电磁场与电磁波实验讲义.doc

微波通信实验讲义 实验一 反射实验： 电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射，本处以一块大的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，实验中测定的角度除2即为该角度。 1）系统构建指南：图13 反射实验系统构建时，如图13，开启DH1121B型三厘米固态信号源。DH926B型微波分光仪的两喇叭口面应互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的0-180刻度处。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，即可压紧支座。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。将DH926AD型数据采集仪提供的USB电缆线的两端根据具体尺寸分别连接到数据采集仪的USB口和计算机的USB口，此时，DH926AD型数据采集仪的USB指示灯亮（蓝色），表示已连接好。然后打开DH926AD型数据采集仪的电源开关，电源指示灯亮（红色），将数据采集仪的通道电缆线两端分别连接到DH926B型微波分光仪分度转台底部的光栅通道插座和数据采集仪的相应通道口上（本实验应用软件默认为通道1）。最后，察看DH1121B型三厘米固态信号源的“等幅”和“方波”档的设置，将DH926AD型数据采集仪的“等幅/方波”设置按钮等同于DH1121B型三厘米固态信号源的设置。图14 启动界面转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在某一刻度处，这刻度数就是入射角度数，然后转动活动臂在DH926AD型数据采集仪的表头上找到一最大指示，此时微波分光仪的活动臂上的指针所指的刻度就是反射角度数。如果此时表头指示太大或太小，应调整微波分光仪微波系统中的可变衰减器或晶体检波器，使表头指示接近满量程做此项实验。入射角最好取30至65之间，因为入射角太大或太小接收喇叭有可能直接接收入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。（典型参考实验数据：入射30/65反射29.5/62）2）软件指南：图16 “建议”提示框图15 系统主菜单运行应用软件，出现如下启动界面（如图14）。在启动界面上点击“进入”按钮，进入系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”（如图15），您可看到十个子菜单项。单击第一个子菜单项“反射实验”，屏幕上会出现“建议” 提示框（如图16），这是应用软件根据实验内容建议您选择的“采集点数”和“脉冲通道”，单击“OK”按钮，进入“输入采集参数”界面（见图17），建议采用我们推荐的“采集点数和通道号”，这样有利于更好观察采集过程及处理数据。如果您未做选择直接点击了“试采集”或“正式采集”按钮，“采集点数和通道号”则按照我们建议的默认值“采集点数为120，通道号为 1”选择。在您选择好“采集点数和通道号”后，DH926AD型数据采集仪相应通道指示灯亮（绿色），软件进入采集过程界面。图17 输入采集参数如果您想预览一下采集过程，您可点击“试采集”按钮，屏幕上便会出现“试采集界面”（如图18）。“试采集”的采集过程界面比“正式采集”过程界面简单，图18 试采集界面功能键很少，不对采集数据进行处理，相应的功能键与“正式采集”采集过程界面中的功能按钮功能相同，此处不再赘述，仅讲解“正式采集”采集过程界面的功能按钮使用及实验结果处理。 注：如果您先点击了“试采集”按钮进行了试采集，退出“试采集”采集过程界面后，您要开始“正式采集”之前，务必要把实验装置恢复到本实验的初始状态，方可继续进行“正式采集”工作！否则会对实验结果引入很大的误差！图19 正式采集界面 当点击“正式采集”按钮，屏幕上便会出现正式采集过程 图20 “是否保存”界面界面（如图19）。