电磁场与电磁波实验.docx

电磁场实验报告信息与通信工程学院电磁场实验实验报告班级： 2010211123班姓名： 学号： 序号： 日 期：2012年 12月22日目录实验一 电磁波参量的测量3一、实验目的3二、实验原理3三、实验内容2四、实验步骤2五、实验数据及结果整理3六、误差分析3七、思考题4实验二 均匀无耗媒质参量的测量5一、实验目的5二、实验原理5三、实验内容7四、实验步骤7五、实验数据及结果整理8六、误差分析9七、思考题9实验三 电磁波反射、折射的研究10一、实验目的10二、实验原理10三、实验内容2四、实验步骤2五、实验数据3六、实验结果整理3七、误差分析4八、思考题4实验一 电磁波参量的测量一、实验目的1.在学习均匀平面电磁场特性的基础上，观察电磁波传播特性。2.熟悉并利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长，并确定相位常数和波速。二、实验原理两束等幅，同频率的均匀平面电磁波，在自由空间以相同或相反方向传播时，由于初始相位不同发生干涉现象，在传播路径上可形成驻波场分布。本实验正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由空间内电磁波波长值，再由=2，=f=得到电磁波的主要参数：，等。图1-1 其中的测量方法如下：设入射波为：Ei=E0ie-j。当入射波以入射角1向介质板斜投射时，则在分界面上产生反射波Er和折射波Et。设介质板的反射系数为R，由空气进入介质板的折射系数为T0，由介质板进入空气的折射系数为Tc，另外，可动板Pr2固定板Pr1都是金属板，其电场反射系数为-1。在一次近似的条件下，接收喇叭Pr3处的相干波分别为Er1=-RT0TcE0ie-j1，Er2=-RT0TcE0ie-j2。在Pr3处相干波合成为 Er=Er1+Er2=-RT0TcE0i(e-j1+e-j2)式中=1-2=2*L为了准确测量，一般采用Pr3零指示法，即cos2=0或=(2n+1) n=0,1,2这里n表示相干波合成驻波场的波节点（Er=0）数。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。故把n=0时Er=0的驻波节点为参考节点的位置L0，又因=2*(2)*L故2n+1=2*(2)*L或4L=2n+1可得=2(Ln-L0)n (n为半波长数，一般n=4已足够)图2-2 相干波Er1和Er2分布图三、实验内容1.了解电磁波综合测试仪的工作特点，使用方法，特别要熟悉和掌握利用相干波原理测试电磁波波长的方法。2.仪器工作正常后，观察电磁波E、H和S三者符合右手螺旋规则。3.测值。移动可动板Pr2，并测出相应节点位置L，根据测得的L值及n值，计算、4.用EIP25频率计测出信号源频率，并计算0(=cf0)，并与所测进行比较。四、实验步骤1.整体机械调整：调整发射喇叭Pr0，接收喇叭Pr3，使其处于同种极化状态。2.安装反射板，半透射板：注意反射板Pr1与Pr2轴向成90角，半透射板轴向与Pr1轴向成45角，并注意反射板Pr1，Pr2的法向分别与Pr3、Pr0轴向重合。3.将所有调整到位部分用螺丝锁紧，调整发射端的衰减器以控制信号电平，使Pr3表头指示为80。4.旋转游标使可移动反射板Pr2的起始位置在最右侧（或最左侧），用旋转手柄移动Pr2使所有节点位置处，Pr3表头指示都为零。此时说明整个系统调整到位。5.测量：用旋转手柄使反射板移动，从表头上测出n+1个零点，同时从读数机构上得到所有节点位置L0到Ln，并记录。6.连续测3次，用公式计算波长，并将3次波长求平均值，n取3或4即可。7.用所测波长计算、的值五、实验数据及结果整理1.原始数据表格：（微安表读数选取左右偏离2uA的地方读数）单位：mm第一组第二组第三组第四组L左/mm4.10018.56534.75551.100L右/mm6.48521.07037.14553.480L/mm5.29319.81835.95052.2402.理论值：从仪器标称来看，发射频率为f0=9.3718GHz，0=c0f0=32.011mm3.计算值：（1）波长：波长的实际值：=2*L3+L2-L1+L04=31.298mm相对误差：=0-0*100%=|32.011-31.29832.011|*100%=2.23%绝对误差：=0-=0.713mm在误差允许范围内，可认为结果正确。（2）下面计算，v的计算值：=20.201v=2f2.9332*108m/s六、误差分析由以上计算可得，计算的结果与理论值有一定偏差，但是误差还在误差允许范围内，所以属于正常误差，误差产生原因由以下几点：1. 整体机械调整时，都是用人眼来确定是否水平，是否垂直，喇叭的调整也不精准，不能保证完全平行极化或垂直极化，所以产生了误差2. 用相干波测波长的装置读数时，微安表刻度有限，底座上的角度刻度表也精度有限3. 