“電磁場與電磁波”和“微波技術”課內實驗大綱及實驗指導書目錄1．“電磁場與電磁波”課內實驗大綱2．“電磁場與電磁波”課內實驗指導說明書實驗一電磁波參量的測定實驗二電磁波的極化3．“微波技術”課內實驗大綱4．“微波技術”課內實驗指導說明書實驗一傳輸線的工作狀態及駐波比測量實驗二微波網絡散射參量測試5．“電磁場與電磁波”和“微波技術”課內實驗評分標準南京理工大學實驗教學大綱課程名稱：電磁場與電磁波開課實驗室：電磁場與微波技術實驗室執筆人：審定人：修（制）訂日期：一、本課程實驗教學目的與要求：（約100～150漢字）作為課堂教學的必要補充和深化，特開設本課程課內實驗。通過本課程的實驗教學，使學生能對自由空間電磁波的傳播特性有一個感性認識，進一步理解和加深課堂教學內容。要求學生了解各種極化形式電磁波的形成和特點，掌握電磁波頻率（波長）和極化特性的測試方法。二、實驗項目與主要內容：序號實驗項目名稱學時主要內容實驗類型12電磁波頻率（波長）測試電磁波極化的測試22目的：了解電磁波的傳播特性。內容：測量電磁波自由空間波長和介質中的波長；確定相位常數和波速。方法：干涉法要求：掌握測試原理。目的：了解電磁波的極化特性。內容：線極化波、圓極化波和橢圓極化的產生與測試。方法：用電磁波綜合測試儀測試。要求：掌握實驗原理。驗證綜合三、實驗說明：課程總學分3學分實驗學時數0.25學分實驗項目數2個課程性質通識基礎□學科基礎√專業選修□學科選修□集中實踐環節□實驗類別課程內實驗√獨立設課實驗□集中綜合實驗□考核方式日?？己恕醪僮骷寄芸己恕蹙砻婵己恕跆峤粚嶒灲Y果√面試□適用專業：通信工程，電子信息工程實驗教材及參考書：（按編著者、教材名稱、出版社*、出版年月順序填寫）蔣坤華.電磁場實驗指導書.北京工業學院出版社,1988鐘時順，鈕茂德.電磁場理論基礎.西安電子科技大學出版社,1995所屬實驗室意見：實驗室主任：年月所屬課程意見：（對通識基礎課、學科基礎課適用）課程負責人：年月所屬專業意見：（對專業選修課、學科選修課、集中實踐環節適用）專業負責人：年月院（系）意見：主管領導簽章：年月*由學校出版、印刷的實驗教材（或指導書），統一寫作“南京理工大學出版”?！半姶艌雠c電磁波”課內實驗指導書唐萬春編寫南京理工大學通信工程系二00六年十二月實驗一電磁波參量的測定實驗實驗目的觀察電磁波的傳播特性。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。了解用相干波的原理測量波長的方法。實驗內容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。測量信號源的工作波長（或頻率）。實驗原理與說明所使用的實驗儀器分度轉臺晶體檢波器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：

圖1實驗儀器布置圖參閱圖1。固態信號源所產生的信號經可變衰減器至矩形喇叭天線，由喇叭天線輻射出去，在接收端用矩形喇叭天線接收，接收到的信號經晶體檢波器后通過微安表指示。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、、和分別表示輻射喇叭、固定反射板、可動反射板和接收喇叭，圖中介質板是一的玻璃板，它對電磁波進行反射、折射后，可實現相干波測試。設入射波為：圖2實驗示意圖當入射波以入射角向介質板斜投射時，在分界面上產生反射波和折射波。設入射波為垂直極化波，用表示介質板的反射系數，用、分別表示由空氣進入介質板和由介質板進入空氣的折射系數。另外固定的和可動的金屬反射板的反射系數均為-1。在一次近似的條件下，接收喇叭處的相干波分別為：即兩者幅度相等，相位差為，其中從而可得因為固定值，而是可改變的，改變可動反射板Pr2位置而取不同的值，可使行程相位差為。當的值使Pr3為最大輸出時，必有與同相疊加。若與反相時，則Pr3輸出指示為零。因此可以通過改變Pr2的位置即改變l值，實現Pr3輸出最大與零的重復出現，從而測出電磁波的波長和相位常數k。有關表達式可推導如下式中為了測準波長值，一般采用Pr3為零指示辦法，即或這里表示相干波的節點，而除零以外的n值，又表示相干波合成駐波的半波長數，故n=0時，出現，在Pr2處記為l0。又因，故得，或：。為確定相干波節點，可把波形圖表示于圖3上。圖3波形圖當得第一個波節點位置得第二個波節點位置得第N個波節點位置可見，當波節點總數為時，上移動的總距離為，它相當于個半波長數。即：，故：。