1、電磁場理論實驗講義信息與通信學院17目錄電磁場實驗系統介紹1實驗一 電磁波參量的研究（2學時）2實驗二/三電磁波反射和折射特性的研究（4學時）7實驗四 電磁波的極化實驗（2學時）12電磁場實驗系統介紹電磁波和光波一樣，都具有波動的性質，即能產生反射、折射、干涉和衍射等現象，DH926型電磁波綜合測試儀（又稱為微波分光儀），正是利用金屬板、金屬柵、介質板等引起電磁波反射，極化等效應，完成電磁波特性的研究與測量。DH926型電磁波綜合測試儀組成如下圖所示。987654321序號 名稱 數量1 分度轉臺 12 三厘米固態信號源 13 喇叭天線 24 可變衰減器 15 晶體檢波器 16 100uA表頭

2、 17 反射板 28 介質板 19 讀數裝置 1實驗一 電磁波參量的研究一、 實驗目的熟悉和掌握利用相干波原理測量自由空間電磁波波長，并且確定電磁波相移常數和波速v的方法。二、 實驗內容1. 熟悉電磁波綜合測試儀的特點和使用方法。2. 了解相干波測量波長的原理及方法。3. 用手動方法測量波長、與v。三、 實驗原理當兩束等幅、同頻率的均勻平面波在自由空間中同向或反向傳輸時，由于相位不同，二者相互干涉（疊加）。本實驗利用相干波原理，通過調整兩束同頻、同向、等幅電磁波的波程差，使其相位差為時，兩束波相互干涉抵消，正是根據這一特性通過測量空間中電磁波的分布，來確定電磁波波長的，波長測定后，再由 （1-

3、1）得出電磁波的主要參數。下面再說明一下利用電磁波綜合測試儀測量波長的原理及方法。如下圖所示，設入射波為垂直極化波。 (1-2)式中為廣義的距離坐標。圖1-1 相干波測波長裝置示意圖當此入射波以入射角斜入射到介質板界面上時，將會在垂直于Pr1、Pr2面方向上形成反射波與折射波，由于Pr1、Pr2板為良導體板，反射波與折射波被Pr1、Pr2板全反射，從而形成了兩束同頻的平面電磁波。這兩束波再次斜入射到介質板上，通過反射與折射，在Pr3接收喇叭天線入射方向上形成兩束波。設R為介質板反射系數，T0、T分別為空氣進入介質和由介質板進入空氣時的傳輸系數，在一次近似條件下，Pr3喇叭接收的兩束波為 (1-

4、3)可見為兩束等幅同頻的均勻平面波，滿足了相干波原理的要求，式中相位由下圖可見為 (1-4)接收喇叭處的合成波為圖1-2 相干波形成的波形分布圖 (1-5)測量過程中，固定不變，L隨Pr2板移動而變化，因此L也是變化的，由上式可見，當L變化使得 (1-6)時，接收喇叭輸出為零（100uA表頭指示為0，即零點），其中 (1-7)圖1-3 利用讀數裝置測量波長的原理如圖1-3所示，令Lr1 = L,讀數裝置0刻度端到介質板中軸線的距離為Lj，Lr2 = Ln+Lj。以n = 0為參考點，利用等偏移法測得L0為第1個零點（電流表指針為0），則 (1-8)由上式可以得出 (1-9)L1 、L2 、L3

5、 、L4分別為測量得到的第2-5個零點。可見，兩相鄰零點之間的Ln-1,n為 / 2，于是 (1-10)理論上，n越大，測量越精確，實際測量中只需測出數個零點就可以了，比如n = 4，則 (1-11)四、 實驗步驟1. 按圖1-1將DH926組合成測波長，相移常數的狀態。2. 參看頻率刻度表，調整振蕩器旋鈕，設置頻率f = 9.37GHz。3. 打開信號源，檢查電壓是否為12V，信號源工作狀態是否為等幅，然后根據測量原理，轉動讀數裝置，參照圖1-4所示，利用等偏移法（1-12）式測得第一個零點L0并記錄（讀到小數點后2位）。 (1-12)4. 繼續轉動讀數裝置，分別測出第2-5個零點L1-L4

6、并記錄，然后填入表1-1中。表1-1L0L1L2L3L4L0+L0-L1+L1-L2+L2-L3+L3-L4+L4-L0,1L1,2L2,3L3,45. 利用式（1-11），計算出的值，再根據式（1-1）計算出和v。6. 繼續調整振蕩器旋鈕，設置頻率f = 9.20GHz，重復步驟15，計算出及和v。7. 綜合2組數據，將實驗結果填入表1-2中。表1-2vf =f =五、 實驗報告內容1. 實驗目的2. 實驗原理3. 實驗結果數據表4. 對實驗結果進行分析（重點分析影響測量結果的因素）附錄：等偏移法如圖1-4所示，為了準確找到電流表零點對應的L值，須采用等偏移法，具體步驟為：通過旋轉讀數裝置旋

