电磁场与微波测量实验报告

1 / 24电磁场与微波测量实验报告微波工程特性参数测量实验实验一 微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量班级：2016211204小组成员：一 实验目的：学习微波的基本知识；了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；学习用微波作为观测手段来研究物理现象。二 实验原理：2 / 24本实验接触到的基本仪器室驻波测量线系统，用于驻波中电磁场分布情况的测量。该系统由以下十一个部分组成：1.微波信号源DH1121C型微波信号源由振荡器、可变衰减器、调制器、驱动电路、及电源电路组成。该信号源可在等幅波、窄带扫频、内方波调制方式下工作，并具有外调制功能。在教学方式下，可实时显示体效应管的工作电压和电流的关系。仪器输出功率不大，以数字形式直接显示工作频率，性能稳定可靠。2.隔离器位于磁场中的某些铁氧化体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性，隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输的作用。3 / 243.衰减器把一片能吸微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率从以及去耦合的作用。4.波长计电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本不影响波导中波的传输。当电磁波的频率计满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。5.测量线测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。由开槽波导、不调谐探头和滑架组成。在波导的宽边有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导。线开槽波导中的4 / 24场由不调谐探头取样，探头的移动靠滑架上的传动装置，探头的输出送到显示装置，就可以显示沿波导轴线的电磁场变化信息。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上就感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。6.检波晶体微波测量中，为指示波导中电磁场强度的大小，是将它经过晶体二极管检波变成低频信号或直流电流，用电流电表的电流 1来读数的。从波导宽壁中点耦合出两宽壁间的感应电压，经微波二极管进行检波，调节其短路活塞位置，可使检波管处于微波的波腹点，以获得最高的检波效率。7.选频放大器用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出 1kHz附近的信号，经整流平滑后输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。8.喇叭天线9.匹配负载5 / 24波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。10.短路片11.失配负载三 实验方法和过程：熟悉实验器材操作方法：小组成员共同学习实验器材的使用方法和注意事项。观察测量系统的微波仪器连接装置，衰减器，波长计，波导测量线的结构形式。熟悉信号源的使用先将信号源的工作方式选为：等幅位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；再将信号源的工作方式选为：方波位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；6 / 24熟悉选聘放大器的使用；熟悉谐振腔波长计的使用方法微波的频率测量是微波测量的基本内容之一。其测量方法有两种：谐振腔法；频率比较法。本实验采用谐振腔法。由于波长和平率直接满足关系，所以频率和波长的测量是等效的。吸收式波长计的谐振腔，其只有一个输入端和能量传输线路相连，调谐过程可以从能量传输线路接收端指示器读数的降低可以判断出来。本实验采用了吸收式波长计测量信号源频率从，为了确定谐振频率，用波长表测出微波信号源的频率。具体做法是：旋转波长表的测微头，当波长表与被测频率谐振时，将出现波峰。反映在建波指示器上的指示是一跌落点，此时，读出波长表测微头的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出对应的频率。波长计测量信号波长：小组成员分工协作，有序完成实验7 / 24数据的测量。微调单旋调配器，事腔偏离匹配状态，检波电流计上有一定示数调节波长计使检波电流计再次出现最小值的时候，读出此处波长计的刻度值为：按照波长计的刻度值去查找“波长计-频率刻度对照表” ，就可以得到对应的信号源频率值；改变信号频率，从开始测到，每隔测量一次，记录在数据表格中；四 实验结果与分析:根据以上表格数据可知:本实验的波长表读数对用表中的频率值与真实的频率值误差范围为%，误差很小在可控范围内。