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场波实验教程
电磁场理论实验讲义
信息与通信学院
电磁场实验系统介绍
电磁波和光波一样,都具有波动的性质,即能产生反射、折射、干涉和衍射等现象,DH926型电磁波综合测试仪(又称为微波分光仪),正是利用金属板、金属栅、介质板等引起电磁波反射,极化等效应,完成电磁波特性的研究与测量。
DH926型电磁波综合测试仪组成如下图所示。
序号名称数量
1分度转台1
2三厘米固态信号源1
3喇叭天线2
4可变衰减器1
5晶体检波器1
6100uA表头1
7反射板2
8介质板1
9读数装置1
实验一电磁波参量的研究
一、实验目的
熟悉和掌握利用相干波原理测量自由空间电磁波波长λ,并且确定电磁波相移常数β和波速v的方法。
二、实验内容
1.熟悉电磁波综合测试仪的特点和使用方法。
2.了解相干波测量波长的原理及方法。
3.用手动方法测量波长λ、β与v。
三、实验原理
当两束等幅、同频率的均匀平面波在自由空间中同向或反向传输时,由于相位不同,二者相互干涉(叠加)。
本实验利用相干波原理,通过调整两束同频、同向、等幅电磁波的波程差,使其相位差为π时,两束波相互干涉抵消,正是根据这一特性通过测量空间中电磁波的分布,来确定电磁波波长的,波长测定后,再由
(1-1)
得出电磁波的主要参数。
下面再说明一下利用电磁波综合测试仪测量波长的原理及方法。
如下图所示,设入射波为垂直极化波。
(1-2)
式中γ为广义的距离坐标。
图1-1相干波测波长装置示意图
当此入射波以入射角θ斜入射到介质板界面上时,将会在垂直于Pr1、Pr2面方向上形成反射波与折射波,由于Pr1、Pr2板为良导体板,反射波与折射波被Pr1、Pr2板全反射,从而形成了两束同频的平面电磁波。
这两束波再次斜入射到介质板上,通过反射与折射,在Pr3接收喇叭天线入射方向上形成两束波。
设R⊥为介质板反射系数,T⊥0、T⊥ε分别为空气进入介质和由介质板进入空气时的传输系数,在一次近似条件下,Pr3喇叭接收的两束波为
(1-3)
可见为两束等幅同频的均匀平面波,满足了相干波原理的要求,式中相位由下图可见为
(1-4)
接收喇叭处的合成波为
图1-2相干波形成的波形分布图
(1-5)
测量过程中,
固定不变,L随Pr2板移动而变化,因此△L也是变化的,由上式可见,当△L变化使得
(1-6)
时,接收喇叭输出为零(100uA表头指示为0,即零点),其中
(1-7)
图1-3利用读数装置测量波长的原理
如图1-3所示,令Lr1=L′,读数装置0刻度端到介质板中轴线的距离为Lj,Lr2=Ln+Lj。
以n=0为参考点,利用等偏移法测得L0为第1个零点(电流表指针为0),则
(1-8)
由上式可以得出
(1-9)
L1、L2、L3、L4分别为测量得到的第2-5个零点。
可见,两相邻零点之间的△Ln-1,n为λ/2,于是
(1-10)
理论上,n越大,测量越精确,实际测量中只需测出数个零点就可以了,比如n=4,则
(1-11)
四、实验步骤
1.按图1-1将DH926组合成测波长,相移常数的状态。
2.参看频率刻度表,调整振荡器旋钮,设置频率f=9.37GHz。
3.打开信号源,检查电压是否为12V,信号源工作状态是否为等幅,然后根据测量原理,转动读数装置,参照图1-4所示,利用等偏移法(1-12)式测得第一个零点L0并记录(读到小数点后2位)。
(1-12)
4.继续转动读数装置,分别测出第2-5个零点L1-L4并记录,然后填入表1-1中。
表1-1
L0
L1
L2
L3
L4
L0+
L0-
L1+
L1-
L2+
L2-
L3+
L3-
L4+
L4-
—
△L0,1
△L1,2
△L2,3
△L3,4
5.利用式(1-11),计算出λ的值,再根据式(1-1)计算出β和v。
6.继续调整振荡器旋钮,设置频率f=9.20GHz,重复步骤1~5,计算出λ及β和v。
