电磁波反射与折射的研究

电磁波反射和折射的研究一．实验目的1．研究电磁波在良导体表面的反射；2．研究电磁波在良介质表面的反射和折射；3．研究电磁波全反射和全折射的条件。二．实验原理：1．电磁波斜入射到不同介质分界面上的反射和折射如图1所示，平行极化的均匀平面波以角度入射到良介质表面时，入射波、反射波和折射波可用下列式子表示为图1.平行极化波的斜入射示意图入射波：)cossin(m1)sincos(zxjkzxeEaaE)cossin(1m1zxjkyeEaH反射波：)cossin(m//1)sincos(zxjkzxeERaaE)cossin(1m//1zxjkyeERaH折射波：)cossin(m//t2)sincos(zxjkzxeETaaE)cossin(2m//t2zxjkyeETaHE+Et⊙⊙⊙E-zxH+H-Ht式中，222111222111,,,kk利用分界面上（z=0）电场和磁场切向分量连续的边界条件，可得斯耐尔反射定律：和斯耐尔折射定律：21221121021sinsin时kk并计算出平行极化波的反射系数R//和折射系数T//：coscoscoscos2121//Rcoscoscos2212//T类似地，可求出垂直极化波的反射系数和折射系数：coscoscoscos1212Rcoscoscos2122T2．全折射发生的条件：全折射也即没有反射波，发生全折射的条件可通过令反射系数为零得到。（1）对平行极化情形，令0//R，可得全折射时的入射角：1212121Ptansin该入射角称为布儒斯特角。可以证明，此时的折射角P90。可见，若电磁波以角度P入射到厚度为d的介质板表面，则211Pcossin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所示。对垂直极化波，类似的推导结果表明，其不会发生全折射现象。图2介质板全折射示意图（2）对垂直入射情形，0，反射系数和折射系数变为2121//R212//2T显然，当21时，也即在同一种媒质中，电磁波是全折射的，并无讨论意义。当2具有一定厚度d，且2两侧同为空气时（031），如图3所示，利用传输线输入阻抗的概念和公式，得到1、2分界面上的输入阻抗)tan()tan(2322232indkjdkjz当in1z时，可实现无反射，其条件为2r0222d满足该条件的介质板称为半波长无反射介质板。图3垂直入射介质板时全折射示意图（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，0,1,1//TRR。1，02，01，0d1，02，01，0d注：全反射在介质界面也是可以发生的，只是要求必须是从光密媒质入射到光疏媒质中，实际测量时，装置都处于光疏媒质中，所以不便实际测量。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，1.5mm玻璃板。四、实验步骤与操作方法A．全反射角的测量（1）将DH926B型微博分光仪的两喇叭天线口面互相正对是，取向一致，它们各自的轴线应在同一条直线上，指示两喇叭天线位置的指针分别指于工作台的0-180刻度处。（2）开启DH1121B型三厘米固态信号源，用接收天线前衰减器调节接收信号场强，使场强最大值为电流表满量程的80%（80μA）。（3）将反射金属板垂直放到支架上，应使金属平面投切到支座下面的小圆盘上的90-90刻度上（垂直投切波轴）。（4）转动反射金属板，形成一个30°的入射角；同时转动DH926B型微波分光仪的活动臂，使得反射角同为30°，采集第一点信号并填入表3-1相应格中，然后顺时针转动DH926B型微波分光仪的活动臂，以每5°的角度增量改变入射角，同时转动DH926B型微波分光仪的活动臂，以每5°的角度增量改变反射角，采集各点信号并记录在表格中，直到角度为80°。【要点】接收，发射天线一定保持在一条直线上，入射角与反射角从30°~80°以5°增量进行改变。（5）精细采集。上述采集完成后，通过记录找出场强最大点处角度值，以该角度值为中心点，向前，向后各扩展5°，然后以每1°的角度增量同步改变入射角与反射角，采集各点信号并记录在表格中，形成11点数据记录，将其中最大值处的角度值填入表中，便可得到全反射角。B.全折射角的测量（1）将DH926B型微波分光仪的两喇叭天线口面互相正对是，取向一致，它们各自的轴线应在同一条直线上，指示两喇叭天线位置的指针分别指于工作台的90-90刻度处。（2）开启DH1121B型三厘米固态信号源，用接收天线前衰减器调节接收信号场强，使场强最大值为电流表满量程的80%（80μA）（3）将有机玻璃介质板垂直放到支架上并固定，应使介质板平面投切到支座下面的小圆盘上的90-90刻度上（平行投切波轴），使得介质板的法线为0°。（4）顺时针匀速缓慢转动DH926B型微波分光仪的转盘，以改变电磁波的投射角，同时观察接收场强信号，找到信号最大点，记录到表3-2中。（5）依据折射角″=90°—p（布儒斯特角）的定义，计算出全折射角。表1厚度入射场全折射折射角2dE01计算值测试值E’01E02计算值测试值3mm表2角度30°35°40°45°50°55°60°65°70°75°80°电流值细化角度电流值全反射角