电磁波实验报告.docx

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电磁波实验报告

中南大学信息科学与工程学院

电磁场与电磁波实验报告

学生学院

专业班级

学号

学生姓名

指导教师

2014年5月20日

实验一电磁波反射实验

一、实验目的

1.掌握微波分光仪的基本使用方法；

2.了解3cm信号源的产生、传输及基本特性；

3.验证电磁波反射定律。

二、预习内容

电磁波的反射定律

三、实验原理

微波与其它波段的无线电波相比具有：

波长极短，频率很高，振荡周期极短

的特点。

微波传输具有似光特性，其传播为直线传播。

电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射。

本实验以一块大的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：

反射电磁波位于入射电磁波和通过入射点的法线所决定的平面上，

反射电磁波和入射电磁波分别位于法线两侧；反射角θr等于入射角θi。

原理图如图1.1所示。

图1.1反射实验原理图

四、实验内容与步骤

图1.2反射实验仪器的布置

1.调整微波分光仪的两喇叭口面使其互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的0-180刻度处。

将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座，拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。

2.将反射全属板放到支座上，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的90-90这对刻线一致，这时小平台上的0刻度就与金属板的法线方向一致。

将金属板与发射、接收喇叭锁定，以保证实验稳定可靠。

3.打开信号源开关，将三厘米固态信号源设置在:

“电压”和“等幅”档。

4.调节可变衰减器，使得活动臂上微安表的读数为满量程的80%左右。

5.转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在刻度为30度处，这个角度数就是入射角度数，然后转动活动臂，使得表头指示最大，此时活动臂上指针所指的刻度就是反射角度数，记下该角度读数。

如果此时表头指示太大或太小，应调整微波分光仪中的可变衰减器或晶体检波器，使表头指示接近满量程的80%做此项实验。

6.然后分别将固定臂指针指在刻度为40度、45度、50度、60度、80度处，重复上述操作，并记下相应的反射角读数以及最大电流读数。

五、实验数据记录及处理

当f=9.37GHz时

入射角θi（度）

30

40

45

50

60

80

反射角θr（度）

32.1

46.2

49.9

52.9

62.2

82.3

最大电流（μA）

70.0

77.2

70.9

72.1

72.2

77.7

当f=9.0GHz时

入射角θi（度）

30

40

45

50

60

80

反射角θr（度）

32.9

42.6

45.7

50.2

60.0

80.9

最大电流（μA）

63．8

57.8

66．4

70.0

81.2

68.1

六、实验注意事项

如果表头指示太大或太小，应调整微波分光仪微波系统中的可变衰减器，使表头指示接近满量程的80%做此项实验。

七、实验思考题

周围环境哪些因素会影响到本次实验结果的精度。

答：

外界环境的温度；手机、电脑信号的干扰；说话的声音等均会影响本次实验结果的测量。

八、实验感想

实验前最主要的是理解实验原理，做好充足的准备，计算理论值或预测实验效果，以便比较顺利的进行实验。

安装实验器材时，虽然做不到完全精确，但是应该尽可能的达到实验要求，不然实验误差会相当大。

最后，小组成员间的合作也很重要，对实验的进行有很大的帮助。

实验二单缝衍射实验

一、实验目的

1．了解微波分光仪的结构，学会调整它并能用它进行实验。

2．进一步认识电磁波的波动性，测量并验证单缝衍射现象的规律。

二、预习内容

电磁波的特性和衍射原理

三、实验原理

ψ

a

图2.1单缝衍射原理

如图2.1，当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。

在缝后面出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最宽。

在中央的两侧衍射波强度迅速减小，直至出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角为

，其中λ是波长，a是狭缝宽度。

两者取同一长度单位，然后，随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角度为

。

实验仪器布置如图2.2，仪器连接时，预先接需要调整单缝衍射板的缝宽，当该板放到支座上时，应使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致，此刻线应与工作平台上的90°刻度的一对线一致。