7、鈕，使電流表指針回偏一個X值，對應讀數裝置的L-，同理再使電流表指針回偏一個X值，對應讀數裝置的L+，然后利用下式得出L的值。圖1-4 等偏移法圖示實驗二/三 電磁波反射和折射特性的研究一、實驗目的l 研究電磁波在良導體表面的反射；l 研究電磁波在良介質表面的反射和折射；l 研究電磁波全反射和全折射的條件。二、實驗原理設一平行極化的平面波以角度斜入射到媒質分界面上，如圖2-1所示，根據電磁場理論，媒質1中將存在方向上的反射波，媒質2中則出現方向上的折射波（為折射角），電磁場量分別為E+EtE-q ¢¢q ¢qzxH+H-Ht圖2-1 平行極化波斜投射時各場量在分界

8、面上的值入射波： 反射波： 折射波： 式中， 利用分界面上（z = 0）電場和磁場切向分量連續的邊界條件，可得斯涅爾（Snell）反射定律： 和斯涅爾折射定律： 反射系數傳輸系數下面我們分幾種情況討論一下。1)全反射這時=1，發生全反射的臨界角為因為，所以只有1 2，即電磁波從光密媒質進入光疏媒質時才會發生全反射（良導體情況除外）。2)全折射這時要求=0，于是將發生全折射時的入射角，即布儒斯特(Brewster)角為全折射時的折射角為可見折射角；若電磁波以角度qP 入射到厚度為d的介質板表面，則這正是電磁波由e2到e1的全折射條件。因此，當電磁波以布儒斯特角從介質板的一側入射時，在介質板的另一

9、側可接收到全部信號，如圖2-2所示。當12，,折射波方向離開分界面的法向；當21，,折射波方向靠向法向。e1，m0e2，m0e1，m0dq¢¢q¢¢qq圖2-2介質板全折射示意圖3)電磁波斜入射到良導體表面的反射良導體的特性近似于理想導體，電磁波投射到良導體表面時，可認為發生全反射，此時，三、實驗儀器 DH926B型微波分光儀，喇叭天線，DH1121B型三厘米固態信號源，DH926AD型數據采集儀，計算機，良導體反射板，玻璃板四、實驗步驟1）反射角測量l 兩喇叭口面應互相正對，使它們各自的軸線處于同一條直線上，此時兩喇叭位置的指針應分別指示于工作平臺的0

10、和180刻度處。l 調整發射、接收喇叭同為水平極化。l 將支座放在工作平臺上，并利用平臺上的定位銷和刻線對正支座，拉起平臺上四個壓緊螺釘旋轉一個角度后放下，將支座壓緊。l 將反射全屬板放到支座上時，應使金屬板平面與支座下面的小圓盤上的90°-90°這對刻線一致。這時小平臺上的0°刻度就與金屬板的法線方向一致。l 轉動小平臺，將固定臂指針調到30°65°角度之間任意一位置，這時固定臂指針所對應刻度盤上指示的刻度就是入射角的讀數。l 開啟DH1121B型三厘米固態信號源。l 轉動活動臂，當電流表顯示出的最大指示時，活動臂指針所對應刻度盤上指示的刻度

11、就是反射角的讀數。如果此時表頭指示太大或太小，應調整系統發射端的可變衰減器，使表頭指示接近滿量程。l 連續選取幾個入射角進行實驗，并在表2-1中記錄入射角和反射角。l 改變發射和接收喇叭為垂直極化，重復上述實驗。2）良好導體表面對電磁波反射特性的測試。首先，不加反射板，測出入射場E01（如用選頻放大器做指示，調至滿度值100）。其次，加良導體反射板（用鋁金屬板300×300mm2），改變入射波的入射角1（入射場E01不變），測出反射角時的反射場。把有關測試數據填入表3-2中。3） 全折射測量測試良好介質的全折射（或稱無反射），我們采用平行極化波工作狀態，為此，須將電磁波綜合測試儀的輻

12、射喇叭（Pr0）與接收喇叭（Pr3）置于平行極化工作狀態。對于測試良好導體的全反射，我們同樣采用平行極化波工作狀態。測試裝置示意圖2-3所示。圖2-3 反射、折射測試裝置示意圖1. 電磁波斜投射時，良好介質全折射的測試。首先，轉臺上不放介質板，調整發射與接收天線，使得E01=E02用，（接收天線發射天線在一直線上）。然后用厚度d=3.2mm的有機玻璃板，放置在測試儀平臺支座上，然后改變波對介質板的投射角（轉動平臺，而接收與輻射喇叭總保持在一直線上），使接收的折射波場與入射波場相等，即E01=E02，同時得到斜投射時，反射波場為零的入射角1=2。把測試數據填入表2-1。將輻射與接收喇叭都轉動到垂

13、直極化波工作狀態，適當改變1角度，觀察有無全折射（或無反射）現象發生。表2-1垂直極化入射場入射角20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 85°反射角反射場實測-理論表2-2 水平極化入射場入射角20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 85°反射角反射場實測-理論表2-3厚度入射場全折射折射角2dE01計算值測試值四、實驗報告內容1. 實驗目的2. 實驗數據表3. 分析測試值與計算值之間存在誤差的原因實驗

