《电磁场与电磁波》实验指导书

北方民族大学BeifangUniversityofNationalities《电磁场与电磁波》实验指导书主编赵霞校对楚栓成北方民族大学电气信息工程学院二○一五年八月目录电磁场与电磁波实验系统介绍……………………………………………………………3实验一电磁波参量的测量…………………………………………………………6实验二电磁波的极化特性……………………………………………………………8实验三电磁波反射与折射………………………………………………………11《电磁场与电磁波》实验系统简介一、概述ＤＨ９２６B型微波分光仪可作为电磁场与波的波动实验，适合于高等院校和中等专业学校作教学实验。因此，《电磁场与电磁波》实验系统就采用了现已经有的ＤＨ９２６B型微波分光仪作为本课程的实验系统。二、实验系统简介：本实验系统主要由ＤＨ９２６B型微波分光仪和DH1121B3cm固态信号源组成。1.微波分光仪（如图一所示）图一微波分光仪（1）微波分光仪成套配置序号名称数量序号名称数量1分度转台19双缝板12喇叭天线210半透射板13可变衰减器111模拟晶体（模拟晶体及支架）14晶体检波器112读数机构15检波指示器113支座16视频电缆及微安表114支柱17反射板215模片18单缝板1（2）主要元件性能喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是200，E面是160。当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏损方向是垂直的。可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大。晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号（当微波信号幅度用低频信号调制时）。当以上这些元件连接时，各波导端应对齐。如果连接不正确，则信号传输可能受破坏。（3）安装与调整（参照图一所示）本仪器为了便于运输、包装，出厂包装时将分度转台做了必要的拆卸，用户在使用前需做如下安装与调整。①基座（即喷漆的大圆盘）的安装：将Φ40.5的孔向上，将四个支脚按图安置在基座上。②固定臂的安装：在包装箱中有固定臂取出，将固定臂头部的4个M5螺钉通过基座（即喷漆的大圆盘）。四个沉孔拧入固定臂上并将指针摆正。③活动臂的安装：将喷漆的大圆盘上的两个M3螺钉松开后，将活动臂上的三个M4螺钉拧紧，再把两个M3螺钉拧紧，使活动臂能自由旋转。拧紧大头螺钉即可使活动臂固紧，松开大头螺钉即可使活动臂自由旋转。④铝制支柱的安装：包装箱内有四根不同长度的铝制支柱，将其中最长的一根旋入固定臂螺孔中。次长的一根旋入活动臂（即可水平摆动的臂）螺孔中。次短的一根在做麦克尔逊干涉实验时再旋入基座的螺孔中，实验完成后随时取下。最短的一根旋入读数机构中的滑行螺母上的螺孔中。⑤发射和接收喇叭天线的安装：将发射喇叭天线通过上面的Ф10钢柱插入旋在固定臂上的铝制支柱的Φ10孔中，并大致使喇叭天线口对正工作平台中心（既刻有00～1800～00的圆盘）然后将铝制支柱上的大头螺钉拧紧。将固态信号源的振荡器（带隔离器）用M4×8的螺钉固定在喇叭天线的短波导段上。接收喇叭天线用4个M4×8的螺钉将检波器固定在一个可旋绕天线轴线旋转的波导段上。（可变衰减器的安装可根据用户的使用习惯，将其接在发射喇叭天线和振荡器之间或接收喇叭天线与检波器之间。）连接好后，通过波导段上的Φ10钢柱插入活动臂上铝制支柱的Φ10孔中，并大致使喇叭口对正工作平台中心，拧紧大头螺钉。将微安表用它支架上的大头螺钉装在活动臂M4螺孔中，视频电缆的两端分别接在检波器插座上，和微安表背面的接线柱上。⑥整机机械调整：首先旋转工作平台使00刻线与固定臂上指针对正，再转动活动臂使活动臂上的指针对正在工作平台1800刻线上，然后将安装在基座上的滚花螺钉拧紧，使活动臂不易自动摆动（即锁紧）。