场波实验教程2016

1、电磁场理论实验讲义信息与通信学院17目录电磁场实验系统介绍1实验一 电磁波参量的研究（2学时）2实验二/三电磁波反射和折射特性的研究（4学时）7实验四 电磁波的极化实验（2学时）12电磁场实验系统介绍电磁波和光波一样，都具有波动的性质，即能产生反射、折射、干涉和衍射等现象，DH926型电磁波综合测试仪（又称为微波分光仪），正是利用金属板、金属栅、介质板等引起电磁波反射，极化等效应，完成电磁波特性的研究与测量。DH926型电磁波综合测试仪组成如下图所示。987654321序号 名称 数量1 分度转台 12 三厘米固态信号源 13 喇叭天线 24 可变衰减器 15 晶体检波器 16 100uA表头

2、 17 反射板 28 介质板 19 读数装置 1实验一 电磁波参量的研究一、 实验目的熟悉和掌握利用相干波原理测量自由空间电磁波波长，并且确定电磁波相移常数和波速v的方法。二、 实验内容1. 熟悉电磁波综合测试仪的特点和使用方法。2. 了解相干波测量波长的原理及方法。3. 用手动方法测量波长、与v。三、 实验原理当两束等幅、同频率的均匀平面波在自由空间中同向或反向传输时，由于相位不同，二者相互干涉（叠加）。本实验利用相干波原理，通过调整两束同频、同向、等幅电磁波的波程差，使其相位差为时，两束波相互干涉抵消，正是根据这一特性通过测量空间中电磁波的分布，来确定电磁波波长的，波长测定后，再由 （1-

3、1）得出电磁波的主要参数。下面再说明一下利用电磁波综合测试仪测量波长的原理及方法。如下图所示，设入射波为垂直极化波。 (1-2)式中为广义的距离坐标。图1-1 相干波测波长装置示意图当此入射波以入射角斜入射到介质板界面上时，将会在垂直于Pr1、Pr2面方向上形成反射波与折射波，由于Pr1、Pr2板为良导体板，反射波与折射波被Pr1、Pr2板全反射，从而形成了两束同频的平面电磁波。这两束波再次斜入射到介质板上，通过反射与折射，在Pr3接收喇叭天线入射方向上形成两束波。设R为介质板反射系数，T0、T分别为空气进入介质和由介质板进入空气时的传输系数，在一次近似条件下，Pr3喇叭接收的两束波为 (1-

4、3)可见为两束等幅同频的均匀平面波，满足了相干波原理的要求，式中相位由下图可见为 (1-4)接收喇叭处的合成波为图1-2 相干波形成的波形分布图 (1-5)测量过程中，固定不变，L随Pr2板移动而变化，因此L也是变化的，由上式可见，当L变化使得 (1-6)时，接收喇叭输出为零（100uA表头指示为0，即零点），其中 (1-7)图1-3 利用读数装置测量波长的原理如图1-3所示，令Lr1 = L,读数装置0刻度端到介质板中轴线的距离为Lj，Lr2 = Ln+Lj。以n = 0为参考点，利用等偏移法测得L0为第1个零点（电流表指针为0），则 (1-8)由上式可以得出 (1-9)L1 、L2 、L3

5、 、L4分别为测量得到的第2-5个零点。可见，两相邻零点之间的Ln-1,n为 / 2，于是 (1-10)理论上，n越大，测量越精确，实际测量中只需测出数个零点就可以了，比如n = 4，则 (1-11)四、 实验步骤1. 按图1-1将DH926组合成测波长，相移常数的状态。2. 参看频率刻度表，调整振荡器旋钮，设置频率f = 9.37GHz。3. 打开信号源，检查电压是否为12V，信号源工作状态是否为等幅，然后根据测量原理，转动读数装置，参照图1-4所示，利用等偏移法（1-12）式测得第一个零点L0并记录（读到小数点后2位）。 (1-12)4. 继续转动读数装置，分别测出第2-5个零点L1-L4

6、并记录，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），计算出的值，再根据式（1-1）计算出和v。6. 继续调整振荡器旋钮，设置频率f = 9.20GHz，重复步骤15，计算出及和v。7. 综合2组数据，将实验结果填入表1-2中。表1-2vf =f =五、 实验报告内容1. 实验目的2. 实验原理3. 实验结果数据表4. 对实验结果进行分析（重点分析影响测量结果的因素）附录：等偏移法如图1-4所示，为了准确找到电流表零点对应的L值，须采用等偏移法，具体步骤为：通过旋转读数装置旋