“采集过程”界面中，“绘图框”内显示以采集点数为横坐标、电压值为纵坐标的坐标轴。此时，察看小平台，固定臂指针指在某一角度处，这角度数就是入射角，将入射角度的值填入绘图框下方的“需要您输入的参数”中“入射角”一栏中，以便采集结束后计算“反射角” 图21 提示框的值。如果您此时点击“开始采集”按钮，屏幕上会出现“是否保存？”界面（如图20），如果您是首次采集，请单击“开始新的采集按钮”。如果您刚刚已进行了采集工作，您就要考虑是否对刚刚的采集过程进行保存，若保存，请单击“保存”按钮；若不保存，请单击“开始新的采集”按钮。图22 采集示例如果您刚刚选择了“开始新的采集”，屏幕上便会出现一个提示框（如图21），提示您当前要进行的操作 。单击“OK”按钮，开始实时采集信号变化并绘图。采集过程中，DH926AD型数据采集仪的USB指示灯连续闪动（蓝色），表示采集过程正在继续。应用软件屏幕上的信号灯颜色也随着实验的继续进行红色、绿色切换。您需要顺时针匀速转动DH926B型微波分光仪的活动臂，随着活动臂的移动，采集点数依次增加，当您停止移动活动臂，绘图框会保持原来的状态直到您再次开始移动活动臂。这个过程中，您便可在绘图框中实时观察到信号变化（如图22）。当采集过程中的已采集的脉冲变化等于您在进入采集过程界面之前设定的采集点数时，屏幕上会出现“此次采集完毕”的采集结束提示框。如果您想对采集过程中可以求得的参数有所了解，请点击采集界面中的“计算结果”按钮，如果您未输入需要您输入的参数，屏幕上会出现“请输入入射角”的警告提示框。您重新输入入射角后，再次按下“计算结果”按钮，系统软件会根据您提供的已知量及采集过程中的数据，将本 图25 计算结果示例实验待求参数理论值和根据实际采集过程处理得到的参数“反射角”的值分别显示在屏幕的“参数理论值”及“经采集求得的参数”框内（见图25）。图27 保存数据对话框采集结束后，如果您想对采集的数据进行保存，点击“保存数据”按钮，屏幕上首先出现“将采集过程保存成数据文件”的提示框（见图26），单击“OK”后，出现“保存数据对话框”（见图27），默认存储路径为本软件安装的根目录，输入数据文件名，点击“保存”按钮，文件即按照您所输入的文件名，以“.txt”为扩展名将采集数据保存成文本文件。图28 打印对话框采集结束后，如果您想对采集过程中所描绘图形进行打印，点击“打印”按钮，屏幕上首先出现“打印”对话框（如图28）。在“Printer Info”栏中，“Name:” 项中显示的是当前与计算机相连的默认打印机型号，可以点击“Properties”按钮对打印机属性进行设置（如图29），属性页中包含对打印机所用纸张等属性的设置，进行设置或使用默认设置后，单击“确定”或“取消”按钮，退出属性页。然后将“Print to file”复选框选中选项去掉（如图30），如果选中，则不通过打印机输出，而是将图形信息保存成文件。接着对“Graphics Options”栏中的图形输出的“Width” （宽度）、“Height”（高度）、“Horizontal offset”（水平偏移）和“Vertical图29 打印机属性设置在采集过程中，如果您点击了“终止采集”按钮，本次采集即被终止，但在这个过程中，您所采集到的数据未必能对通过本实验可求得的参数进行准确计算，如果您不想了解计算结果，您便可终止采集过程，屏幕上会出现“此次采集完毕”的采集结束提示框（如图23）。图30 复选框设置 采集过程停止后，绘图框中仍显示刚刚进行的采集过程，如果您再次开始采集工作，绘图框上的绘图线条会以有别于上次采集过程的线条颜色显示（如果上次绘图线条为红色，则此次绘图线条为蓝色，反之亦然）。如果您认为重新开始采集过程需要清除原绘图区域信息，重新显示采集过程，您可点击“清屏”按钮，绘图框恢复到初始状态。 如果您认为应该开始新的工作或适当休息一下，您可点击“离开”按钮，屏幕回到系统主菜单界面（如图15）。 实验二、极化波的产生/检测：DH30003型栅网组件是由两个栅条方向相差90的栅网组成。栅网（见图43）是在一金属框架上绕有一排互相平行的金属丝，以反射平行金属丝的电场，DH30003型栅网组件与本厂的DH926B型微波分光仪组合使用可获得圆极化波。