读数的时候，人眼读书也会存在一定的误差，所测量的数据组数有限；4. 实验室内的温度在实验过程中发生变化，并且空气中电磁波的传播速度小于真空中的光速，而计算时默认为真空光速计算的。七、思考题用相干波测量电磁波波长时，图1-1中的介质板放置位置若转900，将出现什么现象？这时能否侧准？为什么？答：答：原测量方式中Er1=-RT0TcE0ie-j1，Er2=-RT0TcE0ie-j2。介质板旋转90后Er1=-RT0TcE0iej1，Er2=-RT0TcE0ie-j2。介质板旋转后使得T0Tc产生的幅度，相位变化也计入两项和之中，因此很可能无法产生明显的驻波分布，故无法准确测量的值。实验二 均匀无耗媒质参量的测量一、实验目的1.应用相干波节点位移法，来研究均匀无损耗媒质参量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分界面对电磁波的反射和折射的特性。二、实验原理媒质参量一般应包括介电常数和磁导率两个量，它们由媒质特征方程D=E和B=H来表征，要确定，的值，总是要和场量E和H联系在一起，对于损耗媒质来说，和为复数，且和频率有关。这里，我们仅仅对均匀无损耗电介质的介电常数进行讨论（r=1的情况），最终以测定相对介电常数（r=0）来了解媒质的特性和参量。用相干波原理和测驻波节点的方法可以确定自由空间内电磁波参量0、0、c，对于具有r的均匀无耗媒质，无法直接测得媒质中的、值，不能得到媒质参量值。但是我们利用类似相干波原理实验装置，即实验一中的实验装置，根据对r板放置前后引起驻波节点位置变化的办法，测得相位变化值，进而测定媒质r值。首先固定Pr1，移动Pr2使Pr3出现零指示，此时Pr2的位置在L3，然后紧贴Pr2的表面放置具有厚度为的待测r介质样品板，Pr2仍处于波节点位置L3，由于r板的引入使Pr3指示不再为零,如图2-2中的（a）和（b）所示：我们把喇叭辐射的电磁波近似看做平面波，设Pr3接收喇叭处的平面波表达式：Er2=E0re-jz由于Pr2处存在厚度为的r的媒质板（非磁性材料的媒质r=1）使Pr3处的Er1和Er2之间具有相位差。（a）(b)媒质板厚度为，则r板内总的相位滞后值为=-0=0*2(r-1)为再次使Pr3处实现相干波零指示接收，必须把Pr2连同r板向前推进L，造成一个相位增量，其值为=20*2l=0*2l从而补偿了r板的相位滞后, 使Pr3处实现零指示，有=，整理后可得：r=(1+l)2=0r=0(1+l)=2=0(1+l)=cr=c(1+l)利用边界条件还能算得，反射系数与折射系数：R0=1-r1+rT0=21+r三、实验内容1.用卡尺在r板的四周测量其厚度，并取平均值。2.根据图测出没有r时的所有节点位置及有r时对应的所有节点位置，计算其对应节点的差值，并计算其平均值L。3.把测试值列入表格中，并根据相应关系式，得到被测介质板的r值，介质中的电磁波参量、及分界面上的R、T的值。四、实验步骤1.整体机械调整：并测出r板的平均厚度。2.根据图示安装反射板、透射板：固定Pr1，移动Pr2使Pr3表头指示为零，记下Pr3处L的位置。3.将具有厚度为待测r的介质板放在Pr2处，必须紧贴r表面，同时注意在放进r板之后，Pr2仍处于波节点L的位置。此时指示Pr3不再为零。4.将Pr2和r共同移动，使Pr2由L移到L处使Pr3再次示零，得到L=L-L。5.计算r、R、T的值。五、实验数据及结果整理（1）用卡尺在r板的四周测量其厚度，数据如下：第一组第二组第三组第四组/mm6.186.285.805.70/mm5.99（2）媒质参量测试数据表：（0=32.011mm，0=20=196.1826 rad/m）第一组第二组第三组第四组L左/mm4.10018.56534.75551.100L右/mm6.48521.07037.14553.480L/mm5.29319.81835.95052.240L左/mm14.10031.08547.130L右/mm16.47033.38549.425L/mm15.28532.23548.278L/mm4.5333.7153.962L/mm4.070r=(1+l/)23.08622.62502.7604=0r m18.221619.757619.2670r=0r rad/m344.645317.852325.947V=Cr m/s1.7081081.8521081.806108R=(1-r)(1+r)-0.2745-0.2367-0.2485T=2(1+r)0.72550.76330.7515注：（1）r、R、T的计算值已经包含在上表中。（2）有介质板的情况下，第一组的数据读不出来，所以第一组的数据缺失，只用了二，三，四组的数据六、误差分析由以上计算可得，计算的结果与理论值有一定偏差，但是误差还在误差允许范围内，所以属于正常误差，误差产生原因由以下几点：1.