1、“電磁場與電磁波”課內實驗大綱及實驗指導書實驗一電磁波參量的測定實驗二 電磁波的極化唐萬春，車文荃編制陳如山 審定1南京理工大學通信工程系2006年 12 月實驗一電磁波參量的測定實驗1. 實驗目的a) 觀察電磁波的傳播特性。b) 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 k和傳播速度 v。c) 了解用相干波的原理測量波長的方法。2. 實驗內容a) 了解并熟悉電磁波綜合測試儀的工作特點、 線路結構、使用方法。b) 測量信號源的工作波長（或頻率）。3. 實驗原理與說明a) 所使用的實驗儀器分度轉臺晶體檢波器2可變衰減器喇叭天線反射板固態信號源微安表實驗儀器布置圖如下：3反射板

2、反射板接收用可調喇叭天線衰減器晶體檢波器發射用喇叭天線微安表分度轉臺固態信號源圖 1 實驗儀器布置圖固態信號源所產生的信號經可變衰減器至矩形喇叭天線， 在接收端用矩形喇叭天線接收信號， 接收到的信號經晶體檢波器后通過微安表指示。b) 原理本實驗利用相干波原理，通過測得的電磁波的波長， 再由關系式k2f(1), vk得到電磁波的主要參量k，v等。實驗示意圖如圖 2所示。圖中 Pr 0 、 Pr1 、 Pr 2 和 Pr 3 分別表示輻射喇叭、固定反射板、可動反射板和接收喇叭，圖中介質板是一3030(mm) 2 的玻璃板，它對電磁波進行反射、折射后，可實現相干波測試。4L1L2O-L 0-L 3圖

3、 2 實驗示意圖r當入射波以入射角1 向介質板斜投射時， 在分界面上產生反射波E 和r折射波 E 。設入射波為垂直極化波，用R 表示介質板的反射系數，用T 分別表示由空氣進入介質板再進入空氣后的折射系數, R 與 T 為復數。另外固定的和可動的金屬反射板的反射系數均為-1 。假設發射的平面波為：EE 0e jkl(2)分析時 l 為在喇叭天線 Pr0 發射的波的傳播方向上與相位參考零點所在的面之間的距離 (有正、負值之分 )，相位參考零點不妨選介質板的中心點。忽略介質板與金屬板之間的多次作用效應，則在反射板 1與反射板 2 處的入射場 E 與反射場 E 可表示為：5ERE 0 expjkll

4、L11ERE0 expjk (l2 L )lL111E2TE 0 expjkll L2ETE 0 expjk (l2L2)lL22它們在接收喇叭 Pr3 處的場為：E1TRE0 expjk (l2L1)lL3E2RTE 0 expjk (l2L2)lL3由于它們同頻同極化，它們相干合成的場可寫為E EE2TRE0 expjk ( L2L )RTE0expjk ( L2 L2)1313TRE0 expjkL3exp2 jkLexp2 jkL21A 1 expj 2kl其中ATRE0 expjkL3 expjk 2 L1lL2L1上述過程可以用圖3 來示意。(3)(4)(5)(6)(7)圖3 波形

5、圖測量時，由于被測場E 處于測試結構的近區場范圍內，不完全滿6足理想平面波的特性， 這不僅影響著零點位置均勻分布，而且使波幅值也有起伏。為了測準波長值，一般采用 Pr 3 為零指示辦法。 由(6) 式可發現，合成波中當expj 2kl1 時， Pr3 處的場為零。實驗時，固定 L0 , L1, L3 ,移動 L2 ，使得 Pr3 處的場為零。這時可得條件exp j 2kl12k ln2n12n1L 2n L12n1ln或44不難發現相鄰兩個零值的 L2n 與 L2n 1 之間的間距為，從而達到測量目2的。n0,L202i1得第一個零點位置 L20L14n1,L212 i11得第二個零點位置 L

6、21L14nN ,L2N2 iN1得第 N+1 個零點位置 L2NL14,可見，當零點總數為 ( N1) 時， Pr 2上移動的總距離為 ( L2 NL20 ) ，它相當于 N 個半波長數。即：2(L2NL20 )N ，故：2(L2N L20 ) 。根據：Nk2 ,vfk就可得到所測電磁波的參量 、k、v 等值。可見測試波長 所用公式得出的是平均值。從理論上講， n 值越大，測出的 值精度應越高。實際測試時，一般取 n=4 已足夠，這時相應于 5 個波節點，所測的波長為2(L24 L20 )4它表示了 5 個波節點的距離 (L24L 20 ) ，相應于 4 個半波長。7實驗步驟a) 了解并熟悉

7、電磁波綜合測試儀的工作特點、 線路結構、使用方法。b) 測量電磁波的波長。首先調整好電磁波綜合測試儀使能進行正常工作。 然后測出電磁波的波長， 根據測出的值， 得到電磁波的重要參量 k，由k值可計算出傳播速度2 f1vck0 0c) 用波長計（或頻率計）測出信號源的工作波長（或頻率）。把測試值填入表 1中。如采用 3cm 標準信號源，則可改變信號源工作頻率f 0（即改變0 ）。由以上實驗內容，得到相應的電磁波參量, k , v ，并與 0 , k0 , v0 作比較（如使用該儀器本身的固態信號源，它已調定在一個固定頻率 f0 上工作，故及 k 不能改變）。表1電磁波參量測試數據表波長表 (頻率