7、钮，使电流表指针回偏一个X值，对应读数装置的L-，同理再使电流表指针回偏一个X值，对应读数装置的L+，然后利用下式得出L的值。图1-4 等偏移法图示实验二/三 电磁波反射和折射特性的研究一、实验目的l 研究电磁波在良导体表面的反射；l 研究电磁波在良介质表面的反射和折射；l 研究电磁波全反射和全折射的条件。二、实验原理设一平行极化的平面波以角度斜入射到媒质分界面上，如图2-1所示，根据电磁场理论，媒质1中将存在方向上的反射波，媒质2中则出现方向上的折射波（为折射角），电磁场量分别为E+EtE-q ¢¢q ¢qzxH+H-Ht图2-1 平行极化波斜投射时各场量在分界

8、面上的值入射波： 反射波： 折射波： 式中， 利用分界面上（z = 0）电场和磁场切向分量连续的边界条件，可得斯涅尔（Snell）反射定律： 和斯涅尔折射定律： 反射系数传输系数下面我们分几种情况讨论一下。1)全反射这时=1，发生全反射的临界角为因为，所以只有1 2，即电磁波从光密媒质进入光疏媒质时才会发生全反射（良导体情况除外）。2)全折射这时要求=0，于是将发生全折射时的入射角，即布儒斯特(Brewster)角为全折射时的折射角为可见折射角；若电磁波以角度qP 入射到厚度为d的介质板表面，则这正是电磁波由e2到e1的全折射条件。因此，当电磁波以布儒斯特角从介质板的一侧入射时，在介质板的另一

9、侧可接收到全部信号，如图2-2所示。当12，,折射波方向离开分界面的法向；当21，,折射波方向靠向法向。e1，m0e2，m0e1，m0dq¢¢q¢¢qq图2-2介质板全折射示意图3)电磁波斜入射到良导体表面的反射良导体的特性近似于理想导体，电磁波投射到良导体表面时，可认为发生全反射，此时，三、实验仪器 DH926B型微波分光仪，喇叭天线，DH1121B型三厘米固态信号源，DH926AD型数据采集仪，计算机，良导体反射板，玻璃板四、实验步骤1）反射角测量l 两喇叭口面应互相正对，使它们各自的轴线处于同一条直线上，此时两喇叭位置的指针应分别指示于工作平台的0

10、和180刻度处。l 调整发射、接收喇叭同为水平极化。l 将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座，拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，将支座压紧。l 将反射全属板放到支座上时，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的90°-90°这对刻线一致。这时小平台上的0°刻度就与金属板的法线方向一致。l 转动小平台，将固定臂指针调到30°65°角度之间任意一位置，这时固定臂指针所对应刻度盘上指示的刻度就是入射角的读数。l 开启DH1121B型三厘米固态信号源。l 转动活动臂，当电流表显示出的最大指示时，活动臂指针所对应刻度盘上指示的刻度

11、就是反射角的读数。如果此时表头指示太大或太小，应调整系统发射端的可变衰减器，使表头指示接近满量程。l 连续选取几个入射角进行实验，并在表2-1中记录入射角和反射角。l 改变发射和接收喇叭为垂直极化，重复上述实验。2）良好导体表面对电磁波反射特性的测试。首先，不加反射板，测出入射场E01（如用选频放大器做指示，调至满度值100）。其次，加良导体反射板（用铝金属板300×300mm2），改变入射波的入射角1（入射场E01不变），测出反射角时的反射场。把有关测试数据填入表3-2中。3） 全折射测量测试良好介质的全折射（或称无反射），我们采用平行极化波工作状态，为此，须将电磁波综合测试仪的辐

12、射喇叭（Pr0）与接收喇叭（Pr3）置于平行极化工作状态。对于测试良好导体的全反射，我们同样采用平行极化波工作状态。测试装置示意图2-3所示。图2-3 反射、折射测试装置示意图1. 电磁波斜投射时，良好介质全折射的测试。首先，转台上不放介质板，调整发射与接收天线，使得E01=E02用，（接收天线发射天线在一直线上）。然后用厚度d=3.2mm的有机玻璃板，放置在测试仪平台支座上，然后改变波对介质板的投射角（转动平台，而接收与辐射喇叭总保持在一直线上），使接收的折射波场与入射波场相等，即E01=E02，同时得到斜投射时，反射波场为零的入射角1=2。把测试数据填入表2-1。将辐射与接收喇叭都转动到垂

13、直极化波工作状态，适当改变1角度，观察有无全折射（或无反射）现象发生。表2-1垂直极化入射场入射角20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 85°反射角反射场实测-理论表2-2 水平极化入射场入射角20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 85°反射角反射场实测-理论表2-3厚度入射场全折射折射角2dE01计算值测试值四、实验报告内容1. 实验目的2. 实验数据表3. 分析测试值与计算值之间存在误差的原因实验

