1、電磁場實驗報告信息與通信工程學院電磁場實驗實驗報告級:2010211123 班名:口號:口號:期:2012年12月22日電磁場實驗報告12目錄實驗一 電磁波參量的測量 .一、實驗目的二、實驗原理三、實驗內容四、實驗步驟五、實驗數據及結果整理.六、誤差分析 七、思考題實驗二 均勻無耗媒質參量的測量一、實驗目的二、實驗原理三、實驗內容四、實驗步驟五、實驗數據及結果整理.六、誤差分析 七、思考題實驗三電磁波反射、折射的研究一、實驗目的二、實驗原理三、實驗內容四、實驗步驟五、實驗數據六、實驗結果整理七、誤差分析八、思考題889991010111112電磁場實驗報告17實驗電磁波參量的測量、實驗目的1.

2、 在學習均勻平面電磁場特性的基礎上，觀察電磁波傳播特性。2. 熟悉并利用相干波原理，測定自由空間內電磁波波長，并確定相位常數和 波速。二、實驗原理兩束等幅，同頻率的均勻平面電磁波， 在自由空間以相同或相反方向傳播時， 由于初始 相位不同發生干涉現象， 在傳播路徑上可形成駐波場分布。 本實驗正是利用相干波原理， 通 過測定駐波場節點的分布， 求得自由空間內電磁波波長 M直，再由3= 2n? v=入f ?# 到電磁波的主要參數： ？ 等。圖1-1F .其中泊勺測量方法如下：設入射波為：e?= ?。當入射波以入射角01向介質板斜投射時，則在分界面上產生反射波 ？?和折射波？?？設介 質板的反射系數為

3、R，由空氣進入介質板的折射系數為To，由介質板進入空氣的折射系數為T?另外，可動板P?2固定板P?都是金屬板，其電場反射系數為-1。在一次近似的條件下，接收喇叭P?處的相干波分別為E?1 =E?2 =-RT oT?i?，-RT oT?i?。在P?處相干波合成為-RT oT? (? + ?-?)E?= E?1+ E?2=式中 ? = ? - ? = 2 B? AL為了準確測量，一般采用 P?零指示法，即cos( A?2) = 0或 A? = (2n + 1) n n=0,1,2 0,這里n表示相干波合成駐波場的波節點( E?= 0)數。同時，除n= 0以外的n值，又 表示相干波合成駐波的半波長數

4、。故把n = 0時E?= 0的駐波節點為參考節點的位置 L0，又因? = 2? (2 n? AL故(2n + 1) n= 2? (2 n? ? Al或 4AL= (2n + 1)?2(?0)可得？?=罕尹 (n為半波長數，一般n=4已足夠)三、實驗內容1. 了解電磁波綜合測試儀的工作特點，使用方法，特別要熟悉和掌握利用相干波原理測 試電磁波波長的方法。2. 儀器工作正常后，觀察電磁波 岔、？和？三者符合右手螺旋規則。3測？值。移動可動板P?2并測出相應節點位置 L,根據測得的L值及n值，計算? B、V4.用EIP25頻率計測出信號源頻率，并計算 ？?(= ?，并與所測？進行比較。四、實驗步驟1

5、. 整體機械調整：調整發射喇叭P?0接收喇叭P?3使其處于同種極化狀態。2. 安裝反射板，半透射板：注意反射板P?與P?軸向成90角，半透射板軸向與P?軸向 成45角，并注意反射板P?1, P?的法向分別與P?3 P?軸向重合。3. 將所有調整到位部分用螺絲鎖緊，調整發射端的衰減器以控制信號電平，使P?3表頭指示為80。4. 旋轉游標使可移動反射板 P?的起始位置在最右側(或最左側)，用旋轉手柄移動P?2使 所有節點位置處，P?表頭指示都為零。此時說明整個系統調整到位。5. 測量：用旋轉手柄使反射板移動，從表頭上測出n+1個零點，同時從讀數機構上得到 所有節點位置?到？?？并記錄。6. 連續測

