电磁场与电磁波实验讲义

1、电磁场与电磁波实验讲义（试用）实验一、电磁波的反射特性研究一、实验目的1、研究电磁波在良导体表面的反射;2、熟悉微波分光仪DH962B的使用方法。法线二、实验原理r反射波入射波i金属反射板实验原理图 如上图所示,电磁波在传播过程中如遇到障碍物,必定要发生反射,我们用一块金属板作为障碍物来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律,即反射线在入射线和通过入射点的法线所决定的平面上,反射线和入射线分居在法线两侧,反射角等于入射角(如上图所示,r =i)。三、实验装置 (1)实验装置示意图微安表三厘米固态信号源接收喇叭天线发射喇叭天线金属反射板四、实验内容和步骤1、熟悉微波分光仪的结构

2、、仪器的连接和系统调整: 在微波分光仪的底座上有两个支臂,其中一个为固定支臂,另一个支臂则可绕中心轴旋转(带固定螺钉),发射喇叭天线和信号源安装在固定支臂上,接收喇叭天线和微安表安装在旋转支臂上。微波分光仪底座中央有一带角度刻度线的园形工作平台。仪器连接时,两喇叭天线的口面应正对,它们各自的轴线应在同一条直线上,两个臂的位置指针应分别指向工作平台的900刻度处。按信号源的操作规程打开电源,调节衰减器使微安表有一适当的读数(满量程的三分之二及以上,这样可以减小读数误差对测试结果的影响)。将带支座的金属反射板放在园形工作平台上(注意:金属反射板的平面应与支座下面的小园盘上的某一对刻度线一致),在将

3、带支座的金属反射板放在园形工(2)作平台上时,应注意两点:(1)使小园盘的刻度线(与金属板平面一致的一对刻度线)与工作平台上相应900刻度的一对刻度线一致,这时工作平台上的00刻度线就与金属反射板的法线方向一致;(2)利用工作平台上的固定螺钉将金属反射板的支座固定。2、测量入射角和反射角: 转动工作平台,使固定臂的指针指在某一角度处,该角度数就是入射角,然后转动旋转臂使微安表的读数达到最大,此时旋转臂上的指针所指的刻度就是反射角。如果此时微安表的指示太大或太小,可调节信号源的衰减器,使微安表的指示有一适当值。做此项实验时,入射角最好取300至650之间,因为入射角太大接收喇叭天线有可能直接接收

4、到入射波。按下表所示入射角,分别测出它们所对应的反射角。入射角(0)3035404550556065反射角(0)注意:实验时应注意周围环境对测试结果的影响;实验装置附近不可有运动物体,甚至测量者头部的移动都有可能影响测量结果,所以测量者应坐在接收天线后面读数。五、实验仪器1、DH926B微波分光仪; 2、三厘米固态信号源; 3、带支座的金属反射板; 4、角锥喇叭天线; 5、微安表。 (3)六、预习要求1、熟悉实验目的、实验原理、实验内容和步骤; 2、设计出记录数据的表格,写出预习报告。七、实验报告要求1、写出实验名称、作者、合作者、实验目的、实验原理、实验内容和步骤、画出实验装置示意图;2、实

5、验结果；3、分析可能引起测量误差的因素。实验二、电磁波的极化特性研究一、实验目的 1、研究线极化波、圆极化波和椭圆极化波的形成和特点; 2、了解线极化波、圆极化波和椭圆极化波特性参数的测试方法; 3、进一步熟悉微波分光仪DH962B的使用方法。二、实验原理平面电磁波的极化是指电磁波传播时,空间某点电场强度矢量E随时间变化的规律。若E的末端总在一条直线上周期性变化,称为线极化波。若E的末端的轨迹是圆(或椭圆),称为圆(或椭圆)极化波。若圆运动轨迹与波的传播方向符合右手(或左手)螺旋规则时,则称为右旋(或左旋)圆极化波。线极化波、圆极化波和椭圆极化波都可由两个同频率的正交线极化波组合而成。 设同频

6、率的两个正交线极化波的电场为: Ex=Exmcos(t-1) (1) (4) Ey=Eymcos(t-2) (2)1、线极化波的合成:当Ex、Ey的相位相同时,即1=2=,合成电场为 E=exExmcos(t-)+eyEymcos(t-) 合成电场的大小为: E=Exm2+Eym21/2cos(t-) (3) 合成电场的方向为(与x轴的夹角):=tg-1Ey/Ex=tg-1Eym/Exm=常数 (4) 由式(3)和式(4)可以看出,合成电场的大小随时间作周期性变化,但方向不变,始终在一条直线上,合成后为线极化波,如图一所示。 xyEyExEo图一 线极化波2、圆极化波的合成:(暂不做) 在式(

7、1)和式(2) 中,当Exm=Eym=Em,相位差为900时 Ex=Emcos(t-1) Ey=Emcos(t-1-/2)=Emsin(t-1) 合成电场的大小为: (5) E=Em=常数 (5) 合成电场的方向为(与x轴的夹角): =tg-1Ey/Ex=t-1 (6) 由式(5)和式(6)可以看出,合成电场的大小不变,但方向随时间变化。合成电场矢量的末端在一圆周上以角速度旋转,这就是圆极化波,如图二所示。 oxyExEyE右旋左旋图二 圆极化波 设电磁波沿Z轴传播,当Ey较Ex滞后900时,合成电场矢量沿逆时针方向旋转,是右旋圆极化波;当Ey较Ex超前900时,合成电场矢量沿顺时针方向旋转,