14、四 电磁波的极化实验一、预习要求1、什么是电磁波的极化?它具有什么特点？2、了解各种常用天线的极化特性；3、天线特性与发射(接收)电磁波极化特性之间的有什么关系？二、实验目的1、研究几种极化波的产生及其特点；2、进行极化特性实验，与理论结果进行对比、讨论；3、通过实验加深对电磁波极化特性的理解和认识。三、实验原理 1）极化原理电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念， 它表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随 时间变化的特性，并用电场强度矢量 E 的端点在空间描绘出的轨迹来表示。由其轨迹方式可得 电磁波的极化方式有三种：线极化、圆极化、椭圆极化。极化波都可看成由两个同频率的直线极化波在空间合成,

15、如图所示，两线极化波沿正Z方向传播，一个的极化取向在X方向，另一个的 极化取向在 Y 方向。若 X 在水平方向，Y 在垂直方向，这两个波就分别为水平极化波和垂直极化波。水平极化波： 垂直极化波： 其中Exm、Eym分别是水平极化波和垂直极化波的振幅，是Ey 超前Ex的相角（水平极化波取为参考相面）。 取z=0的平面分析，有 综合得 式中a、b、c为水平极化波和垂直极化波的振幅、 和相角有关的常数。此式是个一般化椭圆方程，它表明由 Ex、Ey 合成的电场矢量终端画出的轨迹是一个椭圆。所以：1、当两个线极化波同相或反相时，其合成波是一个线极化波； 2、当两个线极化波相位差为/2时，其合成波是一个椭

16、圆极化波； 3、当两个线极化波振幅相等，相位相差/2时，其合成波是一个圆极化波。 极化波的一个需要重视的地方是极化的旋转方向问题。一般规定：面对电波传播的方向（无论是发射或接收），电场沿顺时针方向旋转的波称为左旋圆极化波，反时针方向旋转的波称为右旋圆极化波。1）喇叭型极化天线工作原理电磁波极化天线是由方圆波导转换,介质圆波导和圆锥喇叭连接而成。介质圆波导可做360o旋转，并有刻度指示转动的角度，当TE10波经方圆波导转换到圆波导口面时则过渡为TE11波，并在介质圆波导内分成两个分量的波，即垂直介质片平面的一个分量和平行介质面的一个分量。适当调整介质圆波导（亦可转动介质片）的角度使两个分量的幅度

17、相等时则可得到圆极化波。当方圆波导使的波过渡到成为RP波后，在装有介质片的圆波导段内分成Et和En两个分量的波，因Et和En的速度不同，Vc = Vn > Vt = , 当介质片的长度L取得合适时，使En波的相位超前Et波的相位90，这就实现了圆极化波相位条件的要求；为使En与Et的幅度相等，可使介质片的方向跟Y轴之间夹角为=45，若介质片的损耗略去不计，则有Etm=Enm=Erm ，实现了圆极化波幅度条件的要求（有时需稍偏离45以实现幅度相位的要求）。为了确定圆极化波右旋、左旋的特性把转到方向符合右手螺旋规则的波，定为右旋圆极化波；把转到方向符合左手螺旋规则的波，定为左旋圆极化波。波极

18、化天线除作为圆极化波工作外，也可作线极化波、椭圆极化波工作使用。当作线极化波工作时，介质片转到轴相垂直（或平行）。当作椭圆极化波工作时，介质片到轴夹角可在=045之间。三 实验仪器DH30002型电磁波极化天线（产品设计为9370Z左右使两个分量的波相位差90o）四、实验内容 1使用方形喇叭形成圆极化波Pr1为垂直栅网，Pr2为水平栅网，当辐射喇叭Pr0转角45°后，辐射波的场分为E与E两个分量，Pr1则反射E分量，而 E分量透过垂直栅网被吸收；Pr2则反射E分量，而 E分量透过水平栅网被吸收。这是转动接收喇叭Pr3，当Pr3喇叭E面与垂直栅网平行时收到E波。经几次调整辐射喇叭Pr0的转角使Pr3接收到的|E|=|E|，实现了圆极化的幅度相等要求。然后接收喇叭Pr3在E与E之间转动，将出现任意转角下|E|E|（或|E|）。这时改变Pr2水平栅网适当位置，使Pr3接收的波具有|E|=|E|=|E|，从而实现了E与E两个波的相位差为±90°，得到圆极化波（因为圆极化应该在接收天线任意角度都能得到相同的|E|）。由于测试条件所限，|E|与|E|、|E|不可能完全相等，Pr3转角0360°时，总会出现检波电压的波动，这时虽有Emin/Emax0.93，即椭圆