电磁场实验大纲及指导说明书

1、“电磁场与电磁波”和“微波技术”课内实验大纲及实验指导书唐万春，车文荃 编制陈如山 审定南京理工大学 通信工程系2006年12月目 录1“电磁场与电磁波”课内实验大纲2“电磁场与电磁波”课内实验指导说明书实验一 电磁波参量的测定实验二 电磁波的极化3“微波技术”课内实验大纲4“微波技术”课内实验指导说明书实验一 传输线的工作状态及驻波比测量实验二 微波网络散射参量测试5电磁场与电磁波”和“微波技术”课内实验评分标准南 京 理 工 大 学实 验 教 学 大 纲课 程 名 称： 电磁场与电磁波 开 课 实 验 室： 电磁场与微波技术实验室 执 笔 人： 唐 万 春 审 定 人： 陈 如 山 修（制

2、）订 日 期： 2005年4月 一、本课程实验教学目的与要求：（约100150汉字）作为课堂教学的必要补充和深化，特开设本课程课内实验。通过本课程的实验教学，使学生能对自由空间电磁波的传播特性有一个感性认识，进一步理解和加深课堂教学内容。要求学生了解各种极化形式电磁波的形成和特点，掌握电磁波频率（波长）和极化特性的测试方法。二、实验项目与主要内容：序号实 验 项 目 名 称学时主 要 内 容实验类型12电磁波频率（波长）测试电磁波极化的测试22目的：了解电磁波的传播特性。 内容： 测量电磁波自由空间波长和介质中的波长；确定相位常数和波速。方法：干涉法要求：掌握测试原理。目的：了解电磁波的极化特

3、性。内容：线极化波、圆极化波和椭圆极化的产生与测试。方法：用电磁波综合测试仪测试。要求：掌握实验原理。验证验证三、实验说明：课程总学分 3 学分实验学时数 0.25 学分实验项目数 2个 课程性质通识基础 学科基础 专业选修 学科选修 集中实践环节实验类别课程内实验 独立设课实验 集中综合实验考核方式日常考核 操作技能考核 卷面考核 提交实验结果 面试适用专业：通信工程，电子信息工程实验教材及参考书：（按编著者、教材名称、出版社*、出版年月顺序填写）蒋坤华. 电磁场实验指导书. 北京工业学院出版社,1988钟时顺，钮茂德. 电磁场理论基础. 西安电子科技大学出版社,1995 所属实验室意见：

4、实验室主任： 年 月所属课程意见：（对通识基础课、学科基础课适用） 课程负责人： 年 月所属专业意见：（对专业选修课、学科选修课、集中实践环节适用） 专业负责人： 年 月院（系）意见： 主管领导签章： 年 月*由学校出版、印刷的实验教材（或指导书），统一写作“南京理工大学出版”。“电磁场与电磁波”课内实验指导书唐万春 编写南京理工大学通信工程系二00六年十二月实验一 电磁波参量的测定实验1. 实验目的a) 观察电磁波的传播特性。b) 通过测定自由空间中电磁波的波长l，来确定电磁波传播的相位常数k和传播速度v。c) 了解用相干波的原理测量波长的方法。2. 实验内容a) 了解并熟悉电磁波综合测试仪

5、的工作特点、线路结构、使用方法。b) 测量信号源的工作波长（或频率）。3. 实验原理与说明a) 所使用的实验仪器 分度转台 晶体检波器 可变衰减器 喇叭天线 反射板 固态信号源 微安表实验仪器布置图如下：图1 实验仪器布置图参阅图1。固态信号源所产生的信号经可变衰减器至矩形喇叭天线，由喇叭天线辐射出去，在接收端用矩形喇叭天线接收，接收到的信号经晶体检波器后通过微安表指示。b) 原理本实验利用相干波原理，通过测得的电磁波的波长l，再由关系式得到电磁波的主要参量k，v等。实验示意图如图2所示。图中、和分别表示辐射喇叭、固定反射板、可动反射板和接收喇叭，图中介质板是一的玻璃板，它对电磁波进行反射、折