根據：就可得到所測電磁波的參量、k、v等值?？梢姕y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，所測的波長為它表示5個波節點的距離，相應于4個半波長。由于被測場處于近區場范圍內，不僅影響著駐波節點位置均勻分布，而且使波幅值也有起伏。實驗步驟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。測量電磁波的波長。首先調整好電磁波綜合測試儀，使其能正常工作。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（即改變）。由以上實驗內容，得到相應的電磁波參量，并與作比較（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上工作，故ν及不能改變）。

表1電磁波參量測試數據表波長表(頻率計)讀數微安表零指示次數可動板總位移自由空間中波長波的相位常數波的相速度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/cm2），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:不要用眼睛往任何連接其他設備的開路傳輸線里面看;不要把身體的任何部位放在傳輸線的開口端;在拆/裝微波元器件時，請關掉微波信號源。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，將發生何種現象？這時，能否測準電磁波波長？為什么？

實驗二電磁波的極化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。實驗內容圓極化波的調整與測試線極化波的調整與測試橢圓極化波的調整與測試實驗原理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。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)、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。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、圓極化波和橢圓極化波的特性。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，，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900，這就實現了圓極化波相位條件的要求；為使Et和En的幅度相等，可使介質片的方向跟Y軸之間夾角為，若介質片的損耗略去不計，則有，實現了圓極化波幅度條件的要求（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，把轉到方向符合右手螺旋規則的波，定為右旋圓極化波；把轉到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，介質片與Y軸相垂直（或平行）。當作橢圓極化波工作時，介質片與Y夾角可在=0-450之間。4.實驗步驟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。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圓度值。

表1圓極化波調整與測試數據表接收喇叭轉動角度微安表讀數（A）橢圓度線極化波的調整與測試轉動圓喇叭使介質片的方向跟Y軸之間夾角為00或900，就可以得到線極化波。固定圓喇叭，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。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）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5．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/cm2），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:不要用眼睛往任何連接其他設備的開路傳輸線里面看;不要把身體的任何部位放在傳輸線的開口端;在拆/裝微波元器件時，請關掉微波信號源。思考題：一右旋圓極化波從空氣正入射到另一種媒質表面，反射波與透射波的旋向如何（左旋還是右旋）？

