电磁场实验大纲及指导说明书教材

“电磁场与电磁波”和“微波技术”课内试验大纲及试验指导书唐万春，车文荃编制陈如山审定南京理工大学通信工程系202312目录“电磁场与电磁波”课内试验大纲“电磁场与电磁波”课内试验指导说明书试验一电磁波参量的测定试验二电磁波的极化“微波技术”课内试验大纲“微波技术”课内试验指导说明书试验一传输线的工作状态及驻波比测量试验二微波网络散射参量测试电磁场与电磁波”和“微波技术”课内试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：电磁场与微波技术试验室执笔人：唐万春审定人：陈如山修〔制〕订日期： 2023年4月〔100～150汉字〕加深课堂教学内容。〔波长〕和极化特性的测试方法。二、试验工程与主要内容：实序 实验项目名称号

学 主要内容 验时 类型目的：了解电磁波的传播特性。 验电磁波频率〔波长〕测试 2

内容：测量电磁波自由空间波长和证方法：干预法要求：把握测试原理。目的：了解电磁波的极化特性。化的产生与测试。 验电磁波极化的测试

2 方法：用电磁波综合测试仪测试。 要求：把握试验原理。分

学分 试验学时数 0.25学分

试验工程 2个数

通识根底□ 学科根底√ 专业选修□学科选修□集中实践环节□课程内试验√ 独立设课试验□ 集中综合试验□日常考核□ 操作技能考核□ 卷面考核□ 提交试验结果√面试□适用专业：通信工程，电子信息工程〔按编著者、教材名称、出版社*、出版年月挨次填写蒋坤华.电磁场试验指导书.北京工业学院出版社,1988钟时顺，钮茂德.电磁场理论根底.西安电子科技大学出版社,1995所属试验室意见：试验室主任： 年 月对通识根底课、学科根底课适用〕课程负责人：年月对专业选修课、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、印刷的试验教材〔或指导书“电磁场与电磁波”课内试验指导书唐万春编写00试验一电磁波参量的测定试验试验目的观看电磁波的传播特性。通过测定自由空间中电磁波的波长，来确定电磁波传播的相位常数k和传播速度v。了解用相干波的原理测量波长的方法。试验内容法。测量信号源的工作波长〔或频率〕。试验原理与说明 所使用的试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试验仪器布置图如下：反射板喇叭天线反射板喇叭天线可变衰减器微安表分度转台固态信号源1试验仪器布置图1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。原理，再由关系式k2, vf k得到电磁波的主要参量k，v等。试验示意图如图2所示。图中Pr0

、P、P和Pr1 r2

分别表示辐射喇叭、固定反射板、可动反射板和接收喇叭，图中介质板是一3030(mm)2的玻璃板，它对电磁波进展反射、折射后，可实现相干波测试。设入射波为： EEejkr2试验示意图当入射波以入射角1

E和折射波ER

T T0 e

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件下，接收喇叭Pr3

处的相干波分别为：ERT T

Eej1 0 1ERT T2 0

Eej2即两者幅度相等，相位差为(21

)，其中2k(L1 0

L)kLr1 1 k(L2 r2

L)k(Lr1

lLr1

)kL2从而可得LL2

Ll1因LL1

L为固定值，而Lr1 2

Ll是可转变的，转变可动反射板Pr2r2位置而取不同的L2

值，可使行程相位差为90。当l的值使P

为最大r3输出时，必有E与E同相叠加。假设E与E反相时，则P 输出指示为r31 2 1 2 r3零。因此可以通过转变P 的位置即转变l值，实现P 输出最大与r2 r3零的重复消灭，从而测出电磁波的波长和相位常数k。有关表达式可推导如下EEE

RT

E(ej

ej)1 2

0 1 22RT T

Ecos(

)ej()2120 212式中 1 2

k(L1

L)kl2为了测准波长值，一般承受P 为零指示方法，即r3cos或

02(2n

1) ,

0,1,22 2r2 这里n0,,2 表示相干波E0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，消灭E0，在P 处记为lr2 又因 l，故得 (n l，或：2l(2n1。为确定相 33波形图当 n0, 2l2(Lr2

L)(l),0 0

得第一个波节点位置l0n1, 2l2(l1

l),0

得其次个波节点位置l1nN, 2l2(l l , 得第N个波节点位置lN N1 N可见，当波节点总数为(n1)时，Pr2

上移动的总距离为(lN

l，它相当0于n2(lN

l)n，故：0

2(l l N 0n

)。依据：k2, vf k就可得到所测电磁波的参量、k、v等值。可见测试波长所用公式得出的是平均值。从理论上讲，n值越大，测出的值精度应越高。n=45的波长为 2(ll) 4 04它表示5个波节点的距离(l4

l4个半波长。由于被测场E0值也有起伏。试验步骤法。测量电磁波的波长。出传播速度2f 100v 00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。如承受3cm标准信号源，则可转变信号源f

