电磁场理论实验指导书1301

0电磁场理论实验指导书叶明钟顺时施燕晨上海大学通信与信息工程学院2013-01-191注意事项一、实验前应完成各项预习任务。二、实验内容含基础性验证实验和设计性实验。三、开启仪器前先熟悉实验仪器的使用方法。四、实验过程中应仔细观察实验现象，认真做好实验结果记录。五、培养踏实、严谨、实事求是的科学作风。自主完成实验和报告。六、爱护公共财产，当发生仪器设备损坏时，必须认真检查原因并按规定处理。七、保持实验室内安静、整洁和良好的秩序，实验后应切断所用仪器的电源,并将仪器整理好。协助保持实验室清洁卫生,带出自己所产生的赃物。八、不迟到，不早退，不无故缺席。按时交实验报告。九、实验报告中应包括：1、实验名称。2、实验目的。3、实验内容、步骤，实验数据记录和处理。4、实验中实际使用的仪器型号、数量等。5、实验结果与讨论，并得出结论，也可提出存在问题。6、思考题。2实验内容目录（具体实验内容按指导教师安排）1．实验一电磁波的反射与折射2．实验二电磁波辐射能量的分布和电磁波的极化3．实验三电磁波检测天线的设计制作与测试4．实验四电磁波传播特性实验3基础性实验目的：学生通过实验观测加深对电磁场理论课中所述现象和结论的理解,从而有助于对课程相关知识点的掌握。实验一电磁波的反射与折射1.实验目的1、研究电磁波在良导体表面上的反射。2、研究电磁波在理想介质表面上的反射与折射。3、研究电磁波无反射的条件。2.实验原理1).均匀平面电磁波斜入射到两种不同媒质分界面上的反射与折射当平面电磁波以入射角1斜入射于媒质分界面上时，一般既有反射又有折射。今以平行极化波为例，如图1-1所示。xz01,02,iHisˆrHrE2H2E2ˆs112iErsˆ图1-1平行极化波的斜入射图1-2平面波对平面夹层的垂直入射入射场为：)cossin(10)cossin(011111111ˆ)sinˆcosˆ(zxjkizxjkieEyeEzxiiHE反射场为：)cossin(10)cossin(0'1'1'1'11'1'11ˆ)sinˆcosˆ(zxjkrzxjkreEyeEzxrrHE折射场为：11002112d4)cossin(220)cossin(2022222222ˆ)sinˆcosˆ(zxjkzxjkeEyeEzx22HE各场量的关系可利用边界条件确定。在分界面上，即z=0处，E、H的切向分量应连续，即E1t=E2t，H1t=H2t这时三种波在分界面上须以同一速度向x方向传播，也就是它们的相位因子相等（相位匹配条件）：221111sinsinsinkkk由此得'11。这就是反射定律，即媒质分界面上的反射角与入射角相等。以及121121120101212sinsinsinsinsinnnkk这就是折射定律或斯奈尔定律。把z=0处的反射与折射定律所得公式代入分界面上的各场量表达式中，根据E1t=E2t，H1t=H2t我们得到：2020012201001)(1coscos)(EEEEEEriri由此可解出平行极化波在媒质分界面上的反射系数R∥与透射系数T∥分别为221112020//2211221100//coscoscos2coscoscoscosRiirEETEE下面我们分别讨论几种情况：（1）垂直入射这时有012，得212//2121//2TR当媒质2的厚度为d，且2rr，在它的另一侧还有另一媒质（3r）。设131rr，即媒质3与媒质1都为自由空间，如图1-2所示。这时要实现无反射的传输，对媒质2（2r）的厚度就有特殊要求。参看教材§7.2节，可得到在媒质1和2的分界面处的等效波阻抗5)()(2322232dktgjdktgjd式中222k202r该处反射系数为11dddR。