7.综合2组数据,将实验结果填入表1-2中。
表1-2
λ
β
v
f=
f=
五、实验报告内容
1.实验目的
2.实验原理
3.实验结果数据表
4.对实验结果进行分析(重点分析影响测量结果的因素)
附录:
等偏移法
如图1-4所示,为了准确找到电流表零点对应的L值,须采用等偏移法,具体步骤为:
通过旋转读数装置旋钮,使电流表指针回偏一个X值,对应读数装置的L-,同理再使电流表指针回偏一个X值,对应读数装置的L+,然后利用下式得出L的值。
图1-4等偏移法图示
实验二/三电磁波反射和折射特性的研究
一、实验目的
●研究电磁波在良导体表面的反射;
●研究电磁波在良介质表面的反射和折射;
●研究电磁波全反射和全折射的条件。
二、实验原理
设一平行极化的平面波以角度θ斜入射到媒质分界面上,如图2-1所示,根据电磁场理论,媒质1中将存在
方向上的反射波,媒质2中则出现
方向上的折射波(
为折射角),电磁场量分别为
图2-1平行极化波斜投射时各场量在分界面上的值
入射波:
反射波:
折射波:
式中,
利用分界面上(z=0)电场和磁场切向分量连续的边界条件,可得斯涅尔(Snell)反射定律:
和斯涅尔折射定律:
反射系数
传输系数
下面我们分几种情况讨论一下。
1)全反射
这时
=1,发生全反射的临界角为
因为
,所以只有ε1≥ε2,即电磁波从光密媒质进入光疏媒质时才会发生全反射(良导体情况除外)。
2)全折射
这时要求
=0,于是将发生全折射时的入射角,即布儒斯特(Brewster)角为
全折射时的折射角为
可见折射角
;若电磁波以角度P入射到厚度为d的介质板表面,则
这正是电磁波由2到1的全折射条件。
因此,当电磁波以布儒斯特角从介质板的一侧入射时,在介质板的另一侧可接收到全部信号,如图2-2所示。
当ε1>ε2,
折射波方向离开分界面的法向;当ε2>ε1,
折射波方向靠向法向。
图2-2介质板全折射示意图
3)
电磁波斜入射到良导体表面的反射
良导体的特性近似于理想导体,电磁波投射到良导体表面时,可认为发生全反射,此时,
三、实验仪器
DH926B型微波分光仪,喇叭天线,DH1121B型三厘米固态信号源,DH926AD型数据采集仪,计算机,良导体反射板,玻璃板
四、实验步骤
1)反射角测量
●两喇叭口面应互相正对,使它们各自的轴线处于同一条直线上,此时两喇叭位置的指针应分别指示于工作平台的0和180刻度处。
●调整发射、接收喇叭同为水平极化。
●将支座放在工作平台上,并利用平台上的定位销和刻线对正支座,拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下,将支座压紧。
●将反射全属板放到支座上时,应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的90°-90°这对刻线一致。
这时小平台上的0°刻度就与金属板的法线方向一致。
●转动小平台,将固定臂指针调到30°~65°角度之间任意一位置,这时固定臂指针所对应刻度盘上指示的刻度就是入射角的读数。
●开启DH1121B型三厘米固态信号源。
●转动活动臂,当电流表显示出的最大指示时,活动臂指针所对应刻度盘上指示的刻度就是反射角的读数。
如果此时表头指示太大或太小,应调整系统发射端的可变衰减器,使表头指示接近满量程。
●连续选取几个入射角进行实验,并在表2-1中记录入射角和反射角。
●改变发射和接收喇叭为垂直极化,重复上述实验。
2)良好导体表面对电磁波反射特性的测试。
首先,不加反射板,测出入射场E01(如用选频放大器做指示,调至满度值100)。
其次,加良导体反射板(用铝金属板300×300mm2),改变入射波的入射角θ1(入射场E01不变),测出反射角
时的反射场
。
把有关测试数据填入表3-2中。
3)全折射测量
