电磁场实验讲义-书.doc

电磁场实验指导书电子信息工程实验室目 录实验1 电磁波参量的研究1实验2 电磁波极化的研究6实验3 电磁波反射与折射的研究14实验4 均匀无耗媒质参量的研究21实验1 电磁波参量的研究1 实验目的：（1）在学习均匀平面电磁波特性的基础上，观察电磁波传播特性如、和互相垂直。（2）熟悉并利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长，并确定电磁波的相位常数和波速。（3）了解电磁波的其他参量，如波阻抗等。2.实验仪器：（1） AT1123型3cm固态源1台（2） DH926B型电磁 波综合测试仪1套（3） XF-01选频放大器1台（4） PX-16型频率计3.实验原理两束等幅、同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内以相同（或相反）方向传播时，由于初始相位不同，它们相互干涉的结果，在传播路径上，形成驻波分布。我们正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由空间电磁波波长的值，再由 （1-1） （1-2）得到电磁波的主要参数：、等我们用图1.1来说明自由空间内电磁波波长值的测试原理。设入射波为:。当入射波以入射角1向介质板斜投射时，在分界面上产生反射波E和折射波Ei。设入射波为垂直极化波，用R表示介质板的反射系数，用和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，可动板和固定板都是金属板，其电场反射系数为-1，在一次近似的条件下，接受喇叭处的相干波分别为： 其中，又因L1是固定值，L2则随可动板位移而变化。当移动值时，使具有最大输出指示时，则有和为同相叠加；当移动值，使具有零值输出指示时，必有和反相。故可采用改变的位置，使输出最大或零指示重复出现。从而测出电磁波的波长和相位常数。下面用数学式来表达测定波长的关系式。在处的相干波合成 或写成 式中为测准入值，一般采用零指示办法，即或 n=0.1.2. 这里n表示相干波合成驻波场的波节点（）处。同时，除n=0以外的n值，又表示相干波合成驻波的半波长数。将n=0时的驻波节点作为参考位置，又因 ，故或有上式可知，只要确定驻波节点位置及波节数，就可方便地确定值。相干波与的分布如图12所示，图中n=0的节点处作为第一个波节点，对其他n值则有n=1, ,对应第二个波节点，或第一个半波长数。n=2, ,对应第三个波节点，或第二个半波长数。n=3, ,对应第四个波节点，或第三个半波长数。n=n，,对应第n+1个波节点，或第n个半波长数。把以上各项相加，取波长数的平均值得即把上式代入式（1-1）就可得到被测电磁波的参量、等值。事实上，可动板移动时，不可能出现无限多个驻波节点。测试时，一般取n=4已足够，它表示在5个波节点距离内，（-）相应于4个半波长。从而测得该距离内波长平均值。从理论上讲，n值越大，测出值的精度应越高。由于所测得的合成驻波场，处于进区场分布的范围内，因此，的移动，不仅影响驻波节点位置均匀分布，而且驻波幅度也有起伏。3.实验内容（1） 了解并熟悉电磁波综合测试仪的工作特点，使用方法，特别要熟悉与掌握利用相干波原理测试电磁场波长的方法。（2） 了解3cm固态源的使用方法和正确操作。（3） 仪器工作正常后，观察电磁波、和三者符合右手螺旋规则，向传播的波应有：，（4） 测值。移动可动板，并测出值。根据测出的与及n值，计算、值。（5） 用PX-16频率计测出信号源工作波长（），并与被测电磁波的波长进行比较。把相关测试数据的波长填入表1-1中。（6） 改变仪器波长，等间距的选取4个频率点进行测量，记录实验数据同表1-1，并与理论值进行比较。（7） 稍微改变半投射板角度使其偏离45（40或50），重新完成步骤4，并记录数据。表1-1PX-16频率刻度值 或微安表零指示数n+1可动板总位移自由空间波长波的相位常数自由空间波速4.实验报告内容与要求（1） 实验目的（2） 实验基本原理（3） 实验数据表（4） 比较信号源工作波长（）与自由空间波长之间的差别，分析原因。（5） 思考题，用相干波测电磁波波长时，图1-1中的介质板放置位置若转，将出现什么现象？这是能否测准值？为什么？实验2 电磁波反射与折射的研究1. 实验目的(1)研究电磁波在良好导体表面的反射。(2)研究电磁波在良好介质表面上的反射和折射。(3)研究电磁波全反射和全折射的条件。2. 实验仪器（1） DH926B型电磁波综合测试仪1套。