电磁波传播特性-南京大学

1、电磁波传播特性董佳婿学号141120021物理学院摘要：本实验通过波导中引发的电磁波进行实验，波长为厘米量 级。应用迈克尔逊干涉仪原理，首先测量电磁波波长，其次测量 电磁波在良导体表面反射情况，得出了一些有意思的结论。提供 定性解释和误差分析，并有一些实验讨论。、引言总述：电磁波传播(propagationt of electromagnetic wave)研究电磁波在地球 环境和口地环境条件卜的传播现象和规律，以及应用问题的一门基础学科。地 球环境包括地球面上及表层下的自然环境和人工建造的环境。这门学科有很强 的实用性，是随着人类在信息、环境和空间等方面的活动需要而发展起来的， 又有基础性。

2、它所涉及的许多问题与地球大气层物理和口地物理密切相关。历史：电磁波传播科学的开拓1864年，J. C麦克斯韦(JamesC. Maxwell) 首先提出了电磁场理论，20多年后，H. R赫兹(HeinrichR. Hertz)电磁波实 验成功，启发人们积极探索利用电磁波实现无线通信的途径。一些著名的科学 家和数学索对地波传播理论进行探索，如A.索末菲尔特(A. Sommerfeld) 建立了无线电波沿平地面传播的基础理论，B.范特波尔(B. VanderPol)和 W.沃森(W. Wotson)建立了无线电波绕导电球形地面传播的基础理论。此 后，有不少科学家对绕地球面传播的理论作出了重大的发展

3、。一些发明家和工 程师发明了电子管，研制了无线电收、发设备，进行了地波传播的研究和试验， 发现地波场强随距离增大而迅速衰减，而且顿率越高衰减越快，地波通信只能 是较近距离的。20世纪的第一个年代.G.马可尼(GuglielmoMaconi)进行了横跨大西洋的 无线电传播和通信试验并获得成功。使有的科学家意识到，在地球大气层上空 可能有一由游离电子组成的层状结构使无线电波返回地球。20世纪20年代， 一些科学家用不同方法观测到了存在于大气层上空的游离电子层，并测得了它 的分层情况，命名为电离层，开创了电离层物理和电磁波在电离层中的传播这 一学科领域，并为建立远距离短波无线电通信以及广播提供了科学

4、依据。、实验目的1、了解电磁波综合测试仪的结构，掌握其工作原理；2、利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长义，确定电磁波的相位常数K和波速*3、研究电磁波在良导体表面的反射。实验仪器三厘米固态信号发生器1台，电磁波综合测试仪1套，反射板（金属板）2块，半透射 板（有机玻璃板）1块。三、实验原理1、电磁波参量的测量变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波，几列电磁波同时在同一媒质中传播时，几 列波可以保持各自的特点（波长、波幅、频率、传播方向等）同时通过媒质，在几列波相遇 或叠加的区域内，任一点的振动为各个波单独在该点产生的振动的合成。而当两个频率相同、 振动方向相同、相位差恒定的波源所发出的波

5、叠加时，在空间总会有一些点的振动始终加强, 而另一些点的振动始终减弱或完全抵消，因而形成干涉现象。干涉是电磁波的一个重要特性，利用干涉原理可对电磁波传播特性进行很好的探索。利 用迈克尔逊干涉原理测量电磁波波长的原理图如图1所示I I ,A （固定反射板）发射喇叭XT7 接收喇叭 b （可移反射板）图i-i迈克尔逊干涉原理由发射喇叭发射出的电磁波，在空间传播过程中，可以把它近似看成为均匀平面波。 在平面波传播的方向上放置一块成45度角的半透明板，由于该板的作用，将入射波分成两 列波，一列经介质板反射后垂直入射到金属板A,被A板反射回来，再经介质板折射后到达 接收喇叭；另一列波经介质板折射后垂直入

6、射到可动金属板B,被金属板B反射回来，也到 达接收喇叭。接收喇叭收到两束同频率，振动方向一致的两列波。两列到达接收喇叭的电磁 波若波程差满足一定的关系，那么这两列波将发生干涉。设到达接收喇叭的两列平面电磁波的振幅相同，只是由于波程不同而在相位上有所差别, 其电场可以表示为：弓=Em。*E2 =其中cp=pz是因波程差而造成的相位差。其合成场强为：E = Ej + E2 = Em 厂 （1 + 邢z ） = 2Emcos y 厂顿与所以，合成波的电场振幅为2EmC0S与当与 = nirji = 0,1,2 时，合成波振幅最大（为2环）；当与=nil + n = 0,1,2 时， 合成波振幅最小（

7、为0）。图1-2相干波着和公,2的分布实际上到达接收喇叭的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波最大振幅不是正好为 2Em,合成波振幅最小值也不是为0。根据以上分析，若固定金属板A,移动金属板B,只改变第二列波的波程，让两列波发 生干涉，当合成波振幅最大时，可得：2nn 2nn当合成波振幅最小时，可得:2伽 + ；) 2(m + 91Z2 =厂工=禾=(” +由最大振幅到最小振幅的最短波程差为：lZ2 - zll = 2若移动金属板的距离为四，则:2 = 4A1实验中，为了提高测量波长的精确度，测量多个极小值的位置，设So为第一个极小值的 位置，Sn为第(n+1)个极小值的位置，L=|S“So|