测试良好介质的全折射(或称无反射),我们采用平行极化波工作状态,为此,须将电磁波综合测试仪的辐射喇叭(Pr0)与接收喇叭(Pr3)置于平行极化工作状态。
对于测试良好导体的全反射,我们同样采用平行极化波工作状态。
测试装置示意图2-3所示。
图2-3反射、折射测试装置示意图
1.电磁波斜投射时,良好介质全折射的测试。
首先,转台上不放介质板,调整发射与接收天线,使得E01=E02用,(接收天线发射天线在一直线上)。
然后用厚度d=3.2mm的有机玻璃板,放置在测试仪平台支座上,然后改变波对介质板的投射角(转动平台,而接收与辐射喇叭总保持在一直线上),使接收的折射波场与入射波场相等,即E01=E02,同时得到斜投射时,反射波场为零的入射角θ1=θ2。
把测试数据填入表2-1。
将辐射与接收喇叭都转动到垂直极化波工作状态,适当改变θ1角度,观察有无全折射(或无反射)现象发生。
表2-1垂直极化
入射场
入射角
20°30°40°50°60°70°80°85°
反射角
反射场
实测
-理论
表2-2水平极化
入射场
入射角
20°30°40°50°60°70°80°85°
反射角
反射场
实测
-理论
表2-3
厚度
入射场
全折射
折射角θ2
d
E01
计算值
测试值
四、实验报告内容
1.实验目的
2.实验数据表
3.分析测试值与计算值之间存在误差的原因
实验四电磁波的极化实验
一、预习要求
1、什么是电磁波的极化?
它具有什么特点?
2、了解各种常用天线的极化特性;
3、天线特性与发射(接收)电磁波极化特性之间的有什么关系?
二、实验目的
1、研究几种极化波的产生及其特点;
2、进行极化特性实验,与理论结果进行对比、讨论;
3、通过实验加深对电磁波极化特性的理解和认识。
三、实验原理
1)极化原理
电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念,它表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性,并用电场强度矢量E的端点在空间描绘出的轨迹来表示。
由其轨迹方式可得电磁波的极化方式有三种:
线极化、圆极化、椭圆极化。
极化波都可看成由两个同频率的直线极化波在空间合成,如图所示,两线极化波沿正Z方向传播,一个的极化取向在X方向,另一个的极化取向在Y方向。
若X在水平方向,Y在垂直方向,这两个波就分别为水平极化波和垂直极化波。
水平极化波:
垂直极化波:
其中Exm、Eym分别是水平极化波和垂直极化波的振幅,
是Ey超前Ex的相角(水平极化波取为参考相面)。
取z=0的平面分析,有
综合得
式中a、b、c为水平极化波和垂直极化波的振幅
、
和相角
有关的常数。
此式是个一般化椭圆方程,它表明由Ex、Ey合成的电场矢量终端画出的轨迹是一个椭圆。
所以:
1、当两个线极化波同相或反相时,其合成波是一个线极化波;
2、当两个线极化波相位差为л/2时,其合成波是一个椭圆极化波;
3、当两个线极化波振幅相等,相位相差л/2时,其合成波是一个圆极化波。
极化波的一个需要重视的地方是极化的旋转方向问题。
一般规定:
面对电波传播的方向(无论是发射或接收),电场沿顺时针方向旋转的波称为左旋圆极化波,反时针方向旋转的波称为右旋圆极化波。
1)喇叭型极化天线工作原理
电磁波极化天线是由方圆波导转换,介质圆波导和圆锥喇叭连接而成。
介质圆波导可做360o旋转,并有刻度指示转动的角度,当TE10波经方圆波导转换到圆波导口面时则过渡为TE11波,并在介质圆波导内分成两个分量的波,即垂直介质片平面的一个分量和平行介质面的一个分量。
适当调整介质圆波导(亦可转动介质片)的角度使两个分量的幅度相等时则可得到圆极化波。
当方圆波导使
的
波过渡到
成为RP波后,在装有介质片的圆波导段内分成Et和En两个分量的波,因Et和En的速度不同,Vc=Vn>Vt=
当介质片的长度L取得合适时,使En波的相位超前Et波的相位90˚,这就实现了圆极化波相位条件的要求;为使En与Et的幅度相等,可使介质片的