6、3次，用公式計算波長，并將3次波長求平均值，n取3或4即可。7. 用所測波長計算B、V勺值五、實驗數據及結果整理1.原始數據表格：(微安表讀數選取左右偏離 2uA的地方讀數)單位：mm第一組第二組第三組第四組?/mm4.10018.56534.75551.100?右伽口6.48521.07037.14553.480L/mm5.29319.81835.95052.2402. 理論值：從儀器標稱來看，發射頻率為fo=9.3718GHz, ? = co?= 32.011?3. 計算值：(1)波長:波長的實際值：？?= 2 ?(L3+L2)-.(L1+L0)= 31.298?相對誤差:= |?-?10

7、0% = 132.011 - 31.298 I ? 100% = 2.23% ?32.011絕對誤差:A?= I?- ?= 0.713?在誤差允許范圍內，可認為結果正確。(2)下面計算3, V的計算值:2?3=帀 0.2012?QV = 2.9332*108?/?六、誤差分析由以上計算可得，計算的結果與理論值有一定偏差，但是誤差還在誤差允許范圍內，所以屬于正常誤差，誤差產生原因由以下幾點：1. 整體機械調整時，都是用人眼來確定是否水平，是否垂直，喇叭的調整也不精準， 不能保證完全平行極化或垂直極化，所以產生了誤差2. 用相干波測波長的裝置讀數時，微安表刻度有限，底座上的角度刻度表也精度有限3.

8、 讀數的時候，人眼讀書也會存在一定的誤差，所測量的數據組數有限；4. 實驗室內的溫度在實驗過程中發生變化，并且空氣中電磁波的傳播速度小于真空中 的光速，而計算時默認為真空光速計算的。七、思考題1-1中的介質板放置位置若轉 90，將出現什么現象?用相干波測量電磁波波長時， 這時能否側準入？為什么？答：答：原測量方式中介質板旋轉90 后E?i= -RT oT?i?，E?2= -RT oT?i?。介質板旋轉后使得ToT?產生的幅度， 的駐波分布，故無法準確測量 ？的值。E?i= -RT oT?i ?,E?2= -RT oT?i?。相位變化也計入兩項和之中，因此很可能無法產生明顯實驗均勻無耗媒質參量的

9、測量、實驗目的1. 應用相干波節點位移法，來研究均勻無損耗媒質參量8?的測試；2. 了解均勻無損耗媒質中電磁波參量？ V與自由空間內電磁波參量 ?、 別；3. 熟悉均勻無損耗媒質分界面對電磁波的反射和折射的特性。%、C的差二、實驗原理媒質參量一般應包括介電常數 S和磁導率 畫個量，它們由媒質特征方程 D = uH來表征，要確定8曲勺值，總是要和場量 E和H聯系在一起，對于損耗媒質來說， 復數，且和頻率有關。這里，我們僅僅對均勻無損耗電介質的介電常數 8進行討論 情況），最終以測定相對介電常數（8?= ? 8）來了解媒質的特性和參量。用相干波原理和測駐波節點的方法可以確定自由空間內電磁波參量？?

10、、角、sEn B =和訥 （切=1的C,對于具有8的均勻無耗媒質，無法直接測得媒質中的？ 値，不能得到媒質參量值。但是我們利用類似相干波原理實驗裝置，即實驗一中的實驗裝置，根據對8板放置前后引起駐波節點位置變化的辦法，測得相位變化值，進而測定媒質8?值。首先固定P?i,移動P?使P?出現零指示，此時P?的位置在L3 ,然后緊貼P?的表面放置具有厚度為 3的待測8?介質樣品板，P?仍 處于波節點位置L3，由于8板的引入使P?指示不再為零，如圖2-2中的（3）和（b）所示：我們把喇叭輻射的電磁波近似看做平面波，設P?接收喇叭處的平面波表達式：E?2= ?r ?由于P?處存在厚度為3的？?的媒質板（

