电磁场与电磁波实验指导书0420.doc

成于大气，信达天下电磁场与电磁波实验指导书成都信息工程学院电子工程系制目 录实验1单缝衍射实验11.1 实验设置的意义11.2 实验目的11.3 实验原理11.4 实验内容与测试21.4.1 实验仪器设备21.4.2 测量内容21.4.3 测量方法与步骤21.5 结果分析与实验报告3实验2双缝干涉实验42.1 实验设置的意义42.2 实验目的42.3 实验原理42.4 实验内容与测试52.4.1 实验仪器设备52.4.2 测量内容52.4.3 测量方法与步骤62.5 结果分析与实验报告6实验3电磁波偏振实验83.1 实验设置的意义83.2 实验目的83.3 实验原理83.4 实验内容与测试103.4.1 实验仪器设备103.4.2 测量内容103.4.3 测量方法与步骤103.5 结果分析与实验报告10实验4电磁波传导与辐射实验114.1 实验设置的意义114.2 实验目的114.3 实验原理114.4 实验内容与测试124.4.1 实验仪器设备124.4.2 测量内容124.4.3 测量方法与步骤124.5 结果分析与实验报告13I实验1单缝衍射实验1.1 实验设置的意义微波和光波都是电磁波，都具有波动这一共同性，即能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。因此用微波作光波波动实验所说明的波动现象及其规律是一致的。由于微波的波长比光波的波长在量级上差一万倍左右，因此用微波设备作波动实验比光学实验要更直观、方便和安全，所需要设备制造也较容易。本实验就是用微波分光仪，演示电磁波遇到缝隙时，发生的单缝衍射现象。1.2 实验目的1了解微波分光仪的结构，学会调整它并能用它进行实验。2进一步认识电磁波的波动性，测量并验证单缝衍射现象的规律。1.3 实验原理图1 单缝衍射原理如图1，当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。在缝后面出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最宽。在中央的两侧衍射波强度迅速减小，直至出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角为 ，其中是波长，a是狭缝宽度。两者取同一长度单位，然后，随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角度为： 实验仪器布置如图2，仪器连接时，预先接需要调整单缝衍射板的缝宽，当该板放到支座上时，应使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致，此刻线应与工作平台上的900刻度的一对线一致。转动小平台使固定臂的指针在小平台的1800处，此时小平台的00就是狭缝平面的法线方向。这时调整信号电平使表头指示接近满度。然后从衍射角00开始，在单缝的两侧使衍射角每改变20 读取 一次表头读数，并记录下来，这时就可画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，并根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角，并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。此实验曲线的中央较平，甚至还有稍许的凹陷，这可能是由于衍射板还不够大之故。图2 单缝衍射仪器配置1.4 实验内容与测试1.4.1 实验仪器设备微波分光仪1.4.2 测量内容当设置电磁波入射到单缝衍射板上时，在接收天线上将检测到信号，通过改变接收天线的角度，得到接收微安表显示的数值。在单缝的两侧使衍射角每改变20读取一次表头读数，并记录下来，这时就可画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，并根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角，并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。1.4.3 测量方法与步骤1打开DH1121B的电源；2将单缝衍射板的缝宽调整为70mm左右，将其安放在刻度盘上，衍射板的边线与刻度盘上两个90对齐；3调整发射天线使其和接收天线对正。转动刻度盘使其1800的位置正对固定臂（发射天线）的指针，转动可动臂（接收天线）使其指针指着刻度盘的0处，使发射天线喇叭与接收天线喇叭对正；4依次微调发射喇叭、衍射板、接收喇叭，使衍射强度分布的中央极大位于0；调节发射和接收衰减器，使中央极大值的信号电平处于8090；在500的范围内转动接收天线，观察衍射强度分布，认为分布合理后开始测量。5将微波分光仪的活动臂转到衍射角为500后开始读数，衍射角每改变2读取一次微安表的读数并作好记录，一直读到衍射角为50。6作出单缝衍射的相对强度与衍射角的关系曲线（以衍射角为横轴，电流值为纵轴），确定出极大和极小衍射角的实验值。注意事项 1衰减器调整要适当，太小则观察不便，太大则可能使电流表指针满偏。2单缝衍射实验时每隔2记录一次。