波的极化是用以描述电场强度空间矢量在某点位置上随时间变化的规律。无论是线极化波、圆极化波或椭圆极化波都可由同频率正交场的两个线极化组成。若他们同相（或反相）、等幅（或幅度不等）其合成场的波认为线极化波；若它们相位相位差为90，即=90，幅度相等，合成场波为右旋或左旋圆极化波；若它们相位差为090，幅度相等（或幅度不等），合成场波为右旋或左旋椭圆极化波。图44是用栅网组件实现波极化的原理图。图43DH30003型栅网组件 图44 栅网实现波极化的原理图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，将出现任意转角下的|E|E|（或|E|）。这时改变Pr2水平栅网位置，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。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，即椭圆度为0.93。可以认为基本上实现了圆极化波的要求。1）系统构建指南：如图45，使DH926B型微波分光仪两喇叭口面互成90，半透射板与两喇叭轴线互成45，将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上相应的旋孔，使其固定在底座上。将DH926AD型数据采集仪提供的USB电缆线的两端根据具体尺寸分别连接到数据采集仪的USB口和计算机的USB口，此时，DH926AD型 图45 栅网实验数据采集仪的USB指示灯亮（蓝色），表示已连接好。然后打开DH926AD型数据采集仪的电源开关，电源指示灯亮（红色），将数据采集仪的通道电缆线两端分别连接到DH926B型微波分光仪接收喇叭的光栅通道插座和数据采集仪的相应通道口上（本实验应用软件默认为通道3-喇叭型天线输出口）。首先，将垂直（或水平）栅网Pr1插在平台上，另一个与之垂直的栅网水平（或垂直）栅网Pr2插在读数机构上，用我们提供的钢板尺测量一下半透射板到两个栅网的距离，调整读数机构直至半透射板到两个栅网的距离相等。然后，将辐射喇叭Pr0旋转45后，先用我们提供的全吸收板挂在水平（或垂直）栅网前，将其遮挡，开启DH1121B型三厘米固态信号源。如果遮挡的是水平栅网，将接收喇叭Pr3口面平行地面放置；如果遮挡的是垂直栅网，将接收喇叭Pr3口面垂直地面放置。适当左右调整未被遮挡的栅网观察DH926AD型数据采集仪表头指示，使表头指示取得原指示附近的最大值，此时，将栅网下支柱的拨棍螺钉旋紧，并记录下DH926AD型数据采集仪表头指示。此后，将全吸收板从水平（或垂直）栅网前取下，将其挂在另一个栅网垂直（或水平）栅网前，将其遮挡，接收喇叭Pr3口面放置同上。适当左右调整未被遮挡的栅网观察DH926AD型数据采集仪表头指示，使表头指示取得原指示附近的最大值，对比此时的最大值和您之前记录的DH926AD型数据采集仪表头指示值，若不相同，适当改变辐射喇叭Pr0的角度。然后，重复以上字体加粗的步骤。最终的结果是要使得此时的最大值和您之前记录的DH926AD型数据采集仪表头指示值相同，调整好后，旋紧栅网下支柱的拨棍螺钉。接着，取下全吸收板，旋转接收喇叭Pr3口面，使其分别处于与地面水平、垂直状态，观察数据采集仪表头指示，应使两个指示值基本相同，才能满足圆极化波|E|=|E|的要求。若两次表头指示不同，适当调整辐射喇叭Pr0的角度，务必使两个指示值基本相同，方能实现圆极化的幅度相等要求。最后，改变Pr2水平（或垂直）栅网位置，使接收喇叭Pr3接收的波具有|E|=|E|=|E|，此时，旋转接收喇叭Pr3到任意角度，DH926AD型数据采集仪表头指示值基本相同，从而实现了E与E两个波的相位差为90，得到圆极化波。2）软件指南：软件操作也与上述七个实验操作基本相同，如果当前界面为系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”的第八个子菜单项“极化波的产生/检测”，屏幕上会出现“建议采集点数”和“建议采集通道”提示框，单击“OK”按钮，进