6、射后，可实现相干波测试。设入射波为： 图2 实验示意图当入射波以入射角向介质板斜投射时，在分界面上产生反射波和折射波。设入射波为垂直极化波，用表示介质板的反射系数，用、分别表示由空气进入介质板和由介质板进入空气的折射系数。另外固定的和可动的金属反射板的反射系数均为-1。在一次近似的条件下，接收喇叭处的相干波分别为：即两者幅度相等，相位差为，其中从而可得 因为固定值，而是可改变的，改变可动反射板Pr2位置而取不同的值，可使行程相位差为。当的值使Pr3为最大输出时，必有与同相叠加。若与反相时，则Pr3输出指示为零。因此可以通过改变Pr2的位置即改变Dl值，实现Pr3输出最大与零的重复出现，从而测出

7、电磁波的波长l和相位常数k。有关表达式可推导如下式中 为了测准波长l值，一般采用Pr3为零指示办法，即或 这里表示相干波的节点，而除零以外的n值，又表示相干波合成驻波的半波长数，故n=0时，出现，在Pr2处记为l0。 又因 ，故得 ， 或：。为确定相干波节点，可把波形图表示于图3上。图3 波形图当 得第一个波节点位置 得第二个波节点位置 得第N个波节点位置 可见，当波节点总数为时，上移动的总距离为，它相当于个半波长数。即：，故： 。根据：就可得到所测电磁波的参量l、k、v等值。可见测试波长l所用公式得出的是平均值。从理论上讲，n值越大，测出的l值精度应越高。实际测试时，一般取n=4已足够，这时

8、相应于5个波节点，所测的波长为它表示5个波节点的距离，相应于4个半波长。由于被测场处于近区场范围内，不仅影响着驻波节点位置均匀分布，而且使波幅值也有起伏。4. 实验步骤a) 了解并熟悉电磁波综合测试仪的工作特点、线路结构、使用方法。b) 测量电磁波的波长。首先调整好电磁波综合测试仪，使其能正常工作。然后测出电磁波的波长，根据测出的值，得到电磁波的重要参量k，由k值可计算出传播速度c) 用波长计（或频率计）测出信号源的工作波长（或频率）。把测试值填入表1中。如采用3cm标准信号源，则可改变信号源工作频率（即改变）。由以上实验内容，得到相应的电磁波参量，并与作比较（如使用该仪器本身的固态信号源，它

9、已调定在一个固定频率上工作，故及不能改变）。表1 电磁波参量测试数据表波长表(频率计)读数 微安表零指示次数 可动板总位移 自由空间中波长 波的相位常数 波的相速度 5. 实验报告实验名称实验目的实验步骤（包括使用设备，实验框架图，实验原理等）实验结果（实验数据，相关数据处理）讨论 （对实验结果和实验中碰到的一些问题的解释）结论 （实验的收获，或者某些建议等等）6安全说明 在本实验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内（10mW/cm2），不会对人体造成任何伤害。但是，在实验期间，请注意以下事项:a) 不要用眼睛往任何连接其他设备的开路传输线里面看;b) 不要把身体的任何部位放在传输线的开口端

10、;c) 在拆/装微波元器件时，请关掉微波信号源。7. 思考题：用相干波测量自由空间波长时，介质板所放位置，为什么必须如图1所示？若把介质板转，将发生何种现象？这时，能否测准电磁波波长？为什么？实验二 电磁波的极化1 实验目的研究线极化、圆极化和椭圆极化电磁波的产生和各自的特点。2 实验内容a) 圆极化波的调整与测试b) 线极化波的调整与测试c) 椭圆极化波的调整与测试3 实验原理a) 所使用的实验仪器固态信号源频率计衰减器矩形喇叭圆形喇叭检波器微安表实验系统框图如图1所示。图1 实验系统框图电磁波综合测试仪中辐射喇叭（3cm波段）支路由固态信号源、频率计(或波长计)、衰减器及圆形喇叭等组成。固

11、态信号源的工作频率f=9370MHz左右，接收喇叭支路由矩形喇叭、检波器、微安表等组成。b) 原理电磁波极化是指电磁波在无限大均匀媒质中传播时，空间某点上电场强度矢量E的末端随时间变化的轨迹。当电场矢量末端总在一直线上周期地变化时，称为线极化波；当电场矢量末端轨迹是圆或椭圆时，即电场矢量末端总在圆或椭圆上周期地变化时，称为圆极化波或椭圆极化波。无论是线极化波，左、右旋圆极化波，左、右旋椭圆极化波，都可由两个同频率且场矢量相互正交的线极化波组合而成。本实验利用方圆波导转换，介质圆波导和圆锥喇叭连接而成的电磁波极化天线，分别研究波的极化线极化波、圆极化波和椭圆极化波的特性。图2 圆极化波辐射装置图