11、非磁性材料的媒質？?= 1）使P?處的？?和 ?之間具有相位差。(a)COO：工Er.A(brrXr.媒質板厚度為5,則a扳內總的相位滯后值為 ? = ? A?o = 為再次使P?處實現相干波零指示接收，必須把 增量A?,其值為0 ? 2 5 (a?- 1)P?連同板向前推進,造成一個相位2 nA? = ?2 A =? 3o ? 2 A ?0從而補償了 a板的相位滯后,使P?處實現零指示，有 A?= A?,整理后可得:2?= (1 + A ?2?= ? vE?= ?(1 + ? 3= 2?7?= fo(1 + ? v= c? V?= ?(1 + A ?利用邊界條件還能算得，反射系數與折射系數：

12、1 - vE?1 + v?21 + v?ROeToe三、實驗內容1. 用卡尺在e板的四周測量其厚度，并取平均值2. 根據圖測出沒有E?時的所有節點位置及有 e時對應的所有節點位置，計算其對應節點 的差值，并計算其平均值3. 把測試值列入表格中，并根據相應關系式，得到被測介質板的 參量? B、V及分界面上的R、T的值。印值，介質中的電磁波四、實驗步驟1. 整體機械調整：并測出e?板的平均厚度 &2. 根據圖示安裝反射板、 位置。3. 將具有厚度為附測 后，P?仍處于波節點透射板：固定P?i,移動P?2使 P?表頭指示為零，記下 P?處L的屛勺介質板放在P?處，必須緊貼E表面，同時注意在放進 E扳

13、之 L的位置。此時指示P?不再為零。4. 將P?和？共同移動，使P?由？移到？處使P?再次示零，得到 ?= |?7 ?；5. 計算？ ？伙V R、T的值。五、實驗數據及結果整理第一組第二組第三組第四組餉m6.186.285.805.70?mm5.99(1 )用卡尺在？?板的四周測量其厚度，數據如下:第一組第二組第三組第四組?左/mm4.10018.56534.75551.100?右/mm6.48521.07037.14553.480L/mm5.29319.81835.95052.240(2)媒質參量測試數據表：(? = 32.011mm , ? = 2?= 196.1826 rad/m )?左

14、/?14.10031.08547.130?右 /?16.47033.38549.425?15.28532.23548.278?L/mm4.5333.7153.962?4.070?= (1 + ?1/S2)3.08622.62502.7604入=審mV?18.221619.757619.2670?= ? V? rad/m344.645317.852325.947V=?v? m/S1.708 X 1081.852 X 1081.806 X108R=(1 - V?_R (1 + V?)-0.2745-0.2367-0.2485T=2?,(1 + V?)0.72550.76330.7515注：(1 )

15、與？ ？伙V R、T的計算值已經包含在上表中。(2)有介質板的情況下，第一組的數據讀不出來， 所以第一組的數據缺失， 只用了二, 四組的數據六、誤差分析由以上計算可得，計算的結果與理論值有一定偏差，但是誤差還在誤差允許范圍內，所以屬于正常誤差，誤差產生原因由以下幾點：用相干波測波長的裝置讀數時，微安表刻度有限，底座上的角度刻度表也精度有限 讀數的時候，人眼讀書也會存在一定的誤差，所測量的數據組數有限； 實驗室內的溫度在實驗過程中發生變化，并且空氣中電磁波的傳播速度小于真空中的光而計算時默認為真空光速計算的。1. 整體機械調整時，都是用人眼來確定是否水平，是否垂直，喇叭的調整也不精準，不能 保證

16、完全平行極化或垂直極化，所以產生了誤差2.3.4.速，2. 介質板的四個角測出來的不完全一樣，說明介質板不均勻，有誤差。七、思考題本實驗內容用？?= 1測試均勻無損耗媒質？?值，可否測？?工1的磁介質？試說明原因。 答：不能因為在本實驗中所有推導公式的前提都是?= 1,如果?工1，則不能用實驗中用到的推導公式。實驗三 電磁波反射、折射的研究、實驗目的1. 研究電磁場在良好導體表面的反射。2. 研究電磁場在良好介質表面的反射和折射3. 研究電磁場發生全反射和全折射的條件。二、實驗原理1.電磁波斜入射到兩種不同媒質分界面上的反射和折射均勻平面波斜入射到兩種不同媒質的分界面上發生反射和折射，以平行極