用一根细线绳，拉紧在发射，接收两个喇叭天线之间，先使喇叭天线上刻的短刻线（每个喇叭上和法兰上都有刻线）成一直线。这可以细绳为准绳，通过水平转动两个天线的角度来实现。然后，用一块反射板（本仪器所带的成套件）或一块大三角板垂直放在工作平台上，并使垂足通过工作平台中心。此时，着细线是否正与反射板或三角板垂直平台平面的一边正好靠上（允许误差上2mm）。如不符合规定要求，可重新调整固定臂的安装角度和指针，也可稍微摆动活动臂，使细线正与垂边靠上，然后调整活动臂上的指针位置，使其正指1800。2.DH1121B3cm固态信号源DH1121B型三厘米固态信号源是一种使用体效应管做振荡源的微波信号源（如图二所示），它能长期工作、耗电少、体积紧凑、功率输出较大、价格低廉、能输出等幅信号及方波调制信号，适合于实验室、工厂、教学及工业检测等场合使用。图二仪器的外形（1）主要技术特性频率范围：8.6～9.6GHz频率稳定度：在等幅工作状态下（仪器预热30分钟后）；≯5×10-4／15min在等幅工作状态下，电源电压变化±10%，频率变化≯5×10-4功率输出（等幅工作状态）：不小于20mW工作方式：等幅波输出形式：波导型号BJ-100;法兰盘型号FB-100使用条件：环境温度0℃～40℃；相对湿度20～90%连续工作时间：8h功率消耗：仪器满负荷时最大功耗不大于25VA电源电压：交流220V±10%,50Hz（2）工作原理DH1121B型三厘米固态信号源由振荡器、隔离器和主机组成。体效应管装在工作于TE10模的波导谐振腔中。调节振荡器的螺旋测微器，可改变调谐杆伸入波导腔的深度，从而连续平滑地改变微波谐振频率。调节位于波导腔前面法兰盘中心处的调配螺钉，可使波导腔与外电路实现最佳耦合。隔离器保证振荡器与负载间的匹配与隔离，使微波输出的频率和功率更加稳定。通过仪器面板上的按键可方便地选择振荡器的工作方式为连续波或方波调制。三位半数字表实时显示振荡器的工作电压和电流。仪器使用集成稳压电源供电，具有过压过流保护功能，工作稳定可靠。振荡器/隔离器单元与主机通过快速航空插头相连。振荡器/隔离器单元可单独与用户系统连接，使用方便灵活。（3）使用说明①开机前，先不要将固态源振荡器连线插入主机的“输出”插座。按下“电源”按键，此时数字表应发亮,“工作状态”按键在“等辐”状态时，在电压指示状态下，电表应指示12V左右，再按下电流指示，指示应接近零，此时证明电源是正常的。②为防止意外，应关闭电源，再将固态源振荡器的连线插入电源机箱的“输出”插座内，然后按下“电源”按键固态源便开始振荡，微波能量从波导口输出。③调节测微头可改变振荡器的输出频率，用测微头读数可简易确定振荡器的频率，（用”频率—测微器刻度对照表”）。如用户希望精确确定振荡器的频率，请外接频率计或波长计确定振荡器的频率。④按下“方波”键，固态源的输出接晶体检波器，用示波器观察晶体检波器的输出波形。如输出波形不满意，可以用改锥调节面板上的微调至方波输出波形满意为止。（方波输出波形出厂时已调好）实验一电磁波参量的测量（综合性实验）一、实验目的（1）掌握电磁波的波长、频率、相位常数等参量及意义。（2）熟悉电磁波各参量的相互关系。（3）学会电磁波波长的测量。二、实验仪器与器材1.DH926B型微波分光仪2套2.DH1121B3cm固态信号源1台3.固定反射板1个4.可移反射板1个三、实验基本原理及电路本实验主要是利用DH926B型微波分光仪和DH1121B3cm固态信号源实验系统采用迈克尔逊干涉实验的实验的方法进行电磁波的波长测量。迈克尔逊干涉实验的基本原理见图一，在平面波前进的方向上放置成450的半透射板。由于该板的作用，将入射波分成两束波，一束向A方向传播，另一束向B方向传播。由于A、B处全反射板的作用，两列波就再次回到半透射板并到达接收喇叭处。