可见，为了使波由媒质1(1)到媒质2(2)再到媒质3(13)实现无反射的要求，必须有d1欲使等式成立，须有0)(2dktg，最小值为20222rd由此，根据d、2r及0三者构成的等式，当被测试介质板的厚度d和2r固定时，我们可选择0值，以实现无反射的传输条件，即0//R，1//T，从而得工作波长202rd如测得介质板的2r为2.54，d为10mm时，则cmmm2.387.3154.21020。可见如选cm2.30，用d=1cm的聚苯乙烯板，即可在垂直入射时无反射地透过，我们把这种板称为半波长无反射介质板。这里的限制条件是介质板两侧都是自由空间。（2）斜入射的平行极化波无反射的条件参阅图1-3。发生无反射时，应有R∥=0，即0coscos2211利用2211sinsinkk，1001kk，202k可得到无反射时的入射角2121arcsinBB称为布儒斯特角。上述结果表明，电磁波的无反射现象既可出现在由光疏向光密媒质（21）入射，也可6以出现在由光密向光疏媒质（21）入射，因为2或1总是小于（21）。同时可证明1)sin(21B，即221B或2122B这两个过程是互易的。我们利用这一特性，取一厚度为d，相对介电常数为2r的介质板，如图1-4所示。只要21211arcsinrrrB，就可在2r的另一侧接收到全部信号。由于一般媒质021，故对于垂直极化波不存在无反射现象。01,02,iHiEisˆ2H2E2ˆs12nˆ01,02,iHiEisˆ2H2E2ˆs12nˆ01,d122图1-3平行极化波的全折射（无反射）2).均匀平面电磁波斜入射到良导体平面上的反射对于良导体：42222222jej当0,22,对斜入射在良导体表面上的平行极化电磁波有R∥=+1T∥=0由此得到00irEE并有1'1。3.实验内容1).良导体表面电磁波反射特性的测试首先不加反射板，测出入射波的电场幅值读数（时间平均值）0iE.其次加良导体反射板，图1-4平行极化波对平面夹层的全折射（无反射）7改变入射波的入射角1（分别为20o，25o，30o，35o，40o，45o），保持入射场的幅值不变，相应旋转接收喇叭找到电表读数的最大点，测出反射角θ1′和反射场0rE，记录所测数据填入表1-1。表1-1电磁波入射到良导体表面时反射数据表入射角θ120o25o30o35o40o45o反射角θ1′0rE0iE2).介质板表面垂直入射电磁波的无反射实验首先不加反射板，用接收喇叭测出入射波电场Ei0。然后用厚度为d=5mm的玻璃板，放在测试位置上，测出垂直入射情况下，使折射场E20与入射场Ei0相等时所需的工作波长（频率）。根据垂直入射时无反射的关系式rd2202，由d（玻璃板厚度）、0(信号源波长)可以算出r值。把数据填入表1-2。表1-2电磁波垂直入射到介质板（r）表面时无反射的数据表波长0厚度d(mm）入射场Ei0折射场E20r计算值3).介质板表面斜入射平行极化波的无反射测试将接收与发射喇叭保持在一直线上，记录接收喇叭处入射场读数。用厚度mmd5的玻璃板，置于综合测试仪上。使玻璃板垂直于平台，然后改变它的水平转角，使接收到的二次折射场与入射场相等即020iEE，从而得到斜入射时的布儒斯特角B1，这时的反射场为零。把测得数据填入表1-3。表1-3斜入射时无反射测试数据表厚度入射场)arcsin(212rrrB无反射时二次折射场二次折射角12d0iE计算值测试值20E计算值测试值将发射喇叭和接收喇叭在垂直平面上同时转动90o，使入射波变为垂直极化波，再沿水平面转动玻璃板，观察有没有产生无反射的入射角。84.实验设置实验设备：XB9A标准信号发生器、3cm矩形波导系统（波导同轴转换接头、隔离器、衰减器、定向耦合器、晶体检波器等）、分光仪、XF-01型选频放大器测试装置示意图如图1-5所示。