电波基本传输特性测试.doc

西安电子科技大学理学院电波测量 作者：王斌实验五、电波基本传输特性测试一、实验原理电波基本概念频率从几十Hz(甚至更低)到3000GHz左右(波长从几十Mm到0.1mm左右)频谱范围内的电磁波，称为无线电波。电波旅行不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。发信天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达收信天线的过程，就称为无线电波的传播。 无线电波的频谱，根据它们的特点可以划分为表所示的几个波段。根据频谱和需要，可以进行通信、广播、电视、导航和探测等，但不同波段电波的传播特性有很大差别。电波主要传播方式电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分成下列几种：地表传播对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。那些走直线的电波就过不去了。只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。天波传播声音碰到墙壁或高山就会反射回来形成回声，光线射到镜面上也会反射。无线电波也能够反射。在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，就象一只悬空的金属盖，电波射到“电离层就会被反射回来，走这一途径的电波就称为天波或反射波。在电波中，主要是短波具有这种特性。视距传播视距传播是指：若收、发天线离地面的高度远大于波长，电波直接从发信天线传到收信地点(有时有地面反射波)。这种传播方式仅限于视线距离以内。目前广泛使用的超短波通信和卫星通信的电波传播均属这种传播方式。散射传播散射传播是利用对流层或电离层中介质的不均匀性或流星通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用来实现超视矩传播。这种传播方式主要用于超短波和微波远距离通信。超短波的传播特性比较特殊，它既不能绕射，也不能被电离层反射，而只能以直线传播。以直线传播的波就叫做空间波或直接波。由于空间波不会拐弯，因此它的传播距离就受到限制。发射天线架得越高，空间波传得越远。所以电视发射天线和电视接收天线应尽量架得高一些。尽管如此，传播距离仍受到地球拱形表面的阻挡，实际只有50km左右。超短波不能被电离层反射，但它能穿透电离层，所以在地球的上空就无阻隔可言，这样，我们就可以利用空间波与发射到遥远太空去的宇宙飞船、人造卫星等取得联系。此外，卫星中继通讯，卫星电视转播等也主要是利用天波传输途径。波导模传播波导模传播电波是指：在电离层下缘和地面所组成的同心球壳形波导内的传播。长波、超长波或极长波利用这种传播方式能以较小的衰减进行远距离通信。 在实际通信中往往是取以上五种传播方式中的一种作为主要的传播途径，但也有几种传播方式并存来传播无线电波的。一般情况下都是根据使用波段的特点，利用天线的方向性来限定一种主要的传播方式。二、实验内容和实验结果根据电波传播的基本理论，实验主要有两个部分的内容：一部分是验证电波传播基本理论的实验，另一部分是电波传播设备中使用的基本部件的特性测量实验。主要的实验有：电波传播中电波反射与折射理论的验证实验；电波传播中单缝与双缝的干涉理论的验证实验；电波传播中电波迈科尔逊干涉理论的验证实验；电波传播中电波偏振理论的验证实验；电波传播中电波布拉格衍射理论的验证实验；电波传播中传输线理论的验证实验；电波传播设备中阻抗匹配理论的验证实验；电波传播设备中功率衰减器，分接器，耦合器，滤波器，放大器的特性测量等实验。微波分光仪的原理微波分光仪的结构如图所示。固态信号发生器产生一个与微波频率相同的电流，经过天线发出需要的具有平面波振面的微波；微波经过衍射板后，到达接收天线再将强度转变成一个相应的电流强度，并由微安表显示出来。各部分及其作用简介如下：1、 0-360分度转盘：均匀刻有360刻度，可以读出接收天线所在方位。所在平台可放置各种实用附件，如单缝衍射板，反射板，双缝衍射板，布拉格晶体模型等。2、 三厘米固态信号发生器：产生微波信号。3、 发射喇叭天线：将微波发射出去。4、 可变衰减器：用来控制发射波的强弱，其指示越大，对信号的衰减越大。5、 晶体检波器：将接收到的微波信号转变成直流电信号。6、 接收喇叭天线：可以绕分度盘的中心旋转，以便接收来自不同方向的微波信号。7、 信号线：将微波电信号传递到发射天线。 8、 电缆：将探测到的微波强度的电信号传递到微安表。