电磁波实验指导书070415

1、电磁场与波实验指导书实验 一 电磁波的反射与折射(验证实验 2学时)1实验目的 1.1研究电磁波在良导体表面上的反射定律。 1.2研究电磁波在理想介质表面的反射和折射。 1.3研究电磁波产生全反射和无反射的条件。2实验原理 2.1当均匀平面电磁波入射到两种不同媒质分界面上斜入射时，一般要产生反射和折射。在分界面上，入射波与反射波、折射波之间服从以下规律： . . . 1.1 . . . 1.2 其中qi、qg、qt分别为入射角、反射角和折射角。且令qi=qg=q1，qt=q2，ki、kg、kt分别为入射波、反射波、折射波的波矢量，其大小分别为ki=kg=k1 、 kt=k2 。 2.2以上规律

2、只反映了反射波、折射波与入射波之间的方向关系、而电场强度之间的大小和相位关系，可用反射系数和折射系数来表示。 对平行极化波来说，在两种媒质分界面上的反射系数和透（折）射系数如下： . . . 1.3 . . . 1.4、分别为第一媒质和第二媒质的特性阻抗。 现在我们来讨论最常见的两种情况： 当波斜入射到良导体表面上时，由于 . . . 1.5而良导体的，故，所以, 。这说明电磁波将发生全反射。 平行极化电磁波斜入射到两种理想电介质分界面上产生无反射即全折射的条件是。 因为一般媒质m1=m2=m0，故可得到平行极化波以q1=qr=arcsin入射的，将满足的条件。该结论对电磁波从波疏媒质向波密媒

3、质(e1e2)投射都能满足。 理论分析证明，此时折射角与布儒斯特角qp之间关系为：qt=qp=如图1.2示，只要q1=qp，则在介质板的另一侧就可直接收到全部信号。 2.3由于一般媒质均有m1=m2=m0，故对垂直极化不存在无反射现象现象。3仪器设备 分度转台，三厘米微波振荡源、隔离器、可变衰减器、晶体检波器、喇叭天线，波导同频转换器，光电检流计，介质板，电缆，金属板。4设备调整 4.1振荡器输出端通过隔离器、可变衰减器接发射天线，安装在固定臂上，改变可变衰减器可以调节入射波的强度。 4.2光电检流计由视频电缆与晶体检波器接到接收天线上，安装于活动臂上，活动臂上有一指针指着刻度盘，转动活动臂即

4、可读得转动的角度。 4.3用水平仪校正分度转台，调整脚螺栓使底座处于水平位置。 4.4转工作平台：使0o刻度线对准固定臂指针，再转动活动臂使其指针对准工作台的180o线，用基座上的螺栓锁紧。调整收、发喇叭使其处在同一直线上。5实验内容 5.1良导体表面对电磁波反射特性的测试 把金属板放在支座上，应使用金属平面与支座下小圆盘上的某一对刻度线一致。而把带支座的金属板放到小平台上，应使小圆盘上的这对与金属板面一致的刻线与平台上相应的90o的一对刻度线一致。这时小平台的0o刻线与金属板法线方向一致。 转动小平台，使固定臂的指针在某角度处，该角的读数就是入射角。然后转动活动臂，在表头找一最大指示，调可变

5、衰减器使表头最大指示接近满刻度，此时活动臂上所指的刻度就是入射角。 注意：做此实验，入射角最好取3065o之间，因为入射角太大，接收喇叭有可能直接接收入射波。 5.2无损耗介质表面斜入射电磁波折射的测试 换下金属板按上述方式把无损耗介质板(长玻璃板)置于测试位置，并调整介质板板面，使其处于和喇叭天线垂直的位置。 转动收发转角90o，使其产生水平极化波，记下入射波场强Ew改变玻璃板转角，使收到的折射波场Eto=Eio从而得到斜入射时产生的全折射的入射角qp及折射角q，把测得的数据与计算值进行比较。入射场(微安数)Ei0=入射角qi30o35o40o45o50o55o60o65o反射角qgg反射场