转动小平台使固定臂的指针在小平台的180°处，此时小平台的0°就是狭缝平面的法线方向。

这时调整信号电平使表头指示接近满度。

然后从衍射角0°开始，在单缝的两侧使衍射角每改变2读取一次表头读数，并记录下来，这时就可画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，并根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角，并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。

此实验曲线的中央较平，甚至还有稍许的凹陷，这可能是由于衍射板还不够大之故。

图2.2单缝衍射仪器配置

四、测量方法与步骤

1．打开DH1121B的电源；

2．将单缝衍射板的缝宽a调整为70mm左右，将其安放在刻度盘上，衍射板的边线与刻度盘上两个90°对齐；

3．调整发射天线使其和接收天线对正。

转动刻度盘使其180°的位置正对固定臂（发射天线）的指针，转动可动臂（接收天线）使其指针指着刻度盘的0处，使发射天线喇叭与接收天线喇叭对正；

4．依次微调发射喇叭、衍射板、接收喇叭，使衍射强度分布的中央极大位于0°；调节发射和接收衰减器，使中央极大值的信号电平处于80—90μΑ；在±500的范围内转动接收天线，观察衍射强度分布，认为分布合理后开始测量；

5．将微波分光仪的活动臂转到衍射角为－50°后开始读数，衍射角每改变2读取一次微安表的读数并作好记录，一直读到衍射角为＋50°；

6．作出单缝衍射的相对强度与衍射角的关系曲线（以衍射角ϕ为横轴，电流值PI为纵轴），确定出极大和极小衍射角的实验值。

五、实验数据记录及处理

1.单缝衍射

单缝宽a=70mm，微波波长λ=32mm

ϕ（°）

-50

-48

-46

-44

-42

-40

-38

-36

-34

-32

-30

-28

-26

I（μA）

1.2

5.2

9.9

6.08

1.9

1.0

2.0

2.13

2.5

1.8

1.6

1.9

2.0

ϕ（°）

-24

-22

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

I（μA）

3.1

8.8

22.4

35.9

46.2

46.0

58.2

80.1

92.5

89.0

98.5

92.5

92.0

ϕ（°）

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

I（μA）

92.0

93.5

91.8

83.5

69.5

55.2

43.5

36.0

30.2

17.8

6.0

1.2

1.6

ϕ（°）

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

I（μA）

1.8

1.6

1.9

2.2

2.8

1.9

1.0

1.9

5.1

5.7

1.2

1.0

1.0

2．由实验数据绘制I～ϕ曲线

3．从上面的曲线可以读出一级极小和一级极大值（度），并同理论值进行比较

左

右

理论值

测量值

理论值

测量值

一级极小值

-27.2

-26.9

27.2

25.3

一级极大值

-43.29

-45.4

43.29

44.6

六、实验注意事项

1．衰减器调整要适当，太小则观察不便，太大则可能使电流表指针满偏。

2．单缝衍射实验时每隔2记录一次。

3．为保证实验结果能与理论结果进行比较，开始测量前要反复调整仪器、观察衍射强度分布，尽可能将中央极大值的位置调整在0°处。

七、实验思考题

周围环境哪些因素会影响到本次实验结果的精度。

答：

周围环境的温度，手机以及电脑信号的干扰，说话时的声波干扰等。

八、心得与体会

有了第一次的实验为基础，本次实验相对来说，在操作上比较简单。

实验前需要计算出理论数据，明确I~ϕ曲线的大致分布，以便检查实验结果的正确性。

校准时，尽可能使仪器的固定臂和可动臂在同一条直线上；读数时，力求做到直视表盘，以减小实验误差。

对于差别较大的数据，可以反复实验取其平均值，是实验数据更贴近。

实验三自由空间中电磁波参量的测量

一、实验目的

1.了解电磁波的空间传播特性；

2.通过对电磁波波长、波幅、波节的测量进一步认识和了解电磁波。

二、预习内容

1.电磁波的干涉原理

2.电磁波的反射和透射特性

三、实验原理

变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波，几列电磁波同时在同一媒质中传播时，几列波可以保持各自的特点（波长、波幅、频率、传播方向等）同时通过媒质，在几列波相遇或叠加的区域内，任一点的振动为各个波单独在该点产生的振动的合成。