8、計 )讀數0微安表零指示次數(n1)可動板總位移l l nl0自由空間中波長2ln波的相位常數k2波的相速度2f 0vk85. 實驗報告實驗名稱實驗目的實驗步驟（包括使用設備，實驗框架圖，實驗原理等）實驗結果（實驗數據，相關數據處理）討論 （對實驗結果和實驗中碰到的一些問題的解釋）結論 （實驗的收獲，或者某些建議等等）6安全說明在本實驗室中所使用的微波源都在國際安全標準以內（ 10mW/cm 2），不會對人體造成任何傷害。但是，在實驗期間，請注意以下事項 :a) 不要用眼睛望任何連接其他設備的開路傳輸線里面看 ;b) 不要把身體的任何部位放在傳輸線的開口端 ;c) 在拆 / 裝微波元器件時，請

9、關掉微波信號源。7. 思考題：用相干波測量自由空間波長時，介質板所放位置，為什么必須如圖 1所示。若把介質板轉 90o ，將發生何種現象？這時，能否測準電磁波波長？為什么？9實驗二 電磁波的極化1實驗目的研究線極化、圓極化和橢圓極化電磁波的產生和各自的特點。2實驗內容a) 圓極化波的調整與測試b) 線極化波的調整與測試c) 橢圓極化波的調整與測試3實驗原理a) 所使用的實驗儀器固態信號源頻率計衰減器矩形喇叭圓形喇叭檢波器微安表實驗系統框圖如圖 1 所示。10矩形喇叭衰減器檢波器微安表固態信號源圖 1 實驗系統框圖電磁波綜合測試儀中輻射喇叭（3cm波段）支路由固態信號源、頻率計 (或波長計 )、

10、衰減器及圓形喇叭等組成。固態信號源的工作頻率f=9370MHz左右，接收喇叭支路由矩形喇叭、檢波器、微安表等組成。b) 原理電磁波極化是指電磁波在無限大均勻媒質中傳播時， 空間某點上電場強度矢量 E的末端隨時間變化的軌跡。當電場矢量末端總在一直線上周期地變化時， 稱為線極化波； 當電場矢量末端軌跡是圓或橢圓時，即電場矢量末端總在圓或橢圓上周期地變化時， 稱為圓極化波或橢圓極化波。無論是線極化波，左、右旋圓極化波，左、右旋橢圓極化波，都11可由兩個同頻率且場矢量相互正交的線極化波組合而成。本實驗利用方圓波導轉換，介質圓波導和圓錐喇叭連接而成的電磁波極化天線，分別研究波的極化線極化波、圓極化波和橢

11、圓極化波的特性。-REnEtEt矩一圓波導圓喇叭En介質圓波導nERYEtEREtYXEnEnXTE 100介質片TE 11圖2 圓極化波輻射裝置圖 2所示為圓極化波輻射裝置，其中介質圓波導可做 3600旋轉，并有刻度指示轉動的角度。 當TE10波經方圓波導轉換到圓波導口面時則過渡為 TE11波，并在介質圓波導內分成兩個分量的波，即垂直界面片平面的一個分量和平行介質面的一個分量。實驗裝置設計為9370MHz 左右使兩個分量的波相位差900，適當調整介質圓波導（亦可轉動介質片）的角度使兩個分量的幅度相等時則可得到圓極化波。當方圓波導使 TE10的EY 波過渡到 TE11成為 RP波后，在裝有介質

12、12片的圓波導段內分成Et 和 En 兩個分量的波，因Et和 En的速度不同，vc vn vtvc /r ，當介質片的長度 L取得合適時， 使En波的相位超前Et 波的相位0，這就實現了圓極化波相位條件的要求；為使t 和 n90E E的幅度相等，可使介質片的n 方向跟 Y軸之間夾角為450 ，若介質片的損耗略去不計，則有EtmEnm1 Erm ，實現了圓極化波幅度條件2的要求（有時需稍偏離450以實現幅度相位的要求）。為了確定圓極化波右旋、左旋的特性，把 n 轉到 Y 方向符合右手螺旋規則的波，定為右旋圓極化波；把 n 轉到 Y 方向符合左手螺旋規則的波，定為左旋圓極化波。波極化天線除作為圓極

13、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， 介質片 n 與Y軸相垂直（或平行）。當作橢圓極化波工作時，介質片n 與Y夾角可在=0-450之間。4. 實驗步驟a) 圓極化波的調整與測試根據圓極化波的條件，兩個同頻率的正交場相干波必須幅度相等，相位差。2為此將反射板和介質板拿掉，把輻射喇叭換成圓喇叭， 轉動圓喇叭使介質片的 n 方向跟 Y 軸之間夾角為450 左右，然后固定圓喇叭，再把接收喇叭調整到與圓喇叭成一直線。轉動接收喇叭，每隔 100 測量一次，讀取微安表上的讀數，并填入下表，最后算出圓極化波的橢13圓度 eI min / I max 值。14表 1 圓極化波調

14、整與測試數據表接收喇叭轉動角度微安表讀數（A）橢圓度b) 線極化波的調整與測試轉動圓喇叭使介質片的n 方向跟 Y 軸之間夾角為0 0 或 90 0，就可以得到線極化波。固定圓喇叭，轉動接收喇叭，每隔 10 0 測量一次，讀取微安表上的讀數，并填入下表。表 2 線極化波的調整與測試數據表接收喇叭轉動角度微安表讀數（ A）c) 橢圓極化波的調整與測試調整與測試橢圓極化波的方法與內容同 a、b 項，要注意的是圓喇叭的轉角在 0-450 之間，按表 3 列出記錄表格，最后計算出橢圓極化波的橢圓度 eI min / I max 值。表 3 橢圓極化波的調整與測試數據表接收喇叭轉動角度微安表讀數（A）橢圓度155實驗報告實驗報告提綱包括以下內容：實驗名稱實驗目的實驗步驟（包括使用設備，實驗框架圖，實驗原理等）實驗結果（實驗數據，相關數據處理）討論 （對實驗結果和實驗中碰到的一