3为保证实验结果能与理论结果进行比较，开始测量前要反复调整仪器、观察衍射强度分布，尽可能将中央极大值的位置调整在00处。1.5 结果分析与实验报告1.单缝衍射 单缝宽= mm，微波波长=32.02mm（0）-50-48-46-44-42-40-38-36-34-32-30-28-26（uA）（0）-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20（uA）（0）024681012141618202224（uA）（0）26283032343638404244464850（uA）2、由实验数据绘制I曲线3、从上面的曲线可以读出一级极小和一级极大值（度），并同理论值进行比较左右理论值测量值理论值测量值一级极小值一级极大值14实验2双缝干涉实验2.1 实验设置的意义微波和光波都是电磁波，都具有波动这一共同性，即能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。因此用微波作光波波动实验所说明的波动现象及其规律是一致的。由于微波的波长比光波的波长在量级上差一万倍左右，因此用微波设备作波动实验比光学实验要更直观、方便和安全，所需要设备制造也较容易。2.2 实验目的1、进一步认识电磁波的波动性，测量并验证双缝衍射的规律；2、平面波垂直入射到金属板的双缝线上，测量干涉强度；3、了解使用微波分光仪，测量电磁波的波长的方法。2.3 实验原理图3 双缝干涉原理如图3，当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭线上，则每一条狭键就是次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板的背后面空间中，将产生干涉现象。当然，电磁波通过每个缝也有衍射现象。因此实验将是衍射和干涉两者结合的结果。为了只研究主要是由于来自双缝的两束中央衍射波相互干涉的结果，令双缝的缝宽a接近，例如：=32mm。a=40mm，这时单缝的一级极小接近530。因此取较大的b，则干涉强度受到缝隙衍射的影响小，当b较小时，干涉强度受单缝衍射影响大。干涉加强的角度为：，式中K=l、2、。各级极大对应的衍射角为： K=0,1,2，分别称为中央极大，一级极大，二级极大，。各级极小对应的衍射角为： K=0,1,2 分别称为一级极小，二级极小，三级极小，。实验仪器布置同图4，只不过将小平台上的单缝衍射板以双缝衍射板代替。图4 双缝干涉实验的仪器布置 由于衍射板横向尺寸小，所以当b取得较大时，为了避免接收喇叭直接收到发射喇叭的发射波或通过板的边缘过来的波，活动臂的转动角度应小些。2.4 实验内容与测试2.4.1 实验仪器设备微波分光仪2.4.2 测量内容在进行双缝干涉实验时，通过改变接收天线的方位角，从接收的微安表中读出干涉的场强。由测量数据就可以确定一级极大角和一级极小角，从而也可以计算出电磁波的振荡频率。2.4.3 测量方法与步骤1打开DH1121B的电源；2将双缝干涉板的缝宽调整为40mm左右，将其安放在刻度盘上，干涉板的边线与刻度盘上两个90对齐；3调整发射天线使其和接收天线对正。转动刻度盘使其1800的位置正对固定臂（发射天线）的指针，转动可动臂（接收天线）使其指针指着刻度盘的0处，使发射天线喇叭与接收天线喇叭对正；4依次微调发射喇叭、衍射板、接收喇叭，使干涉强度分布的中央极大位于0；调节发射和接收衰减器，使中央极大值的信号电平处于8090；在500的范围内转动接收天线，观察干涉强度分布，认为分布合理后开始测量。5将微波分光仪的活动臂转到干涉角为450后开始读数，角度每改变1读取一次微安表的读数并作好记录，一直读到为45。注意事项 1衰减器调整要适当，太小则观察不便，太大则可能使电流表指针满偏。2为保证实验结果能与理论结果进行比较，开始测量前要反复调整仪器、观察干涉强度分布，尽可能将中央极大值的位置调整在00处。2.5 结果分析与实验报告1作出双缝干涉的相对强度与干涉角的关系曲线（以干涉角为横轴，电流值为纵轴），确定出各级极大和极小角的实验值。2利用实验测出的缝宽和波长，计算对应的各级极小和极大的衍射角的理论值，并与实验值比较，作出实验结论。如果测量得到一级极大值，则可以计算出电磁波的波长：双缝衍射：缝宽= mm，缝间距= mm，微波波长=32.02mm1、双缝衍射数据记录（0）-45-44-43-42-41-40-39-38-37-36-35-34-33（uA）（0）-32-31-30-29-28-27-26-25-24-23-22-21-20（uA）（0）-19-18-17-16-15-14-13-12-11-10-9-8-7（uA）（0）-6-5-4-3-2-10（uA）（0）0123456789101112（uA）（0）13141516171819202122232425（uA）（0）26272829303132333435363738（uA）（0）39404142434445（uA）3. 由实验数据绘制I曲线4. 从上面的曲线可以读出一级极小和一级极大值（度）左右理论值测量值理论值测量值一级极小值一级极大值5.