6、Eg06实验报告要求 6.1列出实验数据表，并对数据进行分析。 6.2对比电磁波斜入射时良导体及良好介质表面的差别。 6.3实验中，入射波是平行极化波，若为垂直极化波能否产生全折射？为什么？入射场强Ei0qp测试值计算值（q =）反射场强Eg0折射场强Et0qt值（qt=）计算值测试值执笔人：聂翔、贾建科、韩团军实验二 电磁波参量的研究(验证实验 2学时)1实验目的 1.1观察均匀平面波在自由空间的传播,了解电磁波的相干。 1.2测定自由空间电磁波长l0(即信号源工作波长)并确定相位常数k 。2实验原理 平面电磁波于自由空间传播时是无衰减的等幅传播；且符合;传播速度Vp=310m/s；波阻抗Z

7、0=；相位常数ko=;若在传播途中遇到一介质板，则入射波在空气与介质分界面上会产生反射波与折射波。如图2-1所示：当振荡器产生的入射波以入射角li=45o方向投射到介质板上时，入射波分成两束波：一束反射到固定金属A板，另一束折射到可移动金属板B，当电磁波投射到良导体表面时产生全反射，所以两束波再次返回介质板中，略去二次以上反射及折射，于是接收喇叭收到频率相同、振荡方向一致的两束波，它们的行程相位差为: Df=k0(L1-L2) 当两波行程相位差为p的偶数倍时,两波同相: Df=k(L1-L2)=2np 即干涉加强 当行程相位差为p的奇数倍时，两波反相: Df=k(L1-L2)=2(n+1)p

8、即干涉减弱为实现干涉，可改变两路电磁波的行程相位差。为此，只要改变可动板B，即改变DL就可使两波的行程相位差改变，当它们向相时，干涉加强，表头指示最大，当它们反向时，干涉减弱，表头指示最小，两相邻最小点之间的距离即为电磁波的半波长，这就是利用等幅同频率两个相干波，改变其行程差可以得到电磁波波长l。，n值越大，测试精度就较高。波长测出后，可由k0=求得该电磁波的相位常数。3实验仪器 同实验一，另加一块金属板和读数机构波长计。4实验内容及方法 4.1同实验一，调整好收发系统。 4.2转动活动臂，使两个喇叭口面互成90o，安于支座上的介质板放在小平台上，旋转小平台使介质板板面与喇叭轴线互成45o。

9、4.3将读数机构通过它本身带有的两个螺栓旋入底座上，使其固定在支座上，再插上反射板。使测定反射板的法线与接收喇叭轴线一致，可移反射板B的法线与发射喇叭一致。这时两反射板与介质板的夹角均应为45o。 4.4按实验一的方法：接通振荡器的电源。移动可动板B，使表头读数最大，调可变衰减器，使最大值接近于满刻度。 4.5将可移动反射板B移到读数机构一端，在此附近测出一个极小值位置，可适当微动金属板位置，使最小输出指示接近于零。 4.6摇动读数机构手柄，找出第一个零指示位置Lo，然后继续摇动手柄，使可移动反射板B在不同位置处，微安表读数由零最大零。由L到Lo共(n+1)个零点。即相干波有(n+1)个波节点

10、输出。同时在读数机构上读得相应的位移读数。则行程差为DL=Ln-Lo，因为每两相邻最小值之间为，n+1点之间有n个半波长，所以 4.7用波长计测出信号源的工作(频率)波长。 4.8改变振荡源频率，重复步骤5进行测试，把测得的数据填入下表中。波长表读数lo波检波计零指示次 (n+1)自由空间波长可移动板总位移 波的相位常数 5.实验报告要求 5.1画出干涉电磁波场强与可移动反射板距离的关系曲线。 5.2改变介质板所放的位置(q =45o)是否仍能得l，为什么？ 5.3比较工作波长lo和自由空间波长l之间的差异，分析原因。执笔人：聂翔、贾建科、韩团军实验三 介质中的电磁波传播(验证实验 2学时)1

11、实验目的 1.1观察平面电磁波在各种介质中的传播。 1.2测出平面电磁波在各种介质中传播时的相位，从而得出介电常数eg及其它一些参量。2实验原理 均匀平面电磁波在理想介质中传播时，仍是无衰减的等幅传播，仅有相位滞后，且符合;传播速度Vp=；波阻抗；相位常数由此可见，平面电磁波的传播特性与介质性质有关，只要知道介质电常数e(通常m=mo)，就可以知道各种介质中平面传播情况。 本实验是通过测定平面波在介质中传播时相位的变化(因是等幅传播，所以不考虑幅度变化)来得到介质的介电常数eg= ，为此利用相干波原理作说明如下. 2.1由实验二测出的自由空间内的lo及ko，如图3-1所示，这时检波器指示为最小