〔即转变0

〕。由以上试验内容，得到相应的电磁波参量, k, v，并与0

, k, v0

作比较〔如使用该仪器本身的固态信号源，它已调定在一个固定频率f0

上工作，故ν及k不能转变〕。波长表(频率计)读数波长表(频率计)读数0(n1)可动板总位移llln 0自由空间中波长2ln波的相位常数k2波的相速度v2f0k试验报告试验名称试验目的试验步骤〔包括使用设备，试验框架图，试验原理等〕试验结果〔试验数据，相关数据处理〕争论〔对试验结果和试验中遇到的一些问题的解释〕结论〔试验的收获，或者某些建议等等〕安全说明在本试验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内〔，不会对人体造成任何损害。但是，在试验期间，请留意以下事项:不要用眼睛往任何连接其他设备的开路传输线里面看;在拆/装微波元器件时，请关掉微波信号源。思考题：用相干波测量自由空间波长时，介质板所放位置，为什么必需如图1所示？假设把介质板转90，将发生何种现象？这时，能否测准电磁波波长？为什么？试验二电磁波的极化试验目的争论线极化、圆极化和椭圆极化电磁波的产生和各自的特点。试验内容圆极化波的调整与测试线极化波的调整与测试椭圆极化波的调整与测试试验原理 所使用的试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1矩形喇叭矩形喇叭衰减器检波器微安表固态信号源

1试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。固态信号源的工作频成。原理电场强度矢量E的末端随时间变化的轨迹。当电场矢量末端总在始终椭圆极化波。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，分别争论波的极化——线极化波、圆极化波和椭圆极化波的特性。En-REtEtEn-REtEtEn圆喇叭矩一圆波导介质圆波导EnRYEtEEtYREnEnXXTE介质片11图2圆极化波辐射装置图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重量的波，即垂直界面片平面的一个重量和平行介质面的一个重量。 试验装置设计为9370MHz左右使两个重量的波相位差900，适当调整介质圆波导〔亦可转动介质片〕的角度使两个重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t n t 片的圆波导段内分成E和E两个重量的波，因E和Et n t v

vv/

E

波的相位超前rc n t c rt t E波的相位900，这就实现了圆极化波相位条件的要求；为使E和t t 的幅度相等，可使介质片的^方向跟轴之间夹角为450，假设介质片的损耗略去不计，则有Etm

E 1 E2nm 2

，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章的波，定为右旋圆极化波；把转到则的波，定为左旋圆极化波。

方向符合左手螺旋规〔或平行当作椭圆极化波工作时，介质片与Y=0-4之间。试验步骤圆极化波的调整与测试依据圆极化波的条件，两个同频率的正交场相干波必需幅度相等，相位差。2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始终线。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，最终算出圆极化波的椭I /Imin maxI /Imin max接收喇叭转动角度〔接收喇叭转动角度〔A〕椭圆度线极化波的调整与测试n转动圆喇叭使介质片的^方向跟Y00900，就可100测量一次，读取微安表上的读数，并填入下表。n接收喇叭转动角度微安表读数〔A〕接收喇叭转动角度微安表读数〔A〕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同a、b项，要留意的是圆喇叭的转角在0-450之间，按表3列出记录表格，最终计算出椭圆极I /Imin max化波的椭圆度eI /Imin max接收喇叭转动角度〔接收喇叭转动角度〔A〕椭圆度试验报告试验报告提纲包括以下内容：试验名称试验目的试验步骤〔包括使用设备，试验框架图，试验原理等〕试验结果〔试验数据，相关数据处理〕争论〔对试验结果和试验中遇到的一些问题的解释〕结论〔试验的收获，或者某些建议等等〕安全说明在本试验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内，不会对人体造成任何损害。但是，在试验期间，请留意以下事项:不要用眼睛往任何连接其他设备的开路传输线里面看;在拆/装微波元器件时，请关掉微波信号源。思考题：一右旋圆极化波从空气正入射到另一种媒质外表，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：电磁场与微波技术试验室执 笔 人： 车文荃，赵志林审 定 人： 陈如山修〔制〕订日期： 2023年4月〔100～150汉字〕教学目的根本理论的理解和把握，并为进一步的工程实践打下良好的根底。试验要求：要求学生了解无耗传输线在终端接不同负载时的三种工作状态，把握波导测量线的工作原理及测试方法。要求学生把握微波网络散射参量的概念，以及矢量网络的使用方法。二、试验工程与主要内容：实序 实验项目名称号1传输线工作状态的测试2 微波网络散射参量测试

学 主要内容 验时 类型〔矩形波导〕验在终端接不同负载时的工作2 证状态。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：用波导测量线进展测量要求：把握波导测量线的测试方法验证目的：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。法。三、试验说明：分