8、是左旋圆极化波。3、椭圆极化波的合成: 在式(1)和式(2)中,当Ey和 Ex具有不同振幅和不同相位,则合成波矢量的端点轨迹是一个椭圆,因此,这种平面波就是椭圆极化波。 当Ey分量较Ex分量滞后时,合成电场矢量沿逆时针方向旋转,与传播方向(Z轴正方向)形成右旋椭圆极化波;当Ey分量较Ex分量超前 (6)时,合成电场矢量沿顺时针方向旋转,与传播方向(Z轴正方向)形成左旋椭圆极化波。三、实验装置介绍 实验装置如图三所示图三 实验装置垂直金属丝栅板 发射喇叭天线介质分光板水平金属丝栅板接收喇叭天线介质分光板将发射天线辐射出的电磁波分为两路:一路反射到垂直金属丝栅板,另一路折射到水平金属丝栅板。 垂直

9、金属丝栅板反射垂直极化波(滤除水平极化波);水平金属丝栅板反射水平极化波(滤除垂直极化波)。 把发射喇叭天线转动一个角度,可同时产生E和E两个同频率的入射波: E+=Ei+sin (7) (7) E+=Ei+cos (8) E+经介质分光板的反射,垂直金属丝栅板的反射和介质分光板的折射到达接收喇叭天线处的场强为E+2; E+经介质分光板的折射,水平金属丝栅板的反射和介质分光板的反射到达接收喇叭天线处的场强为E+2。由式(7)和式(8)可知,调整发射喇叭天线的转角,可改变E+和E+的幅度,从而可改变E+2和E+2的幅度(注意:当=450时, E+=E+,但由于RR,TT, 故E+2和E+2的幅度

10、并不相等);当前后调节水平金属丝栅板的位置,就可以改变E+2在空间传播的波程,从而可改变E+2和E+2之间的相位差。因此,适当调整发射喇叭天线的转角和前后调节水平金属丝栅板的位置,就可改变E+2和E+2的幅度及二者之间的相位差。当E+2和E+2的幅度相等, =/2时,就可在接收喇叭天线处获得园极化波;当=时,就可在接收喇叭天线处获得线极化波。当E+2和E+2的幅度不同,相位也不同时,就可在接收喇叭天线处获得椭园极化波。四、实验内容和实验方法 1、圆极化波的调试与测试: 两个同频率的正交场,幅度相等,相位差为/2时,可产生圆 极化波。为此,先把发射喇叭天线旋转大约500角(),再把接 收喇叭天线

11、的E面垂直放置,可接收E+2,然后把接收喇叭天线 的E面水平放置,可接收E+2。若E+2E+2,可适当调整发射喇 叭天线的转角,使E+2=E+2。最后前后调节水平金属丝栅板的(8)位置,使接收喇叭天线转动任何角度的输出指示值都相等,那么在接收天线处就获得了圆极化波。当接收喇叭天线转动角度为0、10、20 、170度时记录测量数据填入表一中,并计算出圆极化波的椭圆度e的值。表一00102030405060140150160170I(uA)由于实验误差, E+2和E+2总有差别,所得圆极化波非纯圆极化波,因此用圆极化波的椭圆度e=Imin/Imax1/2来表示, Imin是输出指示的最小值, Im

12、ax是输出指示的最大值。数据记录发射喇叭天线的转角:1= 水平金属丝栅板位置参数:L1=圆极化波的椭圆度e=（注：接收喇叭天线:EI1/2 ） 2、线极化波的调试与测试: 在前面产生圆极化波的基础上,前后调节水平金属丝栅板的位置,使E+2和E+2之间的相位差=即可产生线极化波(注:由于此时E+2和E+2 的幅度可以不必相等,所以可以调整发射喇叭天线转角,也可以不作调整)。调整水平金属丝栅板的位置L0产生的波程差为2L,由此产生的相位差=2 L。由= 2/2 L,(9)可以解出L=/4,所以把水平金属丝栅板的位置前后调节/4就可以产生线极化波(实际上在前面产生圆极化波的基础上,把水平金属丝栅板的

13、位置前后调节/8（f=9GHz）就可以产生线极化波)。当接收喇叭天线转动角度为0、10、20 、170度时记录测量数据填入表二中。表二 00102030405060140150160170I(uA)数据记录发射喇叭天线的转角:2= 水平金属丝栅板位置参数:L2=3、椭圆极化波的调试与测试: 在前面产生线极化波的基础上,适当前后调节水平金属丝栅板的位置,即可产生椭圆极化波。当接收喇叭天线转动角度为0、10、20 、170度时记录测量数据填入表三中,并计算出椭圆极化波的椭圆度e的值。表三00102030405060140150160170I(uA)数据记录发射喇叭天线的转角:3=? 水平金属丝栅板位置参数:L3= (10)椭圆极化波的椭圆度e=注:椭圆极化波的椭圆度e=Imin/Imax1/2, Imin是输出指示的最小值, Imax是输出指