微波与天线实验报告

实验一基本辐射单元方向图一、实验目的基本辐射单元，指的是基本电振子（电偶极子），基本磁振子（磁偶极子），基本缝隙，惠更斯面元等。它们是构成实际天线的基本单元。通过本次实验了解这些基本辐射单元在空间产生的辐射场。二、实验指导实验界面有三个显示区：立体方向图、E面方向图、H面方向图，分别用来显示基本辐射单元在空间产生的辐射场的立体方向图、E面方向图和H面方向图。界面下端有六个按钮：基本电振子、基本磁振子、基本缝隙、惠更斯面元、Return、Help。点击按钮基本电振子，则基本电振子的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见基本电振子所辐射的电磁场强度不仅与r有关，而且与观察方向θ有关。在振子的轴线方向，场强为零；在垂直于振子轴的方向上，场强最大；在其它方向上，场强正比于sinθ。点击按钮基本磁振子，则基本磁振子的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见基本磁振子所辐射的电磁场的空间图形与基本电振子一样，这是因为基本电振子的辐射是振子上电流产生的辐射与基本磁振子的辐射是振子表面切向磁场产生的磁场是等效的。点击按钮基本缝隙，则基本缝隙的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见基本缝隙所辐射的电磁场与基本磁振子完全相同，基本缝隙与基本磁振子是等效的。点击按钮惠更斯面元，则惠更斯面元的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见惠更斯面元所辐射的电磁场在空间是一个对称于面元法线的心脏形方向图。点击按钮Return，返回天线实验总界面。实验二对称阵子方向图分析一、实验目的：通过MATLAB编程，熟悉电基本阵子和对称阵子的辐射特性，了解影响对称阵子辐射的因素及其变化对辐射造成的影响二、实验原理：1．电基本振子的辐射电基本振子（ElectricShortDipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长λ，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天yxzlOIrEHEr线辐射特性的基础。图3-1电基本振子的坐标电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为：22302230001sin()421cos()411sin()40rjkrjkrrjkrHHIlkHjerrIlkEjerrIlkkEAjjerrrE（2-1）电基本振子的辐射场可以分为近区场和远区场。如果kr1即（rλ/(2π)）的区域称为近区，近区场的另一个重要特点是电场和磁场之间存在π/2的相位差，于是坡印廷矢量的平均值为0，能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，所以近区场也称为感应场，本实验不涉及。本实验计算的远区场kr1（即rλ/(2π)的区域称为远区），在此区域内，电基本振子满足条件：23111()()krkrkr则远区场表达式为：sin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEE（2-2）可见场强只有两个相位相同的分量（Eθ,Hφ）。根据方向函数可定义：(,,)(,)60/ErfIr（2-3）可得电基本振子的方向函数为：(,)()sinlff（2-4）根据归一化方向函数定义：maxmax(,)(,)(,)(,)EfFfE（2-5）可得电基本阵子归一化方向函数为：F(θ,φ)=|sinθ|（2-6）将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图(FileldPattern)。方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。在实际中，工程上常常采用两个特定正交平面方向图。在自由空间中，两个最重要的平面方向图是E面和H面方向图。E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。方向图可用极坐标绘制，角度表示方向，矢径表示场强大小。2．对称阵子的辐射对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。一臂的导线半径为a，长度为l。两臂之间的间隙很小，理论上可忽略不计，所以振子的总长度L=2l。对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。图3-2对称振子结构及坐标图由教材可知对称阵子辐射场为cos6060cos(cos)cos()()sinsin()sinjkrljkzjkrmmlIIeklklEjklzedzjer（2-7）根据方向函数的定义，对称振子以波腹电流归算的方向函数为：()cos(cos)cos()()60/sinmEklklfIr（2-8）上式实际上也就是对称振子E面的方向函数~lOl2az30°210°60°240°90°270°120°300°150°330°180°0°30°210°60°240°90°270°120°300°150°330°180°0°30°210°60°240°90°270°120°300°150°330°180°0°l＝0.1l＝0.25l＝0.6530°210°60°240°90°270°120°300°150°330°180°0°30°210°60°240°90°270°120°300°150°330°180°0°30°210°60°240°90°270°120°300°150°330°180°0°l＝0.75l＝1l＝1.5三、实验步骤结果图L=0.6L=0.8L=1.25L=3.05实验三阻抗匹配特性实验一、实验目的：1、熟悉三种阻抗匹配器频率特性2、了解工作频率不等于中心频率时，输入阻抗及反射系数的计算方法二、实验原理：当f≠f0时，三、1/4波长匹配器f=0f=1f=2串联补偿式f=0f=1f=2实验四传输线方程解的物理意义实验一、实验目的1、研究传输线解得组成成分，为下一步学习微波的传输特性打下理论基础。2、研究有耗、无耗两种情况下，传输线上的变化特点。二、实验结果分析1、无耗条件电压电流由此可见，在无耗条件，电流电压的入射波形与合成波形相同，反射波形无影响，都成均匀正弦波。2、有耗条件电压电流由上可得，合成波形开始与入射波形相同后半部分与反射波形相同，中间相交处受二者共同影响，不断变化。实验五传输线的辅助分析一、实验目的二、实验步骤模拟模块一、阻抗Z和导纳Y的换算模块二、反射系数|T|和驻波比的换算模块三、由负载ZL求L处的输入阻抗模块四、由输入阻抗Z0，求反射系数和驻波比模块五、已知负载ZL，求,ZL分别为纯电阻和复电阻。其中Z0=500模块六、已知Z0=50，由ZL求并联单枝节阻抗匹配器模块七、由负载ZL，求并联双枝节阻抗匹配器实验六、电磁波的反射与折射一、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E+Et⊙⊙⊙E-zxH+H-Ht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zxjkyeETaH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）对斜入射情形，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1，02，01，0d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。三、实验模拟图1、理想平面的理想导体表面的反射1，02，01，0d2、理想平面的介质中的反射与折射3、球面的理想导体表面的反射4、球面的介质中的反射与折射实验七、电磁波传播过程虚拟一、实验目的1、了解电磁波传播特性、方式；2、利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长ɤ，确定电磁波的相位常数K和波速v；3、研究电磁波在良导体表面的反射。二、实验原理1、电磁波传播原理：电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将2、电磁波传播方式：地表传播对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。那些走直线的电波就过不去了。只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。天波传播声音碰到墙壁或高山就会反射回来形成回声，光线射到镜面上也会反射。无线电波也能够反射。在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，就象一只悬空的金属盖，电波射到“电离层’就会被反射回来，走这一途径的电波就称为天波或反射波。在电波中，主要是短波具有这种特性。视距传播、散射传播及波导模传播视距传播是指：若收、发天线离地面的高度远大于波长，电波直接从