8、,则波长洋专。电磁波的反射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，以平行折射波为例，反射定律：=（2）折射定律：sinO2 = Vei/62SZ7A2）平行极化波入射到两种媒质分界面上发生无反射（全反射）的条件。平行极化波在 两种媒质分界而上的反射系数R/和折射系数7分别为：cosO sin20r十勺 cosO + l sin202cos07 gT E2 / / / = .印罢 C0S8+ -sin20平行极化波斜入射时发生无反射，即R = 0,应有sin20可以解出无反射时的入射角= Op = arcsin +2Op称为布鲁斯特

9、角。3）垂直极化波不可能产生无反射（全反射）Tl =r cosO + ip- sin20对于一般媒质勺球&，四球代，可以证明，垂直极化波无论是从光疏媒质射入光密媒 质，还是从光密媒质射入光疏媒质，总有cosg g sig, Rl=q,所以不可能发生全 反射。沿任意方向极化的平面电磁波，以0L = 6p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。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Ef = 7，R = 1, |T| =0.电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射。处以一块大的金属板作为障碍物 来研究当电波以某一入射角投

10、射到此金属板上所遵循的反射定律，即反射线在入射线和通过 入射点的法线所决定的平面上，反射线和入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角。实验内容1、电磁波参量的测量（1）整体机械调整，使Pp相向，轴线在同一水平面线上，调整信号电平，使P&表头指示接近满刻度：（2）安装反射板A和B、半透射板C,如图1所示，注意A、B轴向成90。角，C板法向 与A板法向成45。角，并注意反射板A、B的法向分别与Py、Pr的轴向重合。（3）固定A板，用旋转手柄移动B板，使P&表头指示接近零，记下零指示的起始位置。（4）用旋转手栖使B板移动，再从表头上测出n个极小值，同时从读数机构上得到相 应于（3）的起始零指示位置求得

11、反射板移动的距离ALn-AL。，连续测三次，求平均值，取 n=3或4即可。（5）根据测得的ALn-如值，计算;I、昭血值。2.电磁波的反射（1）调试实验装置首先使两个喇叭天线相互对正，它们的轴线应在一条直线上。具体方法如下：旋转工作 平台使0。刻线与固定臂上的指针对正，再转活动臂使活动臂上的指针对正工作平台上的180。 刻线，然后锁定活动臂。打开固态信号源开关，连接在接收喇叭天线上的微安表将有指示, 分别微调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 天线就相互对正了。（2）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相互对正，调整固态信号

12、源，测出入射波电场 Ei （可使微安表指示60阳4）,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90。刻线，这时转台上的0。刻线与导体板的法线方向一致，转动转台改变入射角测量 在反射角。1=务，时的反射波场强马（仍用微安表指示的电流表示），把测试数据填入表2 中，最后可把接收天线转到导体板后（180。刻线处），观察有无折射波。五、实验结果1、电磁波参量的测量首先对电磁波的参数进行了测量，结果如卜.表:实验次数1234微安表零指示次数n+12345口J移动板位移(ALn Lq) /nun20. 5435. 7152. 1668.91波长人=2(ALn AL0)/n/iran32.

13、3631. 3531. 8732.28波长平均值A =以i +义2 +义3 + A4）/4/nun31.96表1电磁波波长的测量千分尺可以精确度小数点后三位，根据有效数字运算法则，所得波长为小数点后三位。 实验用的是937GHz的信玷产生的电磁波，其波长应为人=32.0mm,实验测量所得到的值 为;V = 31.96mm,近似地计算相对误差：IX X相对误差=x 100%X计算结果为为.12%,误差较小，测量值和标准值符合得较好。2.电磁波的反射然后对电磁波的反射进行了测量结果如卜表:入射角们20304050607080反射角21.728.335.250.061.266.165.9入射场强73

14、. 573.573. 573. 573.573. 573. 5反射场强62. 058. 158. 864. 062.358. 122. 8表2电磁波反射的测量实验所得数据来看反射角印与。基本相同，但在入射角达到80。处出现较大误差，将在 误差分析部分予以说明。六、误差分析和结果表示实验中电磁波波长是厘米量级，而到接收器由于实验室限制比较短，而且是通过喇叭形状 波导发出的，所以没有办法满足远场条件，等相位面近似球面。造成了反射角大时，接收到 的电磁波有不少部分是由于球面波传播到接收处的。金属板表面的平滑性会影响电磁波在界面上的反射，理想情况是平行光入射到一个绝对 平滑的界面上，发生反射,但实际情况不可能与理想情况接近，金属板表面可以用肉眼观测 到不平整，以及有灰尘，所以这种误差也是不可以忽略的。故而电磁波通过金属板的反射率 略小于1.我们在电流表上的读数反映了电磁波的电场强度，仪器将电磁波转化为电流的形式来表示 其强