电磁场与电磁波实验讲义.docx

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电磁场与电磁波实验讲义

电磁场与电磁波实验讲义（试用）

实验一、电磁波的反射特性研究

一、实验目的

1、研究电磁波在良导体表面的反射;

2、熟悉微波分光仪DH962B的使用方法。

法线

二、实验原理

θr

反射波

入射波

θi

金属反射板

实验原理图

如上图所示,电磁波在传播过程中如遇到障碍物,必定要发生反射,

我们用一块金属板作为障碍物来研究当电磁波以某一入射角投射到

此金属板上所遵循的反射定律,即反射线在入射线和通过入射点的法

线所决定的平面上,反射线和入射线分居在法线两侧,反射角等于入射角（如上图所示,θr=θi）。

三、实验装置

（1）

实验装置示意图

金属反射板

四、实验内容和步骤

1、熟悉微波分光仪的结构、仪器的连接和系统调整:

在微波分光仪的底座上有两个支臂,其中一个为固定支臂,另一

个支臂则可绕中心轴旋转（带固定螺钉）,发射喇叭天线和信号源安装

在固定支臂上,接收喇叭天线和微安表安装在旋转支臂上。

微波分光

仪底座中央有一带角度刻度线的园形工作平台。

仪器连接时,两喇叭

天线的口面应正对,它们各自的轴线应在同一条直线上,两个臂的位

置指针应分别指向工作平台的900刻度处。

按信号源的操作规程打开

电源,调节衰减器使微安表有一适当的读数（满量程的三分之二及以

上,这样可以减小读数误差对测试结果的影响）。

将带支座的金属反射

板放在园形工作平台上（注意:

金属反射板的平面应与支座下面的小

园盘上的某一对刻度线一致）,在将带支座的金属反射板放在园形工

（2）

作平台上时,应注意两点:

（1）使小园盘的刻度线（与金属板平面一致

的一对刻度线）与工作平台上相应900刻度的一对刻度线一致,这时工

作平台上的00刻度线就与金属反射板的法线方向一致;

（2）利用工作

平台上的固定螺钉将金属反射板的支座固定。

2、测量入射角和反射角:

转动工作平台,使固定臂的指针指在某一角度处,该角度数就是入

射角,然后转动旋转臂使微安表的读数达到最大,此时旋转臂上的指

针所指的刻度就是反射角。

如果此时微安表的指示太大或太小,可调

节信号源的衰减器,使微安表的指示有一适当值。

做此项实验时,入射

角最好取300至650之间,因为入射角太大接收喇叭天线有可能直接接

收到入射波。

按下表所示入射角,分别测出它们所对应的反射角。

入射角（0）

30

35

40

45

50

55

60

65

反射角（0）

注意:

实验时应注意周围环境对测试结果的影响;实验装置附近不

可有运动物体,甚至测量者头部的移动都有可能影响测量结果,所以

测量者应坐在接收天线后面读数。

五、实验仪器

1、DH926B微波分光仪;

2、三厘米固态信号源;

3、带支座的金属反射板;

4、角锥喇叭天线;

5、微安表。

（3）

六、预习要求

1、熟悉实验目的、实验原理、实验内容和步骤;

2、设计出记录数据的表格,写出预习报告。

七、实验报告要求

1、写出实验名称、作者、合作者、实验目的、实验原理、实验内容和步骤、画出实验装置示意图;

2、实验结果；

3、分析可能引起测量误差的因素。

实验二、电磁波的极化特性研究

一、实验目的

1、研究线极化波、圆极化波和椭圆极化波的形成和特点;

2、了解线极化波、圆极化波和椭圆极化波特性参数的测试方法;

3、进一步熟悉微波分光仪DH962B的使用方法。

二、实验原理

平面电磁波的极化是指电磁波传播时,空间某点电场强度矢量

E随时间变化的规律。

若E的末端总在一条直线上周期性变化,称

为线极化波。

若E的末端的轨迹是圆（或椭圆）,称为圆（或椭圆）极

化波。

若圆运动轨迹与波的传播方向符合右手（或左手）螺旋规则

时,则称为右旋（或左旋）圆极化波。

线极化波、圆极化波和椭圆极化波都可由两个同频率的正交线极化波组合而成。

设同频率的两个正交线极化波的电场为:

Ex=Exmcos（ωt-Φ1）……

（1）（4）

Ey=Eymcos（ωt-Φ2）……

（2）

1、线极化波的合成:

当Ex、Ey的相位相同时,即Φ1=Φ2=Φ,合成电场为

E=exExmcos（ωt-Φ）+eyEymcos（ωt-Φ）

合成电场的大小为:

E=[Exm2+Eym2]1/2cos（ωt-Φ）……（3）

合成电场的方向为（与x轴的夹角）:

α=tg-1[Ey/Ex]=tg-1[Eym/Exm]=常数……（4）

由式（3）和式（4）可以看出,合成电场的大小随时间作周期性

变化,但方向不变,始终在一条直线上,合成后为线极化波,如图

一所示。

图一线极化波

2、圆极化波的合成:

（暂不做）

在式

（1）和式

（2）中,当Exm=Eym=Em,相位差为900时

Ex=Emcos（ωt-Φ1）

Ey=Emcos（ωt-Φ1-π/2）=Emsin（ωt-Φ1）

合成电场的大小为:

（5）

E=Em=常数……（5）

合成电场的方向为（与x轴的夹角）:

α=tg-1[Ey/Ex]=ωt-Φ1……（6）

由式（5）和式（6）可以看出,合成电场的大小不变,但方向随时间变

化。

合成电场矢量的末端在一圆周上以角速度ω旋转,这就是圆极化

波,如图二所示。

图二圆极化波

设电磁波沿Z轴传播,当Ey较Ex滞后900时,合成电场矢量沿逆时

针方向旋转,是右旋圆极化波;当Ey较Ex超前900时,合成电场矢量

沿顺时针方向旋转,是左旋圆极化波。

3、椭圆极化波的合成:

在式

（1）和式

（2）中,当Ey和Ex具有不同振幅和不同相位,则合成

波矢量的端点轨迹是一个椭圆,因此,这种平面波就是椭圆极化波。

当Ey分量较Ex分量滞后时,合成电场矢量沿逆时针方向旋转,与

传播方向（Z轴正方向）形成右旋椭圆极化波;当Ey分量较Ex分量超前

（6）

时,合成电场矢量沿顺时针方向旋转,与传播方向（Z轴正方向）形成左

旋椭圆极化波。

三、实验装置介绍

实验装置如图三所示

图三实验装置

垂直金属

丝栅板

接收喇

叭天线

介质分光板将发射天线辐射出的电磁波分为两路:

一路反射到垂直

金属丝栅板,另一路折射到水平金属丝栅板。

垂直金属丝栅板反射垂直极化波（滤除水平极化波）;水平金属

丝栅板反射水平极化波（滤除垂直极化波）。

把发射喇叭天线转动一个角度α,可同时产生E⊥和E∥两个同频率的入射波:

E+⊥=Ei+sinα……（7）（7）

E+∥=Ei+cosα……（8）

E+⊥经介质分光板的反射,垂直金属丝栅板的反射和介质分光板的

折射到达接收喇叭天线处的场强为E+2⊥;E+∥经介质分光板的折

射,水平金属丝栅板的反射和介质分光板的反射到达接收喇叭天线处

的场强为E+2∥。

由式（7）和式（8）可知,调整发射喇叭天线的转角α,

可改变E+⊥和E+∥的幅度,从而可改变E+2⊥和E+2∥的幅度（注意:

当

α=450时,E+⊥=E+∥,但由于R⊥≠R∥,T⊥≠T∥,故E+2⊥和E+2∥的幅度

并不相等）;当前后调节水平金属丝栅板的位置,就可以改变E+2∥在空

间传播的波程,从而可改变E+2⊥和E+2∥之间的相位差∆Φ。

因此,适当

调整发射喇叭天线的转角α和前后调节水平金属丝栅板的位置,就可

改变E+2⊥和E+2∥的幅度及二者之间的相位差∆Φ。

当E+2⊥和E+2∥的幅

度相等,∆Φ=±π/2时,就可在接收喇叭天线处获得园极化波;当

∆Φ=±π时,就可在接收喇叭天线处获得线极化波。

当E+2⊥和E+2∥的

幅度不同,相位也不同时,就可在接收喇叭天线处获得椭园极化波。

四、实验内容和实验方法

1、圆极化波的调试与测试:

两个同频率的正交场,幅度相等,相位差为π/2时,可产生圆

极化波。

为此,先把发射喇叭天线旋转大约500角（α）,再把接

收喇叭天线的E面垂直放置,可接收E+2⊥,然后把接收喇叭天线

的E面水平放置,可接收E+2∥。

若E+2⊥≠E+2∥,可适当调整发射喇

叭天线的转角α,使E+2⊥=E+2∥。

最后前后调节水平金属丝栅板的

（8）

位置,使接收喇叭天线转动任何角度的输出指示值都相等,那么在

接收天线处就获得了圆极化波。

当接收喇叭天线转动角度为0、10、

20、……170度时记录测量数据填入表一中,并计算出圆极化波的

椭圆度e的值。

表一

θ0

0

10

20

30

40

50

60

……

140

150

160

170

I（uA）

由于实验误差,E+2⊥和E+2∥总有差别,所得圆极化波非纯圆极化波,因此用圆极化波的椭圆度e=[Imin/Imax]1/2来表示,Imin是输出指示的

最小值,Imax是输出指示的最大值。

数据记录

发射喇叭天线的转角:

α1=

水平金属丝栅板位置参数:

L1=

圆极化波的椭圆度e=

（注：

接收喇叭天线:

E∝I1/2）

2、线极化波的调试与测试:

在前面产生圆极化波的基础上,前后调节水平金属丝栅板的位置,使E+2⊥和E+2∥之间的相位差∆Φ=±π即可产生线极化波（注:

由于此

时E+2⊥和E+2∥的幅度可以不必相等,所以可以调整发射喇叭天线转角α,也可以不作调整）。

调整水平金属丝栅板的位置L0产生的波程

差为2∆L,由此产生的相位差∆Φ=β•2∆L。

由±π=2π/λ•2∆L,

（9）

可以解出∆L=±λ/4,所以把水平金属丝栅板的位置前后调节λ/4就

可以产生线极化波（实际上在前面产生圆极化波的基础上,把水平金

属丝栅板的位置前后调节λ/8（f=9GHz）就可以产生线极化波）。

当

接收喇叭天线转动角度为0、10、20、……170度时记录测量数据填

入表二中。

表二

θ0

0

10

20

30

40

50

60

……

140

150

160

170

I（uA）

数据记录

发射喇叭天线的转角:

α2=

水平金属丝栅板位置参数:

L2=

3、椭圆极化波的调试与测试:

在前面产生线极化波的基础上,适当前后调节水平金属丝栅板的

位置,即可产生椭圆极化波。

当接收喇叭天线转动角度为0、10、

20、……170度时记录测量数据填入表三中,并计算出椭圆极化波

的椭圆度e的值。

表三

θ0

0

10

20

30

40

50

60

……

140

150

160

170

I（uA）

数据记录

发射喇叭天线的转角:

α3=?

水平金属丝栅板位置参数:

L3=（10）

椭圆极化波的椭圆度e=

注:

椭圆极化波的椭圆度e=[Imin/Imax]1/2,Imin是输出指示的最小值,Imax是输出指示的最大值。

五、实验仪器

1、DH926B微波分光仪;

2、三厘米固态信号源;

3、介质分光板;

4、垂直、水平金属丝栅板;

5、角锥喇叭天线;

6、微安表。

六、预习要求

1、熟悉实验目的、实验原理、实验内容和步骤;

2、设计出记录数据的表格,写出预习报告。

七、实验报告要求

1、写出实验名称、作者、合作者、实验目的、实验原理、实验内容和步骤、画出实验装置示意图;

2、实验结果；

3、分析可能引起测量误差的因素。

（11）