而当两个频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波源所发出的波叠加时，在空间总会有一些点的振动始终加强，而另一些点的振动始终减弱或完全抵消，因而形成干涉现象。

干涉是电磁波的一个重要特性，利用干涉原理可对电磁波传播特性进行很好的探索。

利用迈克尔逊干涉原理测量电磁波波长的原理图如图3.1所示。

B（可移反射板）

发射喇叭

接收喇叭

A（固定反射板）

图3.1迈克尔逊干涉原理

由发射喇叭发射出的电磁波，在空间传播过程中，可以把它近似看成为均匀平面波。

在平面波传播的方向上放置一块成45度角的半透明板，由于该板的作用，将入射波分成两列波，一列经介质板反射后垂直入射到金属板A，被A板反射回来，再经介质板折射后到达接收喇叭；另一列波经介质板折射后垂直入射到可动金属板B，被金属板B反射回来，也到达接收喇叭。

接收喇叭收到两束同频率，振动方向一致的两列波。

两列到达接收喇叭的电磁波若波程差满足一定的关系，那么这两列波将发生干涉。

设到达接收喇叭的两列平面电磁波的振幅相同，只是由于波程不同而在相位上有所差别，其电场可以表示为：

其中

是因波程差而造成的相位差。

其合成场强为：

所以，合成波的电场振幅为，

当

时，合成波振幅最大（为

）；当

时，合成波振幅最小（为0）。

实际上到达接收喇叭的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波最大振幅不是正好为

，合成波振幅最小值也不是为0。

根据以上分析，若固定金属板A，移动金属板B，只改变第二列波的波程，让两列波发生干涉，当合成波振幅最大时，可得：

当合成波振幅最小时，可得：

由最大振幅到最小振幅的最短波程差为：

若移动金属板的距离为

，则：

实验中，为了提高测量波长的精确度，测量多个极小值的位置，设

为第一个极小值的位置，

为第（n+1）个极小值的位置，

，则波长。

四、实验步骤

1.实验仪器布置如图3.2所示

图3.2

2.调节天线的位置，使两喇叭口面互成90度，并使半透射板与两侧喇叭轴线互成45度，将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上相应的旋孔，使其固定在底座上。

在读数机构和平台上分别插上全反射板，使固定全反射板的法线与接收喇叭的轴线一致，可移动全反射板的法线与发射喇叭轴线一致，如图3.3所示。

读数机构

图3.3

3.接通微波发射源，并使其处于正常工作状态。

将可移动全反射板移到读数机构的20刻度一端，在此附近测出一个极小幅度的位置S0，然后朝读数机构70刻度的一端旋转读数机构上的手柄使可移动全反射板随之匀速移动，从表头上测出

个幅度极小值，同时从读数机构上得到相应的位移读数Sn，从而求得可移动全反射板的移动距离为

，根据上述实验原理，求得波长

。

五、实验数据记录与处理

第一点

第二点

第三点

第四点

最小点位置（mm）

5.5

21.9

38.8

54.0

最大点位置（mm）

12.8

28.9

45.4

60．9

1.根据实验测得数据，计算信号源波长。

有实验数据可得:

L=16.9mm

故波长λ=33.8mm

2.由相关公式计算出信号源的其它参数，如相位常数、波速、频率等。

相位常数k=2π/λ=18.5rad/m

波速v=3.09x10e8m/s

角速度w=5.887x10e10rad/s

频率f=9.37x10e9hz

六、实验思考题

对实验中的现象分析讨论，说明误差产生的原因有哪些？

如何减小这些测试误差？

1空回误差。

在调节可动臂时，可动臂会出现回转现象，从而引起误差。

减小空回误差可适当多转动一点角度或找到测试位置时用手固定可动臂再读数。

2校准误差。

在布置实验装置时，全靠目测，不能精确达到固定臂与可动臂在同一条直线上，连接角度也做不到完全精确。

3读数误差。

由于读数是寻找最大值或最小值，而从实验可以看出，有些值尽管转动可动臂些许角度，仍不会发生变化，即存在值的选择上的问题；另外读数也不能达到完全精确。

为减小读数误差，可多次读数取平均值。

七、实验感想

务必理解实验原理。

虽然有了之前两次实验经历作为铺垫，但是感觉本次实验难度较大，若是不能很好地理解实验原理，不但无法进行实验，即使进行了实验，也可能无法判别实验结果的正确性。

所以，实验前期对实验内容、原理的理解相当重要。

除此之外，做实验应态度严谨，不可马虎了事，仪器的校准、数据的读取，尽可能精确，从而达到更好的实验效果。

实验四均匀无耗媒质参量的测量

一、实验目的

1.利用电磁波的干涉原理，研究均匀无耗媒质参量εr的测量方法；

2.熟悉均匀无耗媒质分界面对电磁波的反射和透射特性。

二、预习内容

电磁波的反射和透射特性，熟悉相对介电常数的测量方法。

三、实验原理

实验原理图如图4.1所示

B（可移反射板）

发射喇叭

接收喇叭

A（固定反射板）

半透射板

图4.1

对于具有εr的均匀无耗媒质，我们可利用类似干涉原理来测量。

在上一个实验的基础

上，在固定反射板前放一块待测介质板，其相对介电常数为εr，厚度为d，这样固定反射板

的电磁波的波程差将会增加，为了得到新的极小点位置，必需将可移动反射板向右移Δl，

在一定的假设条件下，经过数学推导，我们可得到待测介质板的相对介电常数εr与Δl之间

满足：

。

四、实验步骤

1.在上一个实验的基础上，在固定反射板前，放一块待测介质板，必需紧贴固定反射板并固定好。

2.向右调节可移动反射板，使得电表指示读数达到新的最小值，并记录此时最小点位置读数。

该读数与未加介质板时的读数相减，得到一个

，连续移动可移动反射板，得到若干个

值，取算术平均值，得到一个较为准确的

。

3.用卡尺测量待测介质板的厚度d。

五实验数据记录

1.介质板（BL）厚度：

d=（3）（mm）

极小点个数

1

2

3

4

平均值

新极小点位置（mm）

10.9

27.5

44.6

59.3

35.05

原极小点位置（mm）

5.5

21.9

38.8

54.0

30.05

偏移量（mm）

5.4

5.6

5．8

5.3

5.6

介质的相对介电常数εr

7.84

8.22

8.60

7.65

8.22

2.介质板2（SL）厚度：

d=（3）（mm）

极小点个数

1

2

3

4

平均值

新极小点位置（mm）

9.5

25.4

42.0

58.2

34.02

原极小点位置（mm）

5.5

21.9

38.8

54.0

30.05

偏移量（mm）

4

3.5

3.2

4.2

3.97

介质的相对介电常数εr

5.44

4.69

4.27

5.76

5.40

六、实验思考

介质的相对介电常数的测量误差与哪些因素有关？

1.介质板的厚度不均，导致测出了d有误差，从而造成实验的误差。

2.电表的灵敏度造成实验误差。

3.接收与发射装置的两个喇叭口不水平。

4.读数时存在读数误差。

5.装置的角度都是由目测完成，所以有可能固定反射板没有对齐接收喇叭，或半透射板没有与发射、接收装置呈45度造成实验的误差。

6.可移反射板移动不规范、操作失误造成实验的误差。

7.波在传播过程中有环境因素而造成损耗。

七、实验心得

实验前可事先上网搜索有关玻璃以及环氧树脂的相对介电常数的信息，为实验做参考，计算理论值和相关数据，了解实验过程和原理，以减小实验难度。

当实验数据与理论数据差异太大时，重复实验，观察仪器固定臂与可动臂是否在同一直线，实验频率是否调节正确，读数方法是否正确，使实验结果更为精确，若单个数据差别较大时，课重复测量，取其平均值。