（2） AT1123型3cm固态源1台（3） XF-01型选频放大器1台（4） 测试用介质板，金属格各一块。3. 实验原理与说明(1)电磁波斜投射到不同媒质分界面上的反射和折射。为讨论和分析问题简便，下面所提到的电磁波均指均匀平面电磁波，如图所示，在媒介分界面上，有一平行极化波，以入射角斜投射时，入射波、反射波和折射波的电磁场可用下列公式表示：入射波场：.1 .2反射波场：. 3 .4折射波场：.5 .6以上各式中，12分别表示在两种媒质中的波阻抗。由边界条件可知，在分界面上x=0处，有，同时，三种波在分界面处必须以同一速度向方向传播，即它们的波因子必须相等，则有： .7.8由得.9上式表明，媒质分界面上反射角等于入射角，即反射定律。由得.10上式即折射定律或斯耐尔定律在x=0处，把式和式代入式，并根据，则得：.11.12对上两式联立求解，得平行极化波在媒质分界面上的反射系数R/与折射系数T/分别为：.13 .14下面对平行极化波在媒质分界面上全折射的条件进行分析垂直极化波的全折射时，及,则有15.16显然，只有1=2时才有折射，即1=2，这是无意义的，当2两侧同为空气，即1=3时，这时要实现全反射的传播，对2就有特殊要求。可利用传输线输入阻抗的概念和公式，得到分界面上的输入阻抗式中1=3，及，为使波1经2，并能全部进入2实现无反射，必须满足等式1=zin,由此得到.17根据式17，d值已定，选择合适的工作波长0就可根据全折射的条件，选择所需媒质的r2值。若被测媒质r2=2.54, 0=32mm,要实现无反射的传输，其厚度应为d=10.04mm,可见，应取聚苯乙烯板厚d=10mm, 0=32mm,我们称这种介质板为半波长无反射媒质板，如图所示斜投射时的全反射，这时有R/=0即,利用式12可得到全折射时的入射角.18全折射角p1又称布儒斯特角，它表示在1内传播的波在1、2分界面上实现全折射时的入射角，如图2.3所示。可以证明，在媒质分界面上出现全折射时，p1与2之间有如下关系或.19因此，当入射角1p1时，在媒质分界面上就不出现反射波了。由以上分析还可证明，平行极化波的全折射现象，既可出现在波由光疏向光密媒质传播，也可出现在波由光密向光疏媒质传播的情况。光由光疏向光密斜投射时有，波由光密向光疏斜投射时有.我们利用这一特性，取介质板厚为d,其相对介电常数为r2，如图2.4所示，只要有就可以r2另一侧接收到全部信号。对于垂直极化波，因一般媒质，在斜投射时不存在全折射现象。(1)电磁波斜投射到良好导体表面上的反射。 对于良好导体的值=2.66=8.00入射波指向入射临界角=折射角=时=又因当，由此可得R/=1，T/=0以及由此得出结论，在良好导体表面上斜投射的电磁波，其反射场与入射场相等，反射角与入射角相等。4. 实验内容及设备测试良好介质的全折射，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射喇叭Pr0与接受喇叭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。测试装置示意图如图3.5所示（1） 电磁波斜投射时，良好介质全反射的测试。用厚度d=3mm的玻璃板，放置在测试仪平台支座上，然后改变波对介质板的投射角，使接受的折射波场与入射波场相等，即，同时得到斜投时，反射波场为零的入射角，把测试数据填入表。将辐射与接受喇叭都转动到垂直极化波工作状态，适当改变角度，观察有无全折射现象发生。厚度入射场 全折射折射角计算值测试值计算值测试值（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，其次，加良好导体反射板，改变入射波的入射角，测出反射角时的反射场，把有关测试数据表入射角反射角反射场思考题 在介质板表面上，斜投射垂直极化波时能否实现全折射，为什么？23实验3 电磁波极化的研究1. 实验目的（1） 研究线极化波、圆极化波、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2. 实验仪器（1）DH926B型电磁波综合测试仪，测极化用的金属丝栅附件一套（2）AT1123型3cm固态信号源一台（3）一只或XF-01型选频放大器一台3. 实验原理与说明电磁波极化是指波在无限大均包媒质中传播时，在空间某点位置上电场强度矢量随时间变化的规律。当末端总在一直线上周期变化时，称为线极化波，当末端的轨迹是圆（或椭圆）时，称为圆极化波；若圆轨道运动与波前进方向符合右手螺旋规则时，则称为右旋（或左旋）圆极化波，无论是线、圆或椭圆极化波都可由两个同频率的正交场线极化波组合而成。