电磁场与电磁波实验指导书2012

1、实验一、电磁波参量的测量实验目的：在学习均匀平面电磁波特性的基础上，观察电磁波传播特性如E、H和S互相垂直。熟悉并利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长人，并确定电磁波的相位常数P 和波速u。了解电磁波的其他参量，如波阻抗H等。实验仪器：DH1211型3cm固态源1台DH926A型电磁 波综合测试仪1套XF-01选频放大器1台PX-16型频率计实验原理两束等幅、同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内从相同(或相反)方向传播时，由于初始相位不同，它们相互干涉的结果，在传播路径上形成驻波分布。通过测定驻波场节点的分2兀布，求得波长人的值，由P= 、号Xf得到电磁波的主要参数：P、u设P 0入射波为

2、:E = E0e - /伽当入射波以入射角。向介质板斜投射时，在分界面上产生反射波E,和折射波E。设入射波 为垂直极化波，用R表示介质板的反射系数，用to和T*表示由空气进入介质板和由介质板进入空气的折射系数。可动板P2和固定板P1都是金属板，其电场反射系数为-1，则P3处 的相干波分别为：巾=。(L +L ) =。L TOC o 1-5 h z 1r1r318 = + L ) =。(L E+ L + L )r 2 r 3r 3r 1其中，AL = L L21因为L1是固定值，L2则随可动板位移口 L而变化。当P2移动口 L值时，使P3具有最大输出指示时，则有E和E为同相叠加；当P移动 L值，

3、使P具有零值输出指示时，必有E r1r2r2r3r1和E反相。故可采用改变P的位置，使P输出最大或零指示重复出现。 r2r2r3在P处的相干波合成E = E + E = RT T E (e-% + e-%) r 3rr1r 21 10 18 i或写成E =-2RT T E cos(虹土)e-j(吟)式中口巾二巾-8 =P L HYPERLINK l bookmark29 o Current Document r1 10 18 i212为测准入值，一般采用P零指示办法，即 r3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 8口8丸cos( ) = 0或=(

4、2n +1)n=0.1.2. n表示相干波合成驻波场的波节点(E,= 0)处。除n=0以外的n值，表示相干波合成驻波的半波长数。将n=0时E,= 0的驻波节点作为参考位置10:卅=X 口人故（2n + M = X L4、实验内容1）了解并熟悉电磁波综合测试仪的工作特点，使用方法，特别要熟悉与掌握利用相干波原 理测试电磁波波长的方法2）了解3cm固态源的使用方法和正确操作。、3.）电磁波E、H和S三者符合右手螺旋规则，向七传播的波应有：E= y Ey ,H=- x H一 一 E 2S=E x H= z E H = z 14）测入值移动可动板P2，测 值，根据测得值，计算X、6、u的值。（单位：m

5、m）l0110211111212112213113210111213微安表零指示n +1 = 4可移动板总位移 1 = 1 -1 =30自由空间波长12 1X =-n波的相位常数。=等-X自由空间波速u = X / -（m/s）实验二、均匀无耗煤质参量的研究实验目的应用相干波节点位移法来研究均匀无耗媒质参量(七)的测试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 气P0c的差别熟悉均匀无损耗媒质界面对电磁波的反射和折射特性实验原理与说明设P接收喇叭的平面波因子表达式有E = E e-沦 r 3r 20 r 2由于P 2处存在厚为w的媒质板，使Eri和E,2之间的相位差为2兀巾2。w =

6、人 x 2w =。/ x 2w巾=。x 2w这里口小0为,板不存在时，相应距离2w所引起的相位滞后，因此得到Z W时，,内总的 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 相位。滞后值为口8 得广(1+ W-)2由式得人亳=源,1 + W2 兀 L、p=T = po(1+ W)c c r v r(1+ 当Lrr3.实验内容测试计算值R = （1奸）/（1+ 妃）（无 8 r 时）13 （有8时）l l 人=2 x o 3 3P = 2兀/人0010 （有8时）Al = l l，008 = （1+Al / 仞2人=人/ J8。=

7、叩四V = c / 8R = （1 ）/（1+巧）(1)(2)(3)实验三、电磁波反射与折射的研究首开记录实验目的研究电磁波在良好导体表面的反射研究电磁波在良好介质表面上的反射和折射研究电磁波全反射和全折射的条件实验原理与说明(1)电磁波斜投射到不同媒质分界面上的反射和折射如图所示，在媒介分界面上，有一平行极化波，以气入射角斜投射时，入射波、反射波和折射波的电磁场可用下列公式表示:入射波场：E = E 3 sin。+ z cos。)e-/P1(-cosei+雨叶)10111反射波场：折射波场： 一 EH = y01 e-jP1( - X cos+x sin e1)1 门1、E = E (xsi

8、n。 + zcose ,)e-/P1(xcose1+ xsine1) 一 EH = y01 e - j叩 x cose；+x sine；)门1E = E (xsine + zcosO )e-jp2(cose2+zsine2) 一 EH = y 02 e- jP2(-Xcose2 + Xsin02) 2.以上各式中，门门分别表示在两种媒质中的波阻抗。由边界条件可知，在分界 1 2面上x=0处，有E/ 如,H广 %，同时，三种波在分界面处必须以同一速度向z方向传播，即它们的波因子必须相等，则有:P sin 0 =8 sin 01111P sin 0 = P sin 01122.由得IT上式表明，媒