根据测量的极大值，计算得到信号的波长为实验3电磁波偏振实验3.1 实验设置的意义电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念，它表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量E的端点在空间描绘出的轨迹来表示。如果该轨迹是直线，则波称为直线极化；若轨迹是圆，则称为圆极化；若轨迹是椭圆，则称为椭圆极化。若电场的水平分量Ex与垂直分量Ey相位相同或相差180，则合成电场表现为直线极化波。若电场的水平分量Ex与垂直分量Ey振幅相同，相位差180，则合成电场表现为圆极化波。3.2 实验目的平面电磁波是横波，它的电场强度矢量E和波长的传播方向垂直。如果E在垂直于传播方向的平面内沿着一条固定的直线变化，这样的横电磁波叫线极化波。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5）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DH926微波分光仪组合使用时，可以用来得到互相正交的两个电场分量。当这两个分量的幅度和相位满足一定的关系时，就可得到线极化、圆极化或椭圆极化的电磁波。本实验就是通过三种极化波的产生、检测，帮助了解电波极化的概念。图5 DH30003型栅网3.3 实验原理图6是用栅网组件产生各种极化的原理图。 图6 栅网实现波极化的原理图实验设备的安装见图7。图7 极化实验的设备摆放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。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。这时转动接收喇叭Pr3，当Pr3喇叭E面与垂直栅网平行时收到E波。经过几次调整辐射喇叭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合成波|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。3.4 实验内容与测试3.4.1 实验仪器设备 微波分光仪。3.4.2 测量内容当设备连接好之后，转动Pr3喇叭的转角，可以看到接收信号（微安表的读数）的变化。读出每一个角度对应的接收信号的强度，即为极化后的信号的场强。3.4.3 测量方法与步骤1、打开信号源的电源开关；2、转动Pr3喇叭的转角，从左边90转到右边90，每隔5记录一个数据。读出的数据即为极化波的场强，对应的角度即为极化场强的极化角度。3、把记录的数据在直角坐标系画出来，即为极化波的场强分布。3.5 结果分析与实验报告1、记录测试数据为：角度（）908580757065605550幅度角度（）45403530252015105幅度角度（）0510152025303540幅度角度（）455055606570758085幅度角度（）90幅度2、由测试数据可以绘出极化波的图形实验4电磁波传导与辐射实验4.1 实验设置的意义由于当前超大规模、超高速集成电路的大量应用以及高功率干扰源的不断出现，空间射频密度急剧增加，致使电磁环境日趋恶劣，电磁干扰EMI日益严重，高功率干扰源与低抵抗度的设备、器件之间的矛盾日益尖锐，已经成为高速发展的信息社会面临的一个重大问题。电磁兼容（Electromagnetic Compatibility），简称EMC。其含义可以概括为“设备、装置或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。电磁兼容实际有两个方面的含义，一方面是：设备或系统产生的电磁骚扰，不应对周围设备造成不能承受的干扰，也不应对周围环境造成不能承受的“污染”；另一方面是：设备或系统对来自周围环境中的电磁干扰，应具有足够的抵御能力。简而言之就是如何使处于同一电磁环境中的各种设备或同一设备中的各组件都能正常工作而又互不干扰，它是评价产品质量的一个重要指标。对电子设备而言，电磁兼容问题的实质就是电磁干扰（EMI）控制与防护的问题。EMC以电磁干扰的最大值与电磁抗扰度（EMS）的最小值作为兼容性能的评判依据，相关标准对限值大小、测试方法或测试设备都给出了严格规定。本实验就是利用频谱仪及其近场探头对样机、电缆和印制板等处的发射“热点”进行评测和电磁兼容性水平评估。由于频谱仪不是专业的电磁兼容检测设备，因此，只能对电子产品和我们所处的电磁环境给出粗略的评估和测试，可以给我们的电子产品设计提供最初的参考，如果要达到电磁兼容的认证标准，还需要专业的测试设备。4.2 实验目的1通过实验掌握电磁兼容的基本概念，了解电磁兼容测试的意义。2加深对频谱仪及配套探头基本功能的领会。 3学会使用频谱仪及其配套探头完成电磁兼容测试的使用方法和操作步骤。4学习分析样机电路板或原样机上有哪几个主要EMI热点（干扰源），考虑探讨可能采取的防护措施或者改进方法。4.3 实验原理测量辐射发射时，可用频谱仪配合电场探头、磁场探头或者高阻抗探头分别测量场强、电流或电位，再反推辐射信号的频率成分及其强度。各探头输出电压输入到频谱仪读数后，再用天线系数（AF）把这个电压值转化成每米的电压值，即得到场强值，然后把测得的场强值和规定的场强值进行比较。测量传导发射时，可用一个磁场探头配合高阻抗探头来测量导体上的干扰电压。