～1121d发射喇叭接收喇叭图1-5电磁波反折射的测试5.数据处理与思考题⒈完成表1-1、表1-2、表1-3。测试值与计算值的误差原因有哪些？⒉已知矩形波导喇叭内电场方向如图2-6，在喇叭口法向远区的电场方向也是该方向。当喇叭分别按图1-7(a)(b)放置时，问喇叭向介质板辐射的是垂直还是平行极化电磁波？图1-6矩形波导TE10模的电场分布喇叭介质板喇叭介质板i.(b)图1-7喇叭向介质板的辐射9实验二电磁波辐射能量的分布和电磁波的极化1.实验目的1．观察和研究电磁波辐射能量分布方向性。2．观察和研究电磁波的极化以及产生的条件与它的特点。2.实验原理矩形喇叭天线将来自矩形波导的导行电磁波经喇叭口向周围空间辐射，通常沿口径法向为最大辐射方向，偏离此方向则逐渐减小，在以天线口径中心为圆心的等距离圆周上不同方向测出相对辐射场强，即得到所测平面的天线方向图。实际测试装置如图2-1(a)所示。被测天线用作接收天线，旋转它便测得在其不同方向上的接收场强（功率密度），从而得出其接收方向图，如图2-1(b)所示。根据收发互易性，这也就是它用于发射时的方向图。矩形波导中传输的主模（TE10）电场方向与其宽边相垂直，在图2-2中为y轴方向。该场传输至圆极化喇叭的圆波导段中要通过450方向的介质片。可将该E场分解为E∥和E⊥两部分，分别平行和垂直于介质片。二者大小相等，但传输相速不同。E∥受介质基片影响大，由§6.4节知，其相速υp较慢，对应波长fp/较短，经过介质片区后，滞后的相位相对较大（ll2大）。若二者相位差达900，二者合成场便是圆极化波。此时在喇叭口径法向远区的辐射场也是圆极化波。它的瞬时值)(tE随时间作等速旋转，振幅不变，矢量端点轨迹为圆。因此，接收喇叭分别水平和垂直放置时将收到相同场强。3.实验内容1）电磁波辐射能量分布的方向性1．发射端与接收端均使用矩形喇叭天线，调整系统，使发射喇叭和接收喇叭口面对准,并成一直线，并同时水平放置。2．沿方位面旋转接收喇叭(即:以安置接收喇叭天线的竖轴为转轴)，记下角度θ，并记录接收端选频放大器的读数，填入表2-1。110表2-1喇叭水平放置时能量分布与方向的关系（面）水平面内接收角θ（度）+90+80+70+60+50+40+30+20+100选频放大器读数I水平面内接收角θ（度）-10-20-30-40-50-60-70-80-90选频放大器读数I3．将发射和接收喇叭都改为垂直放置，重复实验内容2，将数据填入表2-2。表2-2喇叭垂直放置时能量分布与方向的关系（面）水平面内接收角θ（度）+90+80+70+60+50+40+30+20+100选频放大器读数I水平面内接收角θ（度）-10-20-30-40-50-60-70-80-90选频放大器读数I2）电磁波的极化1.发射端与接收端均使用矩形喇叭天线，调整系统，使发射喇叭和接收喇叭口面对准,并成一直线，并同时水平放置。2.沿垂直平面旋转接收喇叭(即:以安置接收喇叭天线的水平轴为转轴)，记下角度θ，并记录接收端选频放大器的读数，填入表2-3。表2-3线极化波各极化方向的能量分布关系垂直面内旋转角θ（度）0102030405060708090选频放大器读数I垂直面内旋转角θ（度）100120130140150160170180选频放大器读数I113.发射端改接圆极化喇叭，调整介质片的角度与水平面成450；改变信号源的频率，并沿垂直面旋转接收喇叭，当接收喇叭的旋转对选频放大器的读数没有影响时，记录此时信号源的频率。4.使接收端矩形喇叭天线分别水平和垂直放置，即分别接收Ey和Ex，记下电表读数Iy和I