方向跟Y轴之间夹角为α=
45˚,若介质片的损耗略去不计,则有Etm=Enm=
Erm,实现了圆极化波幅度条件的要求(有时需稍偏离45˚以实现幅度相位的要求)。
为了确定圆极化波右旋、左旋的特性把
转到
方向符合右手螺旋规则的波,定为右旋圆极化波;把
转到
方向符合左手螺旋规则的波,定为左旋圆极化波。
波极化天线除作为圆极化波工作外,也可作线极化波、椭圆极化波工作使用。
当作线极化波工作时,介质片
转到
轴相垂直(或平行)。
当作椭圆极化波工作时,介质片
到
轴夹角可在α=0~45˚之间。
三实验仪器
DH30002型电磁波极化天线(产品设计为9370MHZ左右使两个分量的波相位差90o)
四、实验内容
1使用方形喇叭形成圆极化波
Pr1为垂直栅网,Pr2为水平栅网,当辐射喇叭Pr0转角45°后,辐射波的场分为E∥与E⊥两个分量,Pr1则反射E⊥分量,而E∥分量透过垂直栅网被吸收;Pr2则反射E∥分量,而E⊥分量透过水平栅网被吸收。
这是转动接收喇叭Pr3,当Pr3喇叭E面与垂直栅网平行时收到E⊥波。
经几次调整辐射喇叭Pr0的转角使Pr3接收到的|E∥|=|E⊥|,实现了圆极化的幅度相等要求。
然后接收喇叭Pr3在E⊥与E∥之间转动,将出现任意转角下|Eα|≤|E∥|(或|E⊥|)。
这时改变Pr2水平栅网适当位置,使Pr3接收的波具有|Eα|=|E∥|=|E⊥|,从而实现了E∥与E⊥两个波的相位差为±90°,得到圆极化波(因为圆极化应该在接收天线任意角度都能得到相同的|E|)。
由于测试条件所限,|Eα|与|E∥|、|E⊥|不可能完全相等,Pr3转角0~360°时,总会出现检波电压的波动,这时虽有Emin/Emax∝
≥0.93,即椭圆度为0.93。
可以认为基本上实现了圆极化波的要求。
2用极化天线实现极化波
3圆极化波反射和折射特性的研究
图2圆极化波反射折射特性原理图
用本仪器可以证实右旋圆极化波经过反射后成为左旋圆极化波,而折射进入另一媒质时仍为右旋圆极化波。
辐射的右旋圆极化波必须用右旋圆极化天线接收。
若用左旋圆极化波天线时,接收天线为零。
相反亦然。
电介质的介电常数
气体
温度(
)
相对介电常数
液体
温度(
)
相对介电常数
水蒸汽
气态溴
氦
氢
氧
氮
氩
气态汞
空气
硫化氢
真空
乙醚
液态二氧化碳
甲醇
乙醇
水
液态氨
液态氦
液态氢
液态氧
液态氮
液态氯
煤油
松节油
苯
油漆
甘油
有机玻璃
140~150
180
0
0
0
0
0
400
0
0
20
0
20
20
16.3
14
-270.8
-253
-182
-185
0
20
20
1.00785
1.0128
1.000074
1.00026
1.00051
1.00058
1.00056
1.00074
1.000585
1.004
1
4.335
1.585
33.7
25.7
81.5
16.2
1.058
1.22
1.465
2.28
1.9
2~4
2.2
2.283
3.5
45.8
3.9-4.1
固体氨
固体醋酸
石腊
聚苯乙烯
无线电瓷
超高频瓷
二氧化钡
橡胶
硬橡胶
纸
干砂
15%水湿砂
木头
琥珀
冰
虫胶
赛璐璐
玻璃
黄磷
硫
碳(金刚石)
云母
花岗石
大理石
食盐
氧化铍
-90
2
-5
20
16
4.01
4.1
2.0~2.1
24~2.6
6~6.5
7~8.5
106
2~3
4.3
2.5
2.5
约9
2~8
2.8
2.8
3~4
3.3
4~11
4.1
4.2
5.5~16.5
6~8
7~9
8.3
6.2
7.5
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
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