产生误差的原因为：仪器测量产生的误差。因此，可以采用该方法测波长。五 心得与体会:8 / 24本次实验为电磁场与微波测量实验的第一个实验，顾名思义，即电磁场和微波测量的实验。理论知识就是电磁场和微波，一直贯穿着大二和大三的学习，基本知识倒有但不够深入。在赵老师的带领下我们学习了一些陌生的实验器材，也知道这些庞大的仪器价值不菲，是老师们争取的结果。实验教室很小，但气氛很好，尤其小组的形式也让我们小组之间多了交流和讨论，刚开始的时候对实验器材和原理很茫然，不知从何下手。后来慢慢对仪器熟悉和了解后，在老师耐心的讲解以及组员之间的积极配合协作下，很快我们就得到了正确的结果。实验期间也遇到一些问题。比如在调整检流计的电流最小值时经常出现电流没有变化或者电流示数太大的情况，经检测发现应调节频带至宽带，并且将衰减调大，若电流偏小，则应将衰减调小。感谢赵老师的指导，我们小组所有成员将踏实认真的对待每次实验！9 / 24北邮电磁场与微波测量实验报告实验五 极化实验学院：电子工程学院 班号：2016211204组员： 执笔人： 学号：2016210986一、实验目的1培养综合性设计电磁波实验方案的能力 2验证电磁波的马吕斯定理二、实验设备S426型分光仪三、实验原理平面电磁波是横波，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。在光学中也叫10 / 24偏振波。偏振波电磁场沿某一方向的能量有一定关系。这就是光学中的马吕斯定律：I?I0cos2?式中 I为偏振波的强度，?为 I与 I0间的夹角。DH926B型分光仪两喇叭口面互相平行，并与地面垂直，其轴线在一条直线上，由于接收喇叭是和一段旋转短波导连在一起的；在该轴承环的 90度范围内，每隔 5度有一刻度，所以接收喇叭的转角可以从此处读到。四、实验步骤1设计利用 S426型分光仪验证电磁波马吕斯定律的方案；根据实验原理，可得设计方案：将 S426型分光仪两喇叭口面互相平行，并与地面垂直，其轴线在一条直线上，由于接收喇叭是和一段旋转短波导连在一起的；在该轴承环的90度范围内，每隔 5度有一刻度，接收喇叭课程从此处读取?，继而进行验证。11 / 242根据设计的方案，布置仪器，验证电磁波的马吕斯定律。实验仪器布置通过调节，使 A1取一较大值，方便实验进行。 然后，再利用前面推导出的?，将仪器按下图布置。A1五、实验数据1、数据分析：由数据可看出，实验值跟理论值是接近的，相对误差基本都很小，在误差允许范围内，所以可以认为马吕斯定律得到了验证。 2、误差分析：实验中可能存在仪器仪表误差，人为误差以及各组互相影响造成的误差等。但是角度比较大的时候，相对误差都比较小，也比较精准。角度比较小的时候，由于理论值较小，12 / 24相对误差会大一点，但是从整体趋势来看，结果也是合理的。所以不影响我们对马吕斯定律进行验证。六、思考题1、垂直极化波是否能够发生折射？为什么？给出推导过程。答：不能。垂直极化波入射在两种媒质的分界面上，反射系数和折射系数分别为：对于一般媒质?2，可以证明，垂直极化波无论是从光疏媒，?1?质射入光密媒质，还是从光密媒质射入光疏媒质，总有，13 / 24，所以不可能发生全反射。沿任意方向极化的平面电磁波，以?1?P 入射到两种媒质的分界面上时反射波中只有垂直极化波分量，利用这种方法可以产生垂直极化波。2、本实验，水平极化和垂直极化可以调节吗?平行极化波如何调节出来，自行设计实验方案,如何验证全折射的原理？答：可以调节。如果喇叭天线窄边平行于地面，则称水平极化，如果喇叭天线宽边垂直于地面，则称垂直极化。验证电磁波全折射原理的实验方案：首先根据以下推导，求出?。 极化波反射系数七、实验总结这次实验主要是使用 S426型分光仪根据线极化波的相关概念验证电磁波的马吕斯定律。14 / 24此次实验较为简单，数据也较少，很容易记录。由于是第二次实验，我们对 S426型分光仪也已经比较熟悉了，所以只要明白实验原理还是很容易操作的。这时也可以显示出课前预习的重要性，可以使实验时事半功倍。北京邮电大学 电磁场与微波测量实验报告天线特性测试及分析本实验主要是学习天线理论、掌握天线方向图的概念以及学习天线方向图的测量方法。以下是天线的概念及有关名词的解释。一、天线的概念无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来，并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不15 / 24同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等； 按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。二、天线的方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。定向天线由于具有最大辐射或接收方向，16 / 24因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。