9、 支座10、 固定臂：安装微波发射装置。11、 可旋转臂：安装微波强度测量装置。12、 微安电流表：读出用电流强度表示的微波信号的强度。实验2-1：电波反射特性测试实验目的观察微波的反射与折射。原理微波(microwave)属电磁波的一种，其波长一般介于0.01m0.3m之间，行进微波可由Maxwell equation来决定。构成微波的电场与磁场相互垂直，且波的行进方向由决定，其亦与电场与磁场相互垂直，是为横波。电磁波在传播过程中如果遇到障碍物，一定会产生反射和折射，并且遵守反射定律和折射定律，反射角等于入射角。本实验利用一个金属板作为反射体，利用甘油作为折射体，验证电磁波中反射现象和折射现象。仪器装置微波发射器 微波接收器 电源 金属板 甘油（实验中没有找到甘油，所以电磁波折射现象没有做）实验步骤（反射）1. 使装置如下图，使微波入射角为30。2. 调整接收器位置于微波反射之方向，移动接收器至读数最大时记录反射角。3. 改变入射角分别为45与60，重复步骤2并验证反射定律。实验结果电磁波入射角（）304560电磁波反射角（）294459实验结果分析考虑实验仪器的系统误差，从上面所测得实验数据可知，电磁波的入射角基本上是与电磁波的反射角相等的，这样就验证了电磁波的反射定律。折射1. 使装置如下图2. 于半圆柱容器中倒入3/4甘油，并使微波入射角为30。3. 调整接收器位置于半圆柱背面，移动接收器至读数最大时记录折射角。4. 改变入射角分别为45与60，重复步骤3并求出甘油的折射率。预习问题1. 这个实验所使用的微波振荡器是利用所谓的Gunn diode，找一下资料，解释一下Gunn diode的结构及原理。就你了解的部分讨论一下。（在半导体基板上依次层叠有第半导体层、活化层和第半导体层的耿氏二极管，具有设于第半导体层上的对活化层施加电压用的第、第电极、从该第电极周围向着第半导体层和活化层切入并将与第电极连接的第半导体层和活化层作为起耿氏二极管作用的区域划分出来的凹部。因为起耿氏二极管作用的区域划定是通过将形成于该区域上部的电极层作为掩模的自配合的干法刻蚀进行的，故能减少其特性差异。并公开了其制造方法和安装结构及波导耿氏振荡器。）2. 这里用的频率约为10GHz，波长多大？三厘米问题与讨论1、 发射器与接收器之间的角度对试验有何影响？答：发射器和接收器之间的角度必须是严格180的情况下，才能得到良好饿测量结果，只要两者之间有一点角度就会使测量结果出现不应有的误差。实验2-2：电波单缝衍射特性测试实验内容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的规律。教学要求1了解物理量相对测量的特点和研究方法。2学习如何利用实验理论，通过比较理论结果与实验结果得出实验结论的方法。实验器材微波分光仪实验原理微波和光波都是电磁波，都具有波动性，能产生反射、衍射、干涉及折射等现象。微波的波长在一毫米到一米之间，在电磁波谱中其短波长一端与远红外光波相连接，在长波长一端与超高频无线电波相连接。许多可见光和其他波长的电磁波的性质，都可以用微波来再现，只是由于波长不同，波动现象的尺度不同而已。利用微波代替光波来进行实验直观、方便的多。单缝衍射由微波分光仪的发射天线发出的微波是在一定范围内的平面波，当平面波入射到缝宽为的单缝上就会发生衍射，在不同方向上可以由接收天线接收到不同强度的微波，在各衍射方向上的微波可以看作是这个方向上小范围内的平面波，接收天线将其汇聚到一起来。因此可以认为这种衍射是夫琅和费衍射。单缝夫琅和费衍射的光强分布光强为： 当衍射角=0时，衍射波的强度最大，称为中央极强，它有一定的宽度。在中央极强两侧，衍射波的强度迅速减小，直至出现衍射波强度的极小值，即一级极小。可以证明正一级极小的衍射角为：。同样，负一级极小的衍射角为：。如果定义两个一级极小之间的夹角为中央极强的角宽度，则中央极强的角宽度为：。我们还可以证明各级极小的衍射角满足： k=1,2，3， 分别称为一级极小，二级极小，三级极小，。除中央极强外，其余各级衍射极大的衍射角近似满足： k=1，2，3 分别称为一级极大，二级极大，三级极大，。 操作步骤1 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。2 将单缝衍射板的缝宽调整为40mm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 打开电源开关，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。4 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。