12、2所示为圆极化波辐射装置，其中介质圆波导可做3600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，即垂直界面片平面的一个分量和平行介质面的一个分量。实验装置设计为9370MHz左右使两个分量的波相位差900，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相等时则可得到圆极化波。当方圆波导使TE10的EY波过渡到TE11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，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900，这就实现了圆极化波相位条件的要求；

13、为使Et和En的幅度相等，可使介质片的方向跟Y轴之间夹角为，若介质片的损耗略去不计，则有，实现了圆极化波幅度条件的要求（有时需稍偏离450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，介质片与Y轴相垂直（或平行）。当作椭圆极化波工作时，介质片与Y夹角可在a=0-450之间。4. 实验步骤 a) 圆极化波的调整与测试根据圆极化波的条件，两个同频率的正交场相干波必须幅度相等，相位差。为此将反射板和介质

14、板拿掉，把辐射喇叭换成圆喇叭，转动圆喇叭使介质片的方向跟Y轴之间夹角为450左右，然后固定圆喇叭，再把接收喇叭调整到与圆喇叭成一直线。转动接收喇叭，每隔100测量一次，读取微安表上的读数，并填入下表，最后算出圆极化波的椭圆度值。表1 圆极化波调整与测试数据表接收喇叭转动角度微安表读数（mA）椭圆度b) 线极化波的调整与测试转动圆喇叭使介质片的方向跟Y轴之间夹角为00或900，就可以得到线极化波。固定圆喇叭，转动接收喇叭，每隔100测量一次，读取微安表上的读数，并填入下表。表2线极化波的调整与测试数据表接收喇叭转动角度微安表读数（mA）c) 椭圆极化波的调整与测试调整与测试椭圆极化波的方法与内容

15、同a、b项，要注意的是圆喇叭的转角在0-450之间，按表3列出记录表格，最后计算出椭圆极化波的椭圆度值。表3椭圆极化波的调整与测试数据表接收喇叭转动角度微安表读数（mA）椭圆度5 实验报告实验报告提纲包括以下内容：实验名称实验目的实验步骤（包括使用设备，实验框架图，实验原理等）实验结果（实验数据，相关数据处理）讨论 （对实验结果和实验中碰到的一些问题的解释）结论 （实验的收获，或者某些建议等等）6 安全说明在本实验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内（10mW/cm2），不会对人体造成任何伤害。但是，在实验期间，请注意以下事项:a) 不要用眼睛往任何连接其他设备的开路传输线里面看;b) 不要

16、把身体的任何部位放在传输线的开口端;c) 在拆/装微波元器件时，请关掉微波信号源。7 思考题：一右旋圆极化波从空气正入射到另一种媒质表面，反射波与透射波的旋向如何（左旋还是右旋）？南 京 理 工 大 学实 验 教 学 大 纲课 程 名 称： 微 波 技 术 开 课 实 验 室： 电磁场与微波技术实验室 执 笔 人： 车文荃，赵志林 审 定 人： 陈 如 山 修（制）订 日 期： 2005年4月 一、 本课程实验教学目的与要求：（约100150汉字）教学目的：课内实验作为课堂教学的必要补充，可以加深学生对物理概念及基本理论的理解和掌握，并为进一步的工程实践打下良好的基础。实验要求：要求学生了解无

17、耗传输线在终端接不同负载时的三种工作状态，掌握波导测量线的工作原理及测试方法。要求学生掌握微波网络散射参量的概念，以及矢量网络分析仪的使用方法。二、实验项目与主要内容：序号实 验 项 目 名 称学时主 要 内 容实验类型12传输线工作状态的测试微波网络散射参量测试22目的：了解无耗传输线 （矩形波导）在终端接不同负载时的工作状态。内容： 测量传输线终端分别接短路，开路及匹配负载时波导中的电场幅度沿传播方向的分布曲线，并由此计算三种状态下的驻波比。测量输入阻抗。方法：用波导测量线进行测量要求：掌握波导测量线的测试方法目的：了解散射参量的物理概念及测量方法。内容：测试微波元件的散射参量。方法：用矢