整体机械调整时，都是用人眼来确定是否水平，是否垂直，喇叭的调整也不精准，不能保证完全平行极化或垂直极化，所以产生了误差2.用相干波测波长的装置读数时，微安表刻度有限，底座上的角度刻度表也精度有限3.读数的时候，人眼读书也会存在一定的误差，所测量的数据组数有限；4.实验室内的温度在实验过程中发生变化，并且空气中电磁波的传播速度小于真空中的光速，而计算时默认为真空光速计算的。5介质板的四个角测出来的不完全一样，说明介质板不均匀，有误差。七、思考题本实验内容用r=1测试均匀无损耗媒质r值，可否测r1的磁介质？试说明原因。答：不能因为在本实验中所有推导公式的前提都是r=1，如果r1，则不能用实验中用到的推导公式。实验三 电磁波反射、折射的研究一、实验目的1.研究电磁场在良好导体表面的反射。2.研究电磁场在良好介质表面的反射和折射3.研究电磁场发生全反射和全折射的条件。二、实验原理1.电磁波斜入射到两种不同媒质分界面上的反射和折射 均匀平面波斜入射到两种不同媒质的分界面上发生反射和折射，以平行极化波为例：（1） 反射定律：1=1(3-1)（2） 折射定律：sin2=21sin1(3-2)2.平行极化波入射到两种媒质分界面上的反射系数Rp和折射系数Tp分别为：Rp=-21cos+21-(sin)2(21)cos+21-(sin)2Tp=221-(sin)221cos+21-(sin)2(3-3)平行极化波斜入射时发生全折射，即Rp=0，由（3-3）应有：21cos=21-(sin)2(3-4)可以解出全折射时的入射角1=p=sin-121+2(3-5)p称为布儒斯特角，它表示在1,2分界面上实现全反射的入射角。行极化波斜入射到厚度为d的介质板上，如图3-1所示：当1=p时，入射波在第一个界面上发生全折射，折射波入射在第二个界面上，仍然满足(3-5)式中的条件发生全折射，在介质板后面就可以接收到全部的入射信号。103.垂直极化波不可能发生全折射（无反射）波入射到两种媒质的分界面上，反射系数Rn和折射系数Tn分别为：Rn=cos-21-(sin)2cos+21-(sin)2 Tn=2coscos+21-(sin)2对于一般媒质12，12，可以证明，垂直极化波无论是从光疏媒质入射到光密媒质，还是从光密媒质入射到光疏媒质，总有：cos21-(sin)2，即RN0所以不可能发生全折射。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。4.电磁波斜入射到良导体表面的反射：对于良导体，E2=0，所以E1+=E1-，|R|=1，|T|=0所以，在良导体表面上斜投射的电磁波，其反射长等于入射场，反射角等于入射角。三、实验内容（1）测量电磁波入射到良导体表面的反射特性（2）观察，测试介质板上的反射与折射（3）测试平行极化波斜入射到介质板上发生全折射时的布儒斯特叫（4）观察垂直极化波斜入射到介质板上是否发生全折射四、实验步骤（1）调试试验装置：首先使两个喇叭天线互相队正，它们的轴线应该在一条直线上，具体方法如下：旋转工作平台使00刻线与固定臂上的指针对正，再转动活动臂使活动臂上的指针对正工作平台上的1800刻线，然后锁定活动臂。打开固态信号源上的开关，连接在接收喇叭天线上的微安表将有指示，分别调整发射喇叭天线和接收喇叭天线的方向，使微安表的指示最大，这时发射天线与接收天线互相对正。（2）测试电磁波入射到良导体表面的反射特性首先不加反射板，使发射天线与接收天线互相对正，调整固态信号源，测出入射波电场（可使微安表指示80uA）。然后把良导体反射板放在转台上，使导体板平面对准转台上的900刻线，这时转台上的00刻线与导体板的法线方向一致。改变入射角1，测在反射角1=1时的反射波场强E01（仍用微安表指示的电流表示），把测试数据填入表3-1中。最后可把接收天线转到导体板后（1800刻线处），观察有无折射波。（3）平行极化波斜入射到介质板上的斜折射实验 1）把发射天线和接收天线都转到平行极化波工作状态，首先测量入射波电场E01（可使微安表指示80uA）。然后把玻璃板放在转台上，使玻璃板平面对准转台上的900刻线。转动转台改变入射角，使E01=E02，同时得到斜入射时，反射波场强为零的入射角（可把接收天线转到反射波方向验证），这时1=p，把测量数据填入表3-3中。2）把发射天线和接收天线都转到垂直极化波工作状态，重复上述实验，观察有无全折射现象。3）把发射天线喇叭转到任意方向（例如顺时针旋转450），使入射角1=p，在反射波方向分别测量水平极化波和垂直极化波，记录实验结果，把测量数据填入表3-4.五、实验数据（1）电磁波入射到良导体表面的反射特性：表3-1入射场E01 74uA入射角1300400500600反射角1300400500600反射场E0162uA68uA86uA71uA（2）平行极化波斜入射到介质板上的全折射实验：(玻璃的介电常数约为5)表3-3全折射现象p入射场E01反射场E01折射场E02测量值计算值74uA0uA86uA60065