17、化波為例: (1)反射定律：？=?(3-1)(2)折射定律：sin ? = v?2?sin ?(3-2)2.平行極化波入射到兩種媒質分界面上的反射系數？?和折射系數？?分別為:-(諭 cos?+ v(希-(sin ?)2?3?= (?) cos ?+ v(滲-(sin ?)22V(?|)-(sin ?2?=(篇)cos ?+v(尋)-(sin ?)2(3-3)平行極化波斜入射時發生全折射，即?= 0，由(3-3)應有：? cos ?= v? - (sin ?2可以解出全折射時的入射角?= ?= sin-1 V?+:?稱為布儒斯特角，它表示在？?,?分界面上實現全反射的入射角。行極化波斜入射到厚

18、度為d的介質板上，如圖3-1所示：(3-4)(3-5)當?= ?時，入射波在第一個界面上發生全折射，折射波入射在第二個界面上，仍然 滿足(3-5)式中的條件發生全折射，在介質板后面就可以接收到全部的入射信號。3 - 1介質板全折射示意圖?和折射系數？?分別為:?)- (sin?2cos ?-?=cos ?+ v(?) - (sin ?22 cos ?3.垂直極化波不可能發生全折射(無反射) 波入射到兩種媒質的分界面上，反射系數?=? 2cos ?+v(諭-(sin r?對于一般媒質?工?,卩1工?，可以證明，垂直極化波無論是從光疏媒質入射到光密 媒質，還是從光密媒質入射到光疏媒質，總有：cos

19、?工 V(?) - (sin ?2，即？?豐 0所以不可能發生全折射。沿任意方向極化的平面電磁波，以？= ?入射到兩種媒質的分界面上時分界面上時反射波中只有垂直極化波分量，利用這種方法可以產生垂直極化波。4. 電磁波斜入射到良導體表面的反射：對于良導體，E2=0,所以？ = ?，|R|=1，|T|=0所以，在良導體表面上斜投射的電磁波，其反射長等于入射場，反射角等于入射角。實驗內容測量電磁波入射到良導體表面的反射特性觀察，測試介質板上的反射與折射測試平行極化波斜入射到介質板上發生全折射時的布儒斯特叫 觀察垂直極化波斜入射到介質板上是否發生全折射四、實驗步驟調試試驗裝置：首先使兩個喇叭天線互相隊

20、正，它們的軸線應該在一條直線上，具體 再轉動活動臂使活動臂上的指針(1)方法如下：旋轉工作平臺使00刻線與固定臂上的指針對正，對正工作平臺上的180 0刻線，然后鎖定活動臂。打開固態信號源上的開關，連接在接收喇使微安表的指叭天線上的微安表將有指示，分別調整發射喇叭天線和接收喇叭天線的方向， 示最大，這時發射天線與接收天線互相對正。（2）測試電磁波入射到良導體表面的反射特性首先不加反射板，使發射天線與接收天線互相對正，調整固態信號源，測出入射波電場（可使微安表指示80uA）。然后把良導體反射板放在轉臺上，使導體板平面對準轉臺上的 90刻線，這時轉臺上的0刻線與導體板的法線方向一致。改變入射角?，

21、測在反射角?= ?時的反射波場強？?1 （仍用微安表指示的電流表示），把測試數據填入表 3-1中。最后可把接收 天線轉到導體板后（180 0刻線處），觀察有無折射波。（3 ）平行極化波斜入射到介質板上的斜折射實驗1） 把發射天線和接收天線都轉到平行極化波工作狀態，首先測量入射波電場？?1 （可使微安表指示80uA）。然后把玻璃板放在轉臺上，使玻璃板平面對準轉臺上的g。0刻