18、量网络分析仪进行测量。要求：掌握矢量网络分析仪的使用方法。验证验证三、实验说明：课程总学分 3 学分实验学时数0.25 学分实验项目数2个 课程性质通识基础 学科基础 专业选修 学科选修 集中实践环节实验类别课程内实验 独立设课实验 集中综合实验考核方式日常考核 操作技能考核 卷面考核 提交实验结果 面试适用专业：通信工程，电子信息工程实验教材及参考书：（按编著者、教材名称、出版社*、出版年月顺序填写）赵春晖，杨莘元. 微波测量与实验教程. 哈尔滨工程大学出版社, 2000廖承恩. 微波技术基础. 西安电子科技大学出版社, 2004顾继慧. 微波技术. 科学出版社，2005所属实验室意见： 实

19、验室主任： 年 月所属课程意见：（对通识基础课、学科基础课适用） 课程负责人： 年 月所属专业意见：（对专业选修课、学科选修课、集中实践环节适用） 专业负责人： 年 月院（系）意见： 主管领导签章： 年 月*由学校出版、印刷的实验教材（或指导书），统一写作“南京理工大学出版”“微波技术”课内实验指导书车文荃 编写南京理工大学通信工程系二00六年十二月实验一 传输线的工作状态及驻波比测量2 实验目的了解无耗传输线（矩形波导）在终端接不同负载时的工作状态。3 实验内容a) 测量传输线终端接不同负载时传输线中的电场幅度沿传播方向的分布，判定传输线的工作状态b) 求出波导波长和驻波比4 实验原理a)

20、所使用的实验仪器及元器件信号源同轴-波导变换铁氧体隔离器频率计衰减器 波导测量线 选频放大器 负载（短路负载，开路负载，匹配负载和任意负载）b) 原理传输线的工作状态（电场幅度分布）在无耗传输线的终端连接不同的负载时，传输线将呈现不同的工作状态。当终端接与传输线特性阻抗相等的匹配负载时，只有入射波，没有反射波，传输线工作在行波状态。行波状态下传输线上的电压（电流）幅度沿传输方向的分布如图1所示。 z0图1 传输线行波状态电压（电流）幅度沿传播方向的分布当终端接与短路，开路或纯电抗负载时，终端将发生全反射，传输线工作在纯驻波状态。纯驻波状态下传输线上的电压（电流）幅度沿传输方向的分布如图2所示（

21、以终端短路为例）。图2 传输线纯驻波状态（终端短路）电压（电流）幅度沿传播方向的分布测量传输线的工作状态（电场分布）是采用测量线技术。测量线的主体是一段在波导宽边中间开槽的矩形波导，有一根探针通过波导的槽缝伸进波导内，并可以沿传输线移动。当探针位于某一个位置时，与所在位置的电场发生耦合，在探针上产生感应电动势，由检波二极管转换为检波电流，并通过选频放大器指示出来。当探针沿波导移动时，放大器读数就间接地反映了波导内电场大小的分布。将探针位置D与检波电流I的测量值绘制成曲线，即为传输线上的电场幅度分布曲线，由此也就知道了传输线的工作状态。两个相邻波节点的间距等于，因此有测出的波节点的位置可以求得矩

22、形波导的波导波长lg。电压驻波比计算电压驻波比描述了负载的匹配特性，是反映传输线上不匹配情况的量，驻波比的定义为： (1)即传输线中的电场幅度的最大值与最小值之比。因为测得的是检波电流，而检波电流与电场的关系是，n为检波二极管的检波律。在实验中一般为小信号检波，可以取n=2，即平方律检波，则上式（1）可表示为 (2)式中和分别为波腹点和波节点的检波电流值。4. 实验步骤实验所用原理框图如图3所示。波长计隔离器同轴-波导变换信号源选频放大器衰减器波导测量线待测负载图3 实验框图首先将测量线终端接短路负载，这时在传输线上形成全驻波，然后将探针移到测量线左端的一个波节点，记下探针位置D（mm）和检波

23、电流I（）值，以后每向右移动探针2mm，记录一个D和I值，直到测出两个完整的驻波。将测量线终端分别换接匹配负载（行波状态）和开口波导（行驻波状态），同样用上述方法进行测量。测量传输线终端为开口波导时的和值，用式（2）计算驻波比。5 实验报告根据实验数据，画出传输线在三种工作状态时的电场幅度分布曲线。根据测量的和值计算开口波导的驻波比。由测试数据求得矩形波导的波导波长，并与理论计算结果比较。实验报告提纲包括以下内容：实验名称实验目的实验步骤（包括使用设备，实验框架图，实验原理等）实验结果（实验数据，相关数据处理）讨论（对实验结果和实验中碰到的一些问题的解释）结论（实验的收获，或者某些建议等等）6