三、天线的增益增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波传播的距离越远。增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。四、天线的波瓣宽度方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大辐射方向17 / 24两侧，辐射强度降低 3 dB 的两点间的夹角定义为波瓣宽度。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即 10dB 波宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB 的两个点间的夹角。五、天线的极化天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。其中两种基本的单极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化-也是要被用到的。六、天线的输入阻抗定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量 Rin和电抗分量 Xin，即Zin =Rin+jXin。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。有趣的是，对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率18 / 24范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50欧，从而使得天线的输入阻抗为 Zin=Rin=50欧-这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。七、天线的频带宽度无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义。一种是指：在驻波比 SWR 条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比 SWR不超过时，天线的工作频率范围。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。而本实验的内容主要包括喇叭天线极坐标方向图的测量；以喇叭天线为基准，测量天线的相对增益并将测量结果与理论结果对比分析。测量结果显示如下：极坐标方向图19 / 24旁瓣宽度- : : : : 部分数据记录如下：电磁场与微波测量实验报告微波 TV收发系统的基本原理发射系统部分班级： 学号： 组员：执笔人：一实验目的通过对使用的微波收发系统微波电路实验训练系统的各个参数进行测量，实验者能完整、透彻的了解微波射频系统，掌握微波收发系统的基础知识。20 / 24二实验原理基本无线通信系统一般由发信机、收信机及其天线构成，如下图所示。发信机的主要作用是将需要传输的信源信号进行处理并发送出去。首先通过调制器用信源信号对高频正弦载波进行调制形成中频已调制载波，中频已调制载波经过上变频器和滤波器变换成射频已调制载波，射频已调制载波送至放大器进行功率放大，最后送至发射天线，转换成为辐射形式的电磁波发射到空间。一个典型的无线发信机的组成框图如下。实验中使用的是 SD3200R/T微波 TV收发系统由发射机系统和接收机系统两个实验箱组成，如下图。该微波 TV收发系统是一套工作在 900MHz微波频段的无线通信系统实训系统，可以进行图像和话音业务的无线传输试验，同时可以进行滤波器、放大器、滤波放大器等电路的相关实验。微波 TV收发系统主要由 TV发射系统和 TV接收系统两部分组成。21 / 24微波 TV收发系统可以提供 6个无线信道，信道间隔 8MHz，频率设置如下表。微波发射机和接收机组成方框图，如下图。三实验内容1.微波 TV发射机系统的调测1） 传输信道的单载波调试按照下图所示连接测试系统。设置 DDS信号发生器输出指定频率和功率的单载波信号。注：由于没有 DDS信号发生器，本实验用试验系统的视频输入端口代替。将信道选择器分别设置为 CH1CH6，用频谱分析仪测量功率放22 / 24大器的输出信号频率和电平，测试数据记录在下表。电磁场与微波测量实验总结持续十周的电磁场与微波测量实验即将结束了，在这十周的实验与学习中，我还是从中学到了许多知识，不仅有书本上的知识，也包含了许多书本上学不到的东西。在本实验课程初期，我们主要进行的是对于电磁场与电磁波的特性的研究，实验中，我们分别进行了如下实验，电磁波反射与折射实验，迈克尔逊干涉实验，极化实验和无线信号场强特性的研究。实验所用到的仪器主要是微波分光仪，这也是我们第一次在实验中接触到该仪器，在之后的几个实验中，我们均用到了该仪器，该仪器虽然功能比较强大，但是带来的问题也比较多，由于各个接口并不算稳定牢固，所以经常在测量数据时出现问题，造成实验数据的误差非常大，这也一度困扰了我们很久，但是在对该仪器的使用的逐渐熟悉之后，我们已经自己来对误差