南京理工大學實驗教學大綱課程名稱：微波技術開課實驗室：電磁場與微波技術實驗室執筆人：車文荃，趙志林審定人：陳如山修（制）訂日期：2005年4月本課程實驗教學目的與要求：（約100～150漢字）教學目的：課內實驗作為課堂教學的必要補充，可以加深學生對物理概念及基本理論的理解和掌握，并為進一步的工程實踐打下良好的基礎。實驗要求：要求學生了解無耗傳輸線在終端接不同負載時的三種工作狀態，掌握波導測量線的工作原理及測試方法。要求學生掌握微波網絡散射參量的概念，以及矢量網絡分析儀的使用方法。二、實驗項目與主要內容：序號實驗項目名稱學時主要內容實驗類型12傳輸線工作狀態的測試微波網絡散射參量測試22目的：了解無耗傳輸線（矩形波導）在終端接不同負載時的工作狀態。內容：測量傳輸線終端分別接短路，開路及匹配負載時波導中的電場幅度沿傳播方向的分布曲線，并由此計算三種狀態下的駐波比。測量輸入阻抗。方法：用波導測量線進行測量要求：掌握波導測量線的測試方法目的：了解散射參量的物理概念及測量方法。內容：測試微波元件的散射參量。方法：用矢量網絡分析儀進行測量。要求：掌握矢量網絡分析儀的使用方法。驗證驗證三、實驗說明：課程總學分3學分實驗學時數0.25學分實驗項目數2個課程性質通識基礎□學科基礎□專業選修√學科選修□集中實踐環節□實驗類別課程內實驗√獨立設課實驗□集中綜合實驗□考核方式日?？己恕醪僮骷寄芸己恕蹙砻婵己恕跆峤粚嶒灲Y果√面試□適用專業：通信工程，電子信息工程實驗教材及參考書：（按編著者、教材名稱、出版社*、出版年月順序填寫）趙春暉，楊莘元.微波測量與實驗教程.哈爾濱工程大學出版社,2000廖承恩.微波技術基礎.西安電子科技大學出版社,2004顧繼慧.微波技術.科學出版社，2005所屬實驗室意見：實驗室主任：年月所屬課程意見：（對通識基礎課、學科基礎課適用）課程負責人：年月所屬專業意見：（對專業選修課、學科選修課、集中實踐環節適用）專業負責人：年月院（系）意見：主管領導簽章：年月*由學校出版、印刷的實驗教材（或指導書），統一寫作“南京理工大學出版”“微波技術”課內實驗指導書車文荃編寫南京理工大學通信工程系二00六年十二月實驗一傳輸線的工作狀態及駐波比測量 實驗目的了解無耗傳輸線（矩形波導）在終端接不同負載時的工作狀態。實驗內容測量傳輸線終端接不同負載時傳輸線中的電場幅度沿傳播方向的分布，判定傳輸線的工作狀態求出波導波長和駐波比實驗原理所使用的實驗儀器及元器件信號源同軸-波導變換鐵氧體隔離器頻率計衰減器波導測量線選頻放大器負載（短路負載，開路負載，匹配負載和任意負載）原理傳輸線的工作狀態（電場幅度分布）在無耗傳輸線的終端連接不同的負載時，傳輸線將呈現不同的工作狀態。當終端接與傳輸線特性阻抗相等的匹配負載時，只有入射波，沒有反射波，傳輸線工作在行波狀態。行波狀態下傳輸線上的電壓（電流）幅度沿傳輸方向的分布如圖1所示。 zz0圖1傳輸線行波狀態電壓（電流）幅度沿傳播方向的分布當終端接與短路，開路或純電抗負載時，終端將發生全反射，傳輸線工作在純駐波狀態。純駐波狀態下傳輸線上的電壓（電流）幅度沿傳輸方向的分布如圖2所示（以終端短路為例）。圖2傳輸線純駐波狀態（終端短路）電壓（電流）幅度沿傳播方向的分布測量傳輸線的工作狀態（電場分布）是采用測量線技術。測量線的主體是一段在波導寬邊中間開槽的矩形波導，有一根探針通過波導的槽縫伸進波導內，并可以沿傳輸線移動。當探針位于某一個位置時，與所在位置的電場發生耦合，在探針上產生感應電動勢，由檢波二極管轉換為檢波電流，并通過選頻放大器指示出來。當探針沿波導移動時，放大器讀數就間接地反映了波導內電場大小的分布。將探針位置D與檢波電流I的測量值繪制成曲線，即為傳輸線上的電場幅度分布曲線，由此也就知道了傳輸線的工作狀態。兩個相鄰波節點的間距等于，因此有測出的波節點的位置可以求得矩形波導的波導波長g。電壓駐波比計算電壓駐波比描述了負載的匹配特性，是反映傳輸線上不匹配情況的量，駐波比的定義為：(1)即傳輸線中的電場幅度的最大值與最小值之比。因為測得的是檢波電流，而檢波電流與電場的關系是，n為檢波二極管的檢波律。在實驗中一般為小信號檢波，可以取n=2，即平方律檢波，則上式（1）可表示為(2)式中和分別為波腹點和波節點的檢波電流值。4.實驗步驟實驗所用原理框圖如圖3所示。