，這時固定臂指針所對應(yīng)刻度盤上指示的刻度就是入射角的讀數(shù)。l 開啟DH1121B型三厘米固態(tài)信號源。l 轉(zhuǎn)動活動臂，當電流表顯示出的最大指示時，活動臂指針所對應(yīng)刻度盤上指示的刻度

11、就是反射角的讀數(shù)。如果此時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，使表頭指示接近滿量程。l 連續(xù)選取幾個入射角進行實驗，并在表2-1中記錄入射角和反射角。l 改變發(fā)射和接收喇叭為垂直極化，重復上述實驗。2）良好導體表面對電磁波反射特性的測試。首先，不加反射板，測出入射場E01（如用選頻放大器做指示，調(diào)至滿度值100）。其次，加良導體反射板（用鋁金屬板300×300mm2），改變?nèi)肷洳ǖ娜肷浣?（入射場E01不變），測出反射角時的反射場。把有關(guān)測試數(shù)據(jù)填入表3-2中。3） 全折射測量測試良好介質(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，須將電磁波綜合測試儀的輻

12、射喇叭（Pr0）與接收喇叭（Pr3）置于平行極化工作狀態(tài)。對于測試良好導體的全反射，我們同樣采用平行極化波工作狀態(tài)。測試裝置示意圖2-3所示。圖2-3 反射、折射測試裝置示意圖1. 電磁波斜投射時，良好介質(zhì)全折射的測試。首先，轉(zhuǎn)臺上不放介質(zhì)板，調(diào)整發(fā)射與接收天線，使得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的有機玻璃板，放置在測試儀平臺支座上，然后改變波對介質(zhì)板的投射角（轉(zhuǎn)動平臺，而接收與輻射喇叭總保持在一直線上），使接收的折射波場與入射波場相等，即E01=E02，同時得到斜投射時，反射波場為零的入射角1=2。把測試數(shù)據(jù)填入表2-1。將輻射與接收喇叭都轉(zhuǎn)動到垂

13、直極化波工作狀態(tài)，適當改變1角度，觀察有無全折射（或無反射）現(xiàn)象發(fā)生。表2-1垂直極化入射場入射角20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 85°反射角反射場實測-理論表2-2 水平極化入射場入射角20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 85°反射角反射場實測-理論表2-3厚度入射場全折射折射角2dE01計算值測試值四、實驗報告內(nèi)容1. 實驗?zāi)康?. 實驗數(shù)據(jù)表3. 分析測試值與計算值之間存在誤差的原因?qū)嶒?/p>

14、四 電磁波的極化實驗一、預(yù)習要求1、什么是電磁波的極化?它具有什么特點？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、實驗?zāi)康?、研究幾種極化波的產(chǎn)生及其特點；2、進行極化特性實驗，與理論結(jié)果進行對比、討論；3、通過實驗加深對電磁波極化特性的理解和認識。三、實驗原理 1）極化原理電磁波的極化是電磁理論中的一個重要概念， 它表征在空間給定點上電場強度矢量的取向隨 時間變化的特性，并用電場強度矢量 E 的端點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三種：線極化、圓極化、橢圓極化。極化波都可看成由兩個同頻率的直線極化波在空間合成,

15、如圖所示，兩線極化波沿正Z方向傳播，一個的極化取向在X方向，另一個的 極化取向在 Y 方向。若 X 在水平方向，Y 在垂直方向，這兩個波就分別為水平極化波和垂直極化波。水平極化波： 垂直極化波： 其中Exm、Eym分別是水平極化波和垂直極化波的振幅，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 綜合得 式中a、b、c為水平極化波和垂直極化波的振幅、 和相角有關(guān)的常數(shù)。此式是個一般化橢圓方程，它表明由 Ex、Ey 合成的電場矢量終端畫出的軌跡是一個橢圓。所以：1、當兩個線極化波同相或反相時，其合成波是一個線極化波； 2、當兩個線極化波相位差為/2時，其合成波是一個橢

16、圓極化波； 3、當兩個線極化波振幅相等，相位相差/2時，其合成波是一個圓極化波。 極化波的一個需要重視的地方是極化的旋轉(zhuǎn)方向問題。一般規(guī)定：面對電波傳播的方向（無論是發(fā)射或接收），電場沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的波稱為左旋圓極化波，反時針方向旋轉(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方圓波導轉(zhuǎn)換,介質(zhì)圓波導和圓錐喇叭連接而成。介質(zhì)圓波導可做360o旋轉(zhuǎn)，并有刻度指示轉(zhuǎn)動的角度，當TE10波經(jīng)方圓波導轉(zhuǎn)換到圓波導口面時則過渡為TE11波，并在介質(zhì)圓波導內(nèi)分成兩個分量的波，即垂直介質(zhì)片平面的一個分量和平行介質(zhì)面的一個分量。適當調(diào)整介質(zhì)圓波導（亦可轉(zhuǎn)動介質(zhì)片）的角度使兩個分量的幅度

17、相等時則可得到圓極化波。當方圓波導使的波過渡到成為RP波后，在裝有介質(zhì)片的圓波導段內(nèi)分成Et和En兩個分量的波，因Et和En的速度不同，Vc = Vn > Vt = , 當介質(zhì)片的長度L取得合適時，使En波的相位超前Et波的相位90，這就實現(xiàn)了圓極化波相位條件的要求；為使En與Et的幅度相等，可使介質(zhì)片的方向跟Y軸之間夾角為=45，若介質(zhì)片的損耗略去不計，則有Etm=Enm=Erm ，實現(xiàn)了圓極化波幅度條件的要求（有時需稍偏離45以實現(xiàn)幅度相位的要求）。為了確定圓極化波右旋、左旋的特性把轉(zhuǎn)到方向符合右手螺旋規(guī)則的波，定為右旋圓極化波；把轉(zhuǎn)到方向符合左手螺旋規(guī)則的波，定為左旋圓極化波。波極

18、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。當作線極化波工作時，介質(zhì)片轉(zhuǎn)到軸相垂直（或平行）。當作橢圓極化波工作時，介質(zhì)片到軸夾角可在=045之間。三 實驗儀器DH30002型電磁波極化天線（產(chǎn)品設(shè)計為9370Z左右使兩個分量的波相位差90o）四、實驗內(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)，當輻射喇叭Pr0轉(zhuǎn)角45°后，輻射波的場分為E與E兩個分量，Pr1則反射E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)動接收喇叭Pr3，當Pr3喇叭E面與垂直柵網(wǎng)平行時收到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，將出現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角下|E|E|（或|E|）。這時改變Pr2水平柵網(wǎng)適當位置，使Pr3接收的波具有|E|=|E|=|E|，從而實現(xiàn)了E與E兩個波的相位差為±90°，得到圓極化波（因為圓極化應(yīng)該在接收天線任意角度都能得到相同的|E|）。由于測試條件所限，|E|與|E|、|E|不可能完全相等，Pr3轉(zhuǎn)角0360°時，總會出現(xiàn)檢波電壓的波動，這時雖有Emin/Emax0.93，即橢圓