学分 数

0.25学分 试验工程 2个数

通识根底□ 学科根底□专业选修√学科选修□集中实践环节□课程内试验√ 独立设课试验□ 集中综合试验□日常考核□ 操作技能考核□ 卷面考核□ 提交试验结果√面试□适用专业：通信工程，电子信息工程〔按编著者、教材名称、出版社*、出版年月挨次填写赵春晖，杨莘元.微波测量与试验教程.哈尔滨工程大学出版社,2023廖承恩.微波技术根底.西安电子科技大学出版社,2023顾继慧.微波技术.科学出版社，2023所属试验室意见：试验室主任：年 月〔对通识根底课、学科根底课适用〕课程负责人：年 月〔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、印刷的试验教材〔或指导书，统一写作“南京理工大学出版”“微波技术”课内试验指导书车文荃编写00试验一传输线的工作状态及驻波比测量试验目的〔矩形波导在终端接不同负载时的工作状态。试验内容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求出波导波长和驻波比试验原理所使用的试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〕原理||U||I|IZ0 0I03/25/43/4/2/40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〕1VIVI01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〕2〔以终端短路为例。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〕是承受测量线技术。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。2两个相邻波节点的间距等于g ，因此有测出的波节点的位置可以求得矩形波导的波导波长g。2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状况的量，驻波比的定义为：Emax (1)Emin即传输线中的电场幅度的最大值与最小值之比。由于测得的是检IKEn，n为检波二极管的检波律。在试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1I 21 max

(2)I I min式中I 和I 分别为波腹点和波节点的检波电流值。max min试验步骤3信号源信号源选频放大器同轴-波导 隔离器波长计衰减器波导测量线待测负载3试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，登记探针位置D〔mm〕I〔A〕值，以后每向右移动探针2mm，记录一个D和I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，同样用上述方法进展测量。测量传输线终端为开口波导时的I 和I max min比。试验报告依据试验数据，画出传输线在三种工作状态时的电场幅度分布曲线。依据测量的I 和I 值计算开口波导的驻波比。max min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。试验报告提纲包括以下内容：试验名称试验目的试验步骤〔包括使用设备，试验框架图，试验原理等〕试验结果〔试验数据，相关数据处理〕争论〔对试验结果和试验中遇到的一些问题的解释〕结论〔试验的收获，或者某些建议等等〕思考题波导测量线上的槽缝为何开在波导宽边的中间？信号源为何选用方波调制？测量线的探针插入波导太深是否会影响测试结果？为什么所测开口波导的驻波比不是无穷大？如何实现波导的抱负开路？安全说明在本试验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内，不会对人体造成任何损害。但是，在试验期间，请留意以下事项:不要用眼睛往任何连接其他设备的开路传输线里面看;在拆/装微波元器件时，请关掉微波信号源。试验二 微波网络散射参量测试试验目的通过用矢量网络测量负载的阻抗、回波损耗、驻波，以及法，加深对网络散射参量的生疏和理解。试验内容测量负载的阻抗、回波损耗及驻波测量同轴可变衰减器的插入损耗试验原理所使用的试验仪器及元器件矢量网络PNA3623〔扫频范围：30-3200MHz,双测试通道〕3dB10dB同轴可变衰减器〔待测件〕原理众所周知，微波元器件的作用是用来掌握电磁波的振幅，相位等的变化，这些变化可以用输入驻波比，回波损耗，插入损耗等外部特器件特性的外部特性参量。11微波二端口网络示意图散射参量SU S

S

(1)21 r1 1121

12 i1Ur2

S

S U 22i222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数；数。因此网络输入端电压反射系数的模11S111S

S ，故输入驻波比为：11〔2〕11回波损耗(return)又称为失配损耗。它与负载反射系数大小有关,其确定值越大，则说明负载匹配越好，反射越小。引入回波损耗以后，反射系数的大小就dB2L2r

20lg(dB)20lgS11

(dB) (3)插入损耗(PiPLIL

PiPU2i1UPiPU2i1U12S2r221L r2

(4)用分贝表示，为：IL10log

(dB) (5)1S1S2试验步骤测量负载的阻抗、回波损耗及驻波〔依据说明书要求1.8GHz～3.2GHz。BF：1800MHz;△F：20MHzEF：3200MHzN=71。2所示把电桥连接好，并选择测试B输出输出输入A输入B电桥2开路校准：把开路器接上，按[执行],光标在Smith端闪耀。短路校准：把短路器接上，按[执行],光标在Smith圆图上左端闪耀。测负载Smith测回波损耗按读出数据,列表并画图。测驻波

再按[执行]，即可消灭回波损耗曲线，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。测量同轴可变衰减器的插入损耗3输出输出输入A输入B待测器件10dB衰减器10dB衰减器3待测器件连接框图A、B》下，按[→]或[←]键使AB直通校准按“↓”使光标停在《校：直通》下，按“