于是接收喇叭收到两束同频率，振动方向一致的两个波。如果这两个波的位相差为2π的整数倍。则干涉加强；当位相差为π的奇数倍则干涉减弱。因此在A处放一固定板，让B处的反射板移动，当表头指示从一次极小变到又一次极小时，则B处的反射板就移动λ／2的距离．因此有这个距离就可求得平面波的波长。A(固定反射板)发射喇叭接收喇叭B(可移反射板)图一迈克尔逊干涉实验四、实验内容及步骤内容：1.组建迈克尔逊干涉实验系统。2.认知实验系统中的各波导元件及功能特点。3.熟悉固态信号源的使用方法。4.用迈克尔逊干涉的实验方法测量电磁波的波长。步骤：1、组建迈克尔逊干涉实验系统。实验仪器布置如图二；使两喇叭口面互成900。半透射板与两喇叭轴线互成450，将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上，使其固定在底座上，再插上反射扳，使固定反射板的法线与接受喇叭的轴线一致，可移反射板的法钱与发射喇叭轴线一致。图二迈克尔逊干涉实验的仪器布置2、在实验时。将可移反射板移到读致机构的一端，在此附近测出一个极小的位置，然后旋转读数机构上的手柄使反射扳移动，从表头上测出（n＋1）个极小值，并同时从读数机构上得到相应的位移读数，从而求得可移反射板的移动距离L。则波长nL2五、实验要求1.熟悉实验电路，了解实验过程及测试方法。2.自制测试表格，观测电流表的变化和数值，读取读数机构的位移读数，并填写记录表。3.整理实验数据，并计算波长。4.分析实测波长与理论波长的误差原因。六、实验思考题1.实验中的极大值和极小值是否反映了电磁波的驻波情况，为什么？2.在实验系统中，A点和B点处发生了什么现象？为什么？信号源工作波长32mmn+112345位移读数5个点的计算波长λ14个点的计算波长λ2自由空间的波长λ=（λ1+λ2）/2波的相位常数波速v实验二电磁波的极化特性（综合性实验）一、实验目的（1）熟悉电磁波的极化的概念。（2）学会电磁波极化的测试方法。二、实验仪器与器材1.DH926B型微波分光仪2套2.DH1121B3cm固态信号源2台3.固定反射板1个4.可移反射板1套三、实验基本原理及电路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。若：水平极化波Ex=Exmsin(wt-kz)垂直极化波Ey=Eymsin(wt-kz+δ)其中Exm、Eym分别是水平极化波和垂直极化波的振幅，δ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Ex=Exmsin(wt)Ey=Eymsin(wt+δ)综合得aEx2-bExEy+cEy2=1式中a、b、c为水平极化波和垂直极化波的振幅Exm、Eym和相角δ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。实验一所设计的半波振子接收（发射）的波为线极化波，而最常用的接收（发射）圆极化波或椭圆极化波的天线即为螺旋天线。实际上一般螺旋天线在轴线方向不一定产生圆极化波，而是椭圆极化波。当单位长度的螺圈数N很大时，发射（接收）的波可看作是圆极化波。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右旋圆极化波，反时针方向旋转的波称为左旋圆极化波。右旋螺旋天线只能发射或接收右旋圆极化波，左旋螺旋天线只能发射或接收左旋圆极化波。判断方法：沿着天线辐射方向，当天线的绕向符合右手螺旋定则时，为右旋圆极化，反之为左旋圆极化。四、实验内容及步骤内容：1.组建电磁波极化实验系统。2.熟悉固态信号源的使用方法。3.用旋转接收天线的角度的方法验证极化方式和极化匹配。步骤：1、实验仪器布置如图一所示。图一电磁波极化实验的仪器布置2、两喇叭口