12、。各波节点的位置为lo l1 l2 l3各点。 2.2把厚度为w，参量为er的被测介质紧贴在可动反射板B上，如图3-2所示，由于介质产生的附加相移，使得从B反射来的一束电磁波到达检波器时，与从A板来的同频电磁波不再反相，因而此时检波器输出的指示回升，不再为最小，此时各波节点的位置右移至lo、l1、l2、l3点。如图3-2所示。 2.3为使检波器输出仍为最小值，将B板及介质从l3移至13。这样引起一个附加的行程差的相位变化，以补偿由于er引起的附加相位，最终使波节点由lo、l1、l2、l3又回到lo、l1、l2、l3，如图3-3所示。由移动的DL值，即可得到介质板的参量及 K=K0 下面就有关确

13、定er及K值做推导如下(这里用电磁波在不同介质内传播时造成的相移及幅度变化进行运算，而不采用复杂的多次反射). 为讨论方便起见，这里仍把辐射的电波在反射范围内看作均匀面波，当它由真空进入介质后，波因子为： 对于无损耗媒质：K=wmoe=K0er 其中：K0=u0e0 因介质板厚度为w，且紧贴在B反射板上，由入射平面波进入介质板在反射板B处全反射，再经过介质板折射进入自由空间，这时介质自进成总相位滞后为：式中 Df0相当于er不存在时(即在自由空间中)，在z-w时的总相移，由此得到er存在时，仅由介质er引起的附加相位为：为实现相干波零指示接收，必须使反射板B转向介质板向左移动Dl，使l3、至l

14、3 。这样引起一个附加的行程差相位值。以补偿由er值造成的相位滞后，由此得到Dl的附加行程差相移与Df相等，这里附加行程差相移 以及 即 所以 或 由所测得的Dl即得到er及相应的K值3实验仪器 同实验二，增加三块介质板4实验内容 4.1同实验一，调整好收发系统 4.2同实验二，在不加介质时，测出B板左臂位置和电磁波长l0、K0，此时检波器输出指示为最小。 4.3用长尺测出介质板厚度w1(两种不同，或相同介质的不同w) 4.4被测介质板紧贴在反射板B上，向左移动B板，使检波器输出指示最小，测出B板左臂的位置，得到： Dl=l3-l3 4.5更换介质板，重复步骤4将所测结果填入下表中。B总位移

15、DL=l3-l0Dl=l3-l3Ww1w2w3 注：Roe、Toe是介质与空气分界面的反射、折射系数。5实验报告 分析实验数据,并说明不同介质对同频率电磁波传播的影响。 思考题： 对于无损耗介质的电磁参量er mr，本实验在电介质板mr=1时，利用本设备测试er值，对于磁介质板(mr=1)，则在er=1时，能否利用本实验设备测出磁介常数m，试说明之。执笔人：聂翔、贾建科、韩团军实验四 电磁波的极化及其合成(综合实验4学时)1实验目的 1.1研究线极化波的产生和特点； 1.2研究圆极化波的产生和特点；1.3研究椭圆极化波的产生和特点；1.4全面理解电磁波的极化属性及其对信号发射接收产生的影响.2

16、实验任务 2.1熟悉、理解如何用金属网产生线极化波2.2了解线极化波合成线极化、圆极化和椭圆极化的一般方法。3预习要求 3.1认真复习教材中关于平面电磁波极化性质及其合成方面的内容; 3.2 阅读实验指导书中关于平行极化与垂直极化反射与透射方面的知识,从宏观上理解反射极化波2次相遇时的合成原理.4.实验原理 极化是指平面电磁波在无限大介质中传播时，合成电场强度的矢端随时间而变化的轨迹，根据轨迹形状，有线极化波、圆极化波、椭圆极化波，对圆(或椭圆)极化波又可分右旋与左旋圆(或椭圆)极化波，不管是哪种极化波，皆可看作由两个同频率的线极化组成。当两者的幅度与相位满足不同关系时，则可产生不同的极化波。