9、质分界面上反射角等于入射角，即反射定律。由得 sin0 =2 sin0 = : *0匕 =%sin0 =sin02 p 1 巾 u 1 /1上式即折射定律或斯耐尔定律在x=0处，把式和式代入式，并根据E广&(E E )cos 0 = E cos0.11.01011022-(E E ) = E 12门 0101 门 02对上两式联立求解，得平行极化波在媒质分界面上的反射系数5与折射系数T 分别为r =E_门 cos0一门 cos013刀力：口E 门 cos0+门 cos0 0111222q cos0a.T =,丈 二22 二口 门 cos0 +门 cos014下面对平行极化波在媒质分界面上全折射

10、的条件进行分析垂直极化波的全折射时I =% = 0，及cos01 = cos02 = 1，则有R =Q口 门+门1215T2qT =3口 门+门1216显然，只有n =n时才有折射，即 =，这是无意义的，当两侧同为空 12122气，即1 =3时，这时要实现全反射的传播，对就有特殊要求。可利用传输线输入阻抗的概念和公式，得到分界面上的输入阻抗n + jn tg(p d)z =n T22讯 2 n2 + jn3tg (p2 d)式中门=门，及P =-,入,-2，为使波经，并能全部进入实132 入 2:122现无反射，必须满足等式气=知，由此得到17根据式17, d值已定，选择合适的工作波长X。就可

11、根据全折射的条件，选择所需媒质的 r 2值。若被测媒质 r2=2.54, X = 32mm，要实现无反射的传输，其厚度应为dT.4mm可见，应取聚苯乙烯板厚dTOmm,气=32mm，我们称这种介质板为半波长无反射媒质板，如图所示斜投射时的全反射，这时有R = 0颗爬。1 =门2*q = 0,利用式12可得到 全折射时的入射角0 =0 = arcsin（Y1）18全折射角。以又称布儒斯特角，它表示在1内传播的波在罕2分界面上实现全 折射时的入射角，如下图所示可以证明，在媒质分界面上出现全折射时，。以与七之间有如下关系兀cos（0 +0 ） = 0 或0 +0 = .19因此，当入射角q 0沉时，

12、在媒质分界面上就不出现反射波了。由以上分析还可证明，平行极化波的全折射现象，既可出现在波由光疏向光密媒质传播，也可出现在波由光密向光疏媒质传播的情况。光由光疏向光密斜投兀兀射时有。以+02 =万，波由光密向光疏斜投射时有o 2 +0二亍我们利用这一特性，取介质板厚为d,其相对介电常数为 ，如图所示，只要有 r 20 0 = arcsin（ J r2就可以另一侧接收到全部信号。1P1， +r 2对于垂直极化波，因一般媒质 a %，在斜投射时不存在全折射现象3.实验内容及设备（1）良好导体表面对电磁波反射特性的测试入射场E 01=40入射角0120。30。40。50。60。70。80。85。反射角

13、0120。30。40。50。60。70。80。85。反射场E 01（2） 电磁波斜投射时，良好介质全折射的测试布儒斯特特角0广七1*响（:占）I 12厚度入射场0 arcsin( 14) p【 +全折射折射角0 2d气1计算值测试值E01E02计算值测试 值(3)电磁波垂直投射，不同厚度的良好介质折射与全折射的测试一人 人无反射条件d 0=22普r入射场E广40介质折射波场E总厚度d(mm)一薄一厚一薄一厚两厚实验四圆极化波特性的研究首开记录.实验目的研究右旋、左旋圆极化波的形成、辐射和接收过程。研究右旋、左旋圆极化波的反射和折射特性及其测试方法 .研究原理与说明(1)辐射过程：欲使气在长为L

14、的介质片圆波导内传播后形成圆极化波，首、先必须使介质片法线方向n与y轴夹角成45。，使Er的两个分量气与E 的幅度相等。其次，介质片长度L选择合适，使En与E经L传播后相位 相差为?，最终形成圆极化波并经圆喇叭向空间辐射。接收过程：欲接收右旋圆极化波，则它经过充有长为L的介质片圆波导后，实现En与E同相叠加。无论是右旋或左旋圆极化波的接收，都需满足n 1 n的条件。右旋或左旋圆极化的反射和折射特性。今后以左旋圆极化波垂直投射到介质板表面，则反射波因传播方向改变，成为左旋 圆极化波。可见，右旋圆极化波经反射后形在左旋圆极化波，这时须用左旋接收喇 叭接收，而折射波的方向不变，仍属右旋圆极化波，这时应用右旋接收喇叭。三.实验1.圆极化波随圆度e的调整与测试。无论是右旋或左旋圆极化波，Em | =|e,J,即e=1，实际上e 0.95就算不错。把辐射与接收右旋或左旋圆极化波的装置，都作辐射圆极化波的源，接收时用矩形喇叭缀 轴转360。，编号圆极化转角a接收Imax接收I min椭圆度e1右