14、四 電磁波的極化實驗一、預習要求1、什么是電磁波的極化?它具有什么特點？2、了解各種常用天線的極化特性；3、天線特性與發射(接收)電磁波極化特性之間的有什么關系？二、實驗目的1、研究幾種極化波的產生及其特點；2、進行極化特性實驗，與理論結果進行對比、討論；3、通過實驗加深對電磁波極化特性的理解和認識。三、實驗原理 1）極化原理電磁波的極化是電磁理論中的一個重要概念， 它表征在空間給定點上電場強度矢量的取向隨 時間變化的特性，并用電場強度矢量 E 的端點在空間描繪出的軌跡來表示。由其軌跡方式可得 電磁波的極化方式有三種：線極化、圓極化、橢圓極化。極化波都可看成由兩個同頻率的直線極化波在空間合成,

15、如圖所示，兩線極化波沿正Z方向傳播，一個的極化取向在X方向，另一個的 極化取向在 Y 方向。若 X 在水平方向，Y 在垂直方向，這兩個波就分別為水平極化波和垂直極化波。水平極化波： 垂直極化波： 其中Exm、Eym分別是水平極化波和垂直極化波的振幅，是Ey 超前Ex的相角（水平極化波取為參考相面）。 取z=0的平面分析，有 綜合得 式中a、b、c為水平極化波和垂直極化波的振幅、 和相角有關的常數。此式是個一般化橢圓方程，它表明由 Ex、Ey 合成的電場矢量終端畫出的軌跡是一個橢圓。所以：1、當兩個線極化波同相或反相時，其合成波是一個線極化波； 2、當兩個線極化波相位差為/2時，其合成波是一個橢

16、圓極化波； 3、當兩個線極化波振幅相等，相位相差/2時，其合成波是一個圓極化波。 極化波的一個需要重視的地方是極化的旋轉方向問題。一般規定：面對電波傳播的方向（無論是發射或接收），電場沿順時針方向旋轉的波稱為左旋圓極化波，反時針方向旋轉的波稱為右旋圓極化波。1）喇叭型極化天線工作原理電磁波極化天線是由方圓波導轉換,介質圓波導和圓錐喇叭連接而成。介質圓波導可做360o旋轉，并有刻度指示轉動的角度，當TE10波經方圓波導轉換到圓波導口面時則過渡為TE11波，并在介質圓波導內分成兩個分量的波，即垂直介質片平面的一個分量和平行介質面的一個分量。適當調整介質圓波導（亦可轉動介質片）的角度使兩個分量的幅度

17、相等時則可得到圓極化波。當方圓波導使的波過渡到成為RP波后，在裝有介質片的圓波導段內分成Et和En兩個分量的波，因Et和En的速度不同，Vc = Vn > Vt = , 當介質片的長度L取得合適時，使En波的相位超前Et波的相位90，這就實現了圓極化波相位條件的要求；為使En與Et的幅度相等，可使介質片的方向跟Y軸之間夾角為=45，若介質片的損耗略去不計，則有Etm=Enm=Erm ，實現了圓極化波幅度條件的要求（有時需稍偏離45以實現幅度相位的要求）。為了確定圓極化波右旋、左旋的特性把轉到方向符合右手螺旋規則的波，定為右旋圓極化波；把轉到方向符合左手螺旋規則的波，定為左旋圓極化波。波極

18、化天線除作為圓極化波工作外，也可作線極化波、橢圓極化波工作使用。當作線極化波工作時，介質片轉到軸相垂直（或平行）。當作橢圓極化波工作時，介質片到軸夾角可在=045之間。三 實驗儀器DH30002型電磁波極化天線（產品設計為9370Z左右使兩個分量的波相位差90o）四、實驗內容 1使用方形喇叭形成圓極化波Pr1為垂直柵網，Pr2為水平柵網，當輻射喇叭Pr0轉角45°后，輻射波的場分為E與E兩個分量，Pr1則反射E分量，而 E分量透過垂直柵網被吸收；Pr2則反射E分量，而 E分量透過水平柵網被吸收。這是轉動接收喇叭Pr3，當Pr3喇叭E面與垂直柵網平行時收到E波。經幾次調整輻射喇叭Pr0的轉角使Pr3接收到的|E|=|E|，實現了圓極化的幅度相等要求。然后接收喇叭Pr3在E與E之間轉動，將出現任意轉角下|E|E|（或|E|）。這時改變Pr2水平柵網適當位置，使Pr3接收的波具有|E|=|E|=|E|，從而實現了E與E兩個波的相位差為±90°，得到圓極化波（因為圓極化應該在接收天線任意角度都能得到相同的|E|）。由于測試條件所限，|E|與|E|、|E|不可能完全相等，Pr3轉角0360°時，總會出現檢波電壓的波動，這時雖有Emin/Emax0.93，即橢圓