波長計隔離器波長計隔離器同軸-波導變換信號源選頻放大器衰減器波導測量線待測負載圖3實驗框圖首先將測量線終端接短路負載，這時在傳輸線上形成全駐波，然后將探針移到測量線左端的一個波節點，記下探針位置D（mm）和檢波電流I（）值，以后每向右移動探針2mm，記錄一個D和I值，直到測出兩個完整的駐波。將測量線終端分別換接匹配負載（行波狀態）和開口波導（行駐波狀態），同樣用上述方法進行測量。測量傳輸線終端為開口波導時的和值，用式（2）計算駐波比。5．實驗報告根據實驗數據，畫出傳輸線在三種工作狀態時的電場幅度分布曲線。根據測量的和值計算開口波導的駐波比。由測試數據求得矩形波導的波導波長，并與理論計算結果比較。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些問題的解釋）結論（實驗的收獲，或者某些建議等等）6．思考題a.波導測量線上的槽縫為何開在波導寬邊的中間？b.信號源為何選用方波調制？c.測量線的探針插入波導太深是否會影響測試結果？d.為什么所測開口波導的駐波比不是無窮大？如何實現波導的理想開路？7．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/cm2），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:不要用眼睛往任何連接其他設備的開路傳輸線里面看;不要把身體的任何部位放在傳輸線的開口端;在拆/裝微波元器件時，請關掉微波信號源。實驗二微波網絡散射參量測試實驗目的通過用矢量網絡分析儀測量負載的阻抗、回波損耗、駐波，以及同軸可變衰減器的插入損耗，掌握矢量網絡分析儀的基本使用方法，加深對網絡散射參量的認識和理解。實驗內容測量負載的阻抗、回波損耗及駐波測量同軸可變衰減器的插入損耗實驗原理所使用的實驗儀器及元器件矢量網絡分析儀PNA3623（掃頻范圍：30-3200MHz,雙測試通道）3dB電橋10dB衰減器同軸可變衰減器（待測件）b)原理眾所周知，微波元器件的作用是用來控制電磁波的振幅，相位等的變化，這些變化可以用輸入駐波比，回波損耗，插入損耗等外部特性參量來描述。而外部特性參量又可以用微波網絡參量來表示。因此，首先用矢量網絡分析儀測量待測元器件的散射參量，然后得到反映元器件特性的外部特性參量。圖1所示為微波二端口網絡的示意圖。圖1微波二端口網絡示意圖散射參量S的定義為： (1)散射參量矩陣[S]中各元素的意義分別為：S11：當輸出端接匹配負載時，輸入端口的電壓反射系數；S22：當輸入端接匹配負載時，輸出端口的電壓反射系數；S12：當輸入端接匹配負載時，輸出端口到輸入端口的電壓傳輸系數；S21：當輸出端接匹配負載時，輸入端口到輸出端口的電壓傳輸系數。因此網絡輸入端電壓反射系數的模，故輸入駐波比為： （2）回波損耗(returnloss)Lr：回波損耗用來描述反射系數的幅度,有時又稱為失配損耗。它與負載反射系數大小有關,其絕對值越大，則表明負載匹配越好，反射越小。引入回波損耗以后，反射系數的大小就可用dB形式來表示。(3)插入損耗(Insertionloss)IL：插入損耗定義為網絡輸出端接匹配負載時，網絡輸入端入射波功率Pi與負載吸收功率PL之比，即：(4)用分貝表示，為：(5)實驗步驟（1）測量負載的阻抗、回波損耗及駐波開機（按照說明書要求），把頻率范圍設為1.8GHz～3.2GHz。設定BF：1800MHz;△F：20MHz;EF：3200MHz;N=71。按圖2所示把電橋連接好，并選擇測試B端口回損。輸出輸出輸入A輸入B電橋圖2負載反射特性測試框圖開路校準：把開路器接上，按[執行],光標在Smith圓圖上右端閃爍。短路校準：把短路器接上，按[執行],光標在Smith圓圖上左端閃爍。測負載：接上待測負載，可用Smith圓圖看出變化趨勢。測回波損耗按[菜單]選擇“對數”，再按[執行]，即可出現回波損耗曲線，讀出數據,列表并畫圖。測駐波按[菜單]，把光標移到[駐波]，按[執行]即可，有四檔可選讀數范圍，讀出數據，列表并畫圖。（2）測量同軸可變衰減器的插入損耗a)按圖3所示連接好。輸出輸出輸入A輸入B10dB衰減器10dB衰減器待測器件圖3待測器件連接框圖b)在主菜單上按“”鍵光標移到《測：A、B》下，按[→]或[←]鍵使A為《插損》，B下為空白。c)直通校準按“↓”使光標停在《校：直通》下，按“執行”鍵，此時為直通狀態，測試系統（如電纜，10dB的衰減器）的插入損耗即歸零，系統轉入測試狀態。d)測同軸可變衰減器的插入損耗將待測試的同軸可變衰減器接到兩電纜之間，按“主菜單”，用“”鍵把光標移到“對數”