5 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），确定出各级极大和极小衍射角的实验值。6 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。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、观察衍射强度分布，尽可能将中央极大值的位置调整在00处。问题讨论1 本实验为什么属于夫琅和费衍射？答：物理的本质过程是一样的。2 实验中，中央极大的位置对得出实验结论有何意义？如何才能调整好中央极大的位置？答：中央极大的位置说明了微波衍射的确实存在，调节仪器在同意水平面并且在同一直线上。单缝衍射数据记录表 单缝宽= 40 mm，微波波长=32.02mm（0）024681012141618202224（mA）65655848454144413020192326（mA）65655848454144413020192326（0）26283032343638404244464850（mA）197271281026210（mA）197271281026210实验2-3：电波双缝干涉特性测试实验内容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，测量并验证双缝衍射的规律。教学要求1了解物理量相对测量的特点和研究方法。2学习如何利用实验理论，通过比较理论结果与实验结果得出实验结论的方法。实验器材微波分光仪。实验原理微波和光波都是电磁波，都具有波动性，能产生反射、衍射、干涉及折射等现象。微波的波长在一毫米到一米之间，在电磁波谱中其短波长一端与远红外光波相连接，在长波长一端与超高频无线电波相连接。许多可见光和其他波长的电磁波的性质，都可以用微波来再现，只是由于波长不同，波动现象的尺度不同而已。利用微波代替光波来进行实验直观、方便的多。双缝衍射由微波分光仪的发射天线发出的微波是在一定范围内的平面波，当平面波入射到缝宽为的双缝上就会发生衍射，在不同方向上可以由接收天线接收到不同强度的微波，在各衍射方向上的微波可以看作是这个方向上小范围内的平面波，接收天线将其汇聚到一起来。 双缝衍射光强为： 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，。实验步骤1、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。2、将单缝衍射板的缝宽调整为40mm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、打开电源开关，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。4、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。5、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），确定出各级极大和极小衍射角的实验值。6、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。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、观察衍射强度分布，尽可能将中央极大值的位置调整在00处。问题讨论1 本实验为什么属于夫琅和费衍射？答：物理的本质过程是一样的。2 双缝衍射与双缝干涉有何异同？答：双缝干涉可否看成是两个单缝衍射的简单叠加，具体而言只是两者的缝宽和缝间距的要求不一样。3 实验中，中央极大的位置对得出实验结论有何意义？如何才能调整好中央极大的位置？答：中央极大的位置说明了微波衍射的确实存在，调节仪器在同意水平面并且在同一直线上。双缝衍射数据纪录缝宽=40 mm，缝间距= 155 mm，微波波长=32.02mm（0）01234567（mA）7044281342411（mA）7044281342411（0）89101112131415（mA）2440526062625854（mA）2440526062625854（0）1617181920212223（mA）4740322318161618（mA）4740322318161618（0）2425262728293031（mA）2018141110111519（mA）2018141110111519（0）3233343536373839（mA）21242420141074（mA）21242420141074（0）4041424344454647（mA）211125810（mA）211125810（0）484950（mA）1084（mA）1084实验2-4：电波迈科尔逊干涉特性测试（在实验过程中没有找到半透板，所以该实验没有能够顺利进行）注意事项请勿将微波发射器直射眼睛或头部。