24、思考题a. 波导测量线上的槽缝为何开在波导宽边的中间？b. 信号源为何选用方波调制？c. 测量线的探针插入波导太深是否会影响测试结果？d. 为什么所测开口波导的驻波比不是无穷大？如何实现波导的理想开路？7安全说明 在本实验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内（10mW/cm2），不会对人体造成任何伤害。但是，在实验期间，请注意以下事项:a) 不要用眼睛往任何连接其他设备的开路传输线里面看;b) 不要把身体的任何部位放在传输线的开口端;c) 在拆/装微波元器件时，请关掉微波信号源。实验二 微波网络散射参量测试1 实验目的 通过用矢量网络分析仪测量负载的阻抗、回波损耗、驻波，以及同轴可变衰减器的

25、插入损耗，掌握矢量网络分析仪的基本使用方法，加深对网络散射参量的认识和理解。2 实验内容（1） 测量负载的阻抗、回波损耗及驻波（2） 测量同轴可变衰减器的插入损耗3 实验原理a) 所使用的实验仪器及元器件矢量网络分析仪PNA3623（扫频范围：30-3200MHz,双测试通道）3dB电桥10dB衰减器同轴可变衰减器（待测件） b)原理众所周知，微波元器件的作用是用来控制电磁波的振幅，相位等的变化，这些变化可以用输入驻波比，回波损耗，插入损耗等外部特性参量来描述。而外部特性参量又可以用微波网络参量来表示。因此，首先用矢量网络分析仪测量待测元器件的散射参量，然后得到反映元器件特性的外部特性参量。图

26、1所示为微波二端口网络的示意图。图1 微波二端口网络示意图散射参量S的定义为： (1)散射参量矩阵S中各元素的意义分别为：S11：当输出端接匹配负载时，输入端口的电压反射系数；S22：当输入端接匹配负载时，输出端口的电压反射系数；S12：当输入端接匹配负载时，输出端口到输入端口的电压传输系数；S21：当输出端接匹配负载时，输入端口到输出端口的电压传输系数。因此网络输入端电压反射系数的模，故输入驻波比为： （2）回波损耗(return loss)Lr：回波损耗用来描述反射系数的幅度,有时又称为失配损耗。它与负载反射系数大小有关,其绝对值越大，则表明负载匹配越好，反射越小。引入回波损耗以后，反射系

27、数的大小就可用dB形式来表示。 (3)插入损耗 (Insertion loss)IL：插入损耗定义为网络输出端接匹配负载时，网络输入端入射波功率Pi与负载吸收功率PL之比，即： (4)用分贝表示，为： (5)4 实验步骤（1）测量负载的阻抗、回波损耗及驻波a) 开机（按照说明书要求），把频率范围设为1.8GHz3.2GHz。设定BF：1800MHz; F：20MHz; EF：3200MHz; N=71。b) 按图2 所示把电桥连接好，并选择测试B端口回损。输出输入A输入B电桥图2负载反射特性测试框图c) 开路校准：把开路器接上，按 执行, 光标在Smith圆图上右端闪烁。短路校准：把短路器接上

28、，按 执行, 光标在Smith圆图上左端闪烁。d) 测负载：接上待测负载，可用Smith圆图看出变化趋势。e) 测回波损耗按 菜单 选择“对数”，再按 执行，即可出现回波损耗曲线，读出数据, 列表并画图。f) 测驻波按 菜单，把光标移到 驻波，按 执行 即可，有四档可选读数范围，读出数据，列表并画图。（2）测量同轴可变衰减器的插入损耗a) 按图3所示连接好。输出输入A输入B10dB衰减器10dB衰减器待测器件图3 待测器件连接框图 b) 在主菜单上按“ ”键光标移到测：A、B下，按或键使A为插损，B下为空白。c) 直通校准按“”使光标停在校：直通下，按“执行”键，此时为直通状态，测试系统（如电缆，10dB的衰减器）的插入损耗即归零，系统转入测试状态。d) 测同轴可变衰减器的插入损耗将待测试的同轴可变衰减器接到两电缆之间，按“主菜单”，用“ ”键把光标移到“对数”，按“执行”即可出现插入损耗曲线，读出数据，列表并画图。5 实验报告a. 根据实验数据，画出待测负载在1.8GHz3.2GHz的范围内的回波损耗及 驻波曲线。b. 根据实验数据，画出待测同轴可变衰减器在1.8GHz3.2GHz的范围内