设两同频率正交场线极化波为 （2-1） （2-2）1）组成线极化波如图所示，式（2-1）和式（2-1）中，当,时，两个波在空间叠加式中合成场矢量的方向与x轴夹角不变，即： 常数若的值不同，则为不同的定值，从而获得合成场矢量末端沿直线轨迹周期变化的极化波。若则=0这时线极化波为在空间某点的场，且仅在x轴方向上周期变化。同理，线极化波也可以分成为频率相同、场相垂直的两个线极化波。2）组成圆极化波根据式（2-1）和（2-2），若，及,这时合成波可写成：合成场与x轴的夹角（在z0处）为 当z=z时，随时间向正值增大，合成场矢量末端按右手螺旋规则作圆周运动，故称为右旋圆极化波，如图所示同理，可得左旋圆极化波 和这里有,及,随时间增加矢量末端运动轨迹符合左手螺旋定则，故称左旋极化波，如图所示（3）组成椭圆极化波 当式（2-1）和式（2-2）所表示的两个线极化波，幅度不等，相位差仍为/2时，可得椭圆长短轴分别在x轴和y轴的椭圆极化波。如，,则可得到左旋椭圆极化波。当然，椭圆极化波可由两个同频率幅度不等的左，右旋圆极化波组成。如图所示，若将式（3-1）和式（3-2）改写为因,，及，因而两个线极化波合成场波为由上式可见，两个线极化波合成的椭圆极化波，也可以看成两个幅度不等的右旋和左旋极化波合成而得。图3.4是实现各种极化波的装置。金属丝栅Pr1和Pr2的功能，是分别反射和的波。两反射波在接受喇叭Pr3内实现相加的过程如图所示。根据图中条件得为使辐射喇叭同时产生与两个入射波，只需将Pr0转动一个角度，使入射场分成同频率的两个正交场, 如图3.5所示，当图中=45o时，=，但这并不意味着，其理由是，可见，要实现幅度相等，必须有如下等式在介质r和投射角i确定后，调整角，即可实现两个线极化波幅度相等的要求，作为相位条件，当改变Pr2的位置为l0使z2-z1=/4,即可实现。可见用正交金属丝栅装置，可以方便的获得圆极化波。若使Pr2处于l1=l0/4位置处，则可获得线极化波；若Pr2处于任何位（l0ll1）,即可获得椭圆极化波。4. 实验内容（1）圆极化波的调整与测试首先，调整测试设备的Pr0的转角d,使Pr3分别接收的和幅度相等，这时，同时Pr0 、Pr1 、Pr2 、Pr3的口面垂线彼此相垂直。其次改变Pr2,使Pr3处于任何转角时，其接收的场幅度不变，找到l0处，可获得圆极化波。由于各种误差使和总有差别，我们用圆极化波的椭圆度e来表示，最后把测试数据填入下表中。圆极化波及椭圆度测试表Pr3接收,Pr2 l0位置： Pr0的转角r0102030405060708090I(A)r180170160150140130120110100I(A)圆极化波椭圆度(2)线极化波的调整与测试。利用圆莱顿化波所测数据：及改变Pr2位置，使,即可获得线极化波。由于合成波场强最大值方向由和决定，因此Pr3的转角为：若=45o，则.若，则,填表r0102030405060708090I(A)r180170160150140130120110100I(A)（3）椭圆极化波的调整与测试 可利用已调整的与的幅度相同条件，改变金属丝栅位置l2,实现l0l2(l0/4)。测试方法与上相同。5. 实验报告内容与要求(1) 实验目的(2) 实验数据表(3) 分析圆极化波测试值与理论值之间存在差别的原因(4) 用金属丝栅实现线、圆、椭圆极化波时，为什么在其后加微波吸收材料。(5) 实验中的体会和收获实验4 均匀无耗媒质参量的研究1. 实验目的（1） 应用相干波节点位移法来研究均匀无耗媒质参量r、r的测试（2） 了解均匀无损耗媒质中电磁波参量、与自由空间内电磁波参量0、0、c的差别（3） 熟悉均匀无损耗媒质界面对电磁波的反射和折射特性2. 实验仪器（1） DH926A型电磁波综合测试仪1套（2） AT1123型3cm固态源1台（3） 微安表头1只或XF-01型选频放大器1台（4） PX-16型频率计1台3. 实验原理与说明媒质参量一般应包括介电常数和磁导率两个参量，它们由媒质特征方程D=E和B=H来表征，要确定,值，总是要和场量E,H联系在一起，对于损耗煤质来说，和为复数，而且与频率有关。这里我们仅对均匀无损耗电介质的介电常数进行讨论，最终以测定相对介电常数i=/0来了解媒质的特性和参量用相干波原理和驻波节点的方法，可以确定自由空间内电磁波的参量0,0和c。对于具有r的均匀无损耗媒质，无法直接测得媒质中的,和值，故不能得到媒质参量r值，但我们可以用类似相干波原理装置，如图所示，在Pr2前，根据对r板放置前后引起驻波节点位置变化的方法，测得相位变化值，进而测定媒质r值，用空间相干波节点位移的方法来