17、 如沿+Z方向传播的均匀平面波，由两个分量组成，它们是两个同频率的线极化波，其电磁场强度的复矢量为：Ex和Ey分别为x分量和y分量的复振幅即 当两个分量的相位fx、fy和振幅Exm、Eym满足不同关系时，的极化状态将不同。4.1为线极化波的条件是： fx-fy=np 即 与同相或反相。4.2为圆极化波的条件是 fx-fy= Exm=Eym即 =+j当 =j时，为右旋圆极化波 =-j时，为左旋圆极化波4.3为椭圆极化波的条件是： fx=fy ExmEym Ex超前Ey，为右旋椭圆极化波 Ex滞后Ey，为左旋椭圆极化波椭圆的长轴分别在x轴与y轴上，这说明两个同频率的线极化波合成的椭圆极化波，也可看

18、作两个同频率、振幅不等的右旋和左旋圆极化波迭加的结果。 从以上电磁波极化理论分析可知，在电磁波极化的研究中，只要能在所研究空间的任意一点上，得到两个同频率的正交分量而且这两个正交分量的振幅和相位差如果可以调节的话，我们就能在所研究空间得到线极化波、圆极化波和椭圆极化波。 假设一个均匀线极化平面波，其电磁强度振幅为El0从空气向一个无限大理想介质薄板平面斜入射：如图4-1所示，设lO1=，假设该极化波的极化面可以转动，入射面与极化面之间的夹角为a，该线极化波可以分解为垂直极化波和平行极化波。当该平面波斜入射到理想介质的上平面时，将发生反射和折射，在空气中传播，其折射波以q折1=q2进入理想介质中

19、传播时理想介质的下平面时又要折射一次进入理想介质后面的空气中传播，这第二次折射的折射角q折2=q1 。 为了在接收喇叭处得到两个在空气间正交的同频率分量，我们在反射波的传播方向上，平行且等相位处设置一块垂直极化栅使平行极化波能通过，而垂直极化波则全反射，这样在反射波中只有垂直分量，当它到达理想介质上平面时发生折射，折射波到达理想介质下平面时，再一次折射进入理想介质后面的空气中传播，到达接收喇叭处，在忽略二次以上反射折射条件下，在接收喇叭垂直分量振幅为EL=ElcosaRLTL1TL2 同理，经二次折射进入理想介质后面空气中的平面波，在其传播方向上平行于其等相位面，设置一块平行极化栅，使垂直极化

20、波能够通过，而平行极化波则全反射，这样在反射波中只有平行分量，它以q1向理想介质下平面斜入射，到达介质下平面时再一次发生反射，而向接收喇叭处传播，到接收喇叭时，在忽略二次以上的反射、折射条件下，接收喇叭平行分量的振幅为E/=ElsinaT/1T/2R/0 由上分析可知，在入射波和介质参数确定的情况下，两个分量的振幅仅与角a有关，改变a的大小，即可调整正交分量的振幅大小，若要求 E/=EL可得 tga=当 q1=45o时， (详见附录)当介质是玻璃时，可得 a=5060O除满足一定的振动条件外，要得到要求的极化波，还要能调节两个分量的相位差，这可通过调节两个分量的行程差得到。 通过转动入射波的极

21、化面，调节两个分量的振幅，通过调节一个分量的行程差L来调节两个分量的相位差，从而可以得到各种极化波。实验设备如图4-1所示，为消除从栅后漏场的影响测试值可在金属栅后加吸收材料。6实验内容 6.1同实验一，调整收发系统，安装并固定在金属栅网，读数机构。 6.2调整幅度Er=Er，首先使波的入射角a=45,使0-Pr3与0-Pr1距离相等，然后转动发射喇叭转角a，重复几次，最终实现Er=Er，这里要注意：当Pr3接收Er时，接收喇叭应处于水平极化位置，当Pr3接收Er时，接收喇叭则处于垂直极化位置。 6.3调整相位，接收喇叭转角a=45，移动Pr2位置改变Er与Er的行程相位差，当Er与Er反相时，输出指示为零，而在a=135处接收最大，此时即接收一个同幅反相的两线极化波合成