实验目的观察微波的干涉现象，并利用干涉原理求出微波波长。实验原理微波(microwave)属电磁波的一种，其波长一般介于0.01m0.3m之间，行进微波可由Maxwell equation来决定。构成微波的电场与磁场相互垂直，且波的行进方向由决定，其亦与电场与磁场相互垂直，是为横波。如图一所示，若电场振动方向为，磁场振动方向为，则微波行进方向为。图一对于任何给定的点其电场总是垂直于行进波方向，但方向是任意改变的电磁波为随意偏振或未偏振波，如一般光源所放射出的电磁波；若其电场偏振方向固定者称为偏振波，如电视站或广播站发出的电磁波。对于具偏振方向的电磁波，我们可以利用架设偏振片来判断其偏振方向，平行于偏振方向的电场分量可以通过偏振片，与之垂直者，则被此片吸收。如图二所示：图二可通过偏振片的电场分量为，电场分量则被吸收。 (eq.1)又电磁波的强度正比于电场强度，是故穿透的电场强度可表为 (eq.2)本实验中我们利用Michelson干涉来求得微波波长，如下图所示发射器射出微波经过半透板将波分为两路，一波经折射后射向反射板A后反射回接收器；令一波穿射过半透板射向反射板B后反射回接收器，于接收器端收得两波波程差为。当移动反射板B使得接收器读得最大(最小)讯号时，两波形成增强(减弱)干涉，此时两波波程差符合 (eq.3)当再移动反射板B距离时，接收器又读得最大(最小)讯号，此时两波波程差符合 (eq.4)(eq.4)减(eq.3)便可得微波波长 (eq.5)实验中使用的信号源出厂波长为32.02mm仪器装置微波发射器 微波接收器 电源 金属板 半反射板 实验步骤Michelsons干涉法测量微波波长1. 使装置如图2. 固定金属板A，移动金属板B使接收器读得最大(最小)读数时记录金属板位置。3. 移动金属板B五次记录接收器读数最大(最小)时金属板位置。计算其间距d，求得微波波长/2=d。实验2-5：电波偏振特性测试注意事项请勿将微波发射器直射眼睛或头部。目的观察微波的偏偏振极化特性。实验原理微波(microwave)属电磁波的一种，其波长一般介于0.01m0.3m之间，行进微波可由Maxwell equation来决定。构成微波的电场与磁场相互垂直，且波的行进方向由决定，其亦与电场与磁场相互垂直，是为横波。如图一所示，若电场振动方向为，磁场振动方向为，则微波行进方向为。图一对于任何给定的点其电场总是垂直于行进波方向，但方向是任意改变的电磁波为随意偏振或未偏振波，如一般光源所放射出的电磁波；若其电场偏振方向固定者称为偏振波，如电视站或广播站发出的电磁波。对于具偏振方向的电磁波，我们可以利用架设偏振片来判断其偏振方向，平行于偏振方向的电场分量可以通过偏振片，与之垂直者，则被此片吸收。如图二所示：图二可通过偏振片的电场分量为，电场分量则被吸收。 (eq.1)又电磁波的强度正比于电场强度，是故穿透的电场强度可表为 (eq.2)仪器装置微波发射器 微波接收器 电源 实验步骤电磁波的偏极化电源供应器输出端接发射器，电压不可超过12V，让发射器与接收器之间距离约为1公尺(否则接收器上的二极管会烧坏)，接收器接电表量电流，调整接收器接收角度使得其电流读数为最大。注意一下接收器的旋转位置，号角式天线是有方向性的。实验结果让发射器与接收器之间距离约为1公尺，接收器接电表量电流，并且此时发射天线和接收天线是正对着的，也就是说这时候接收天线的极化风向和发射天线的极化方向是一直的，这是接收器接受到的信号能量在理论是最大的，调整接收器接收角度使得其电流读数为最大，这个过程可以确保接收天线的极化方向确实和发射天线的极化风向是严格一直的。为了验证电磁波的偏振特性，下面在垂直平面内旋转接收天线，可以注意到随接收器的旋转位置的变化，接受的信号的能量是逐渐减小的，其中在整个旋转过程中存在两个特殊位置，一是当接收器天线在发射天线极化方向45的时候，此时接受的信号能量是原先接收器接受到信号能量的一半。二是当接收天线的极化方向和发射天线的极化方向垂直的时候，接收天线基本上不能接收到一点信号能量，通过这个简单的实验过程可知电磁波存在偏振特性，比且可以综合分析出两个天线各自的极化方向。问题与讨论1. 试说明第一部份实验中电磁波的偏极方向。答：电磁波是垂直极化的。实验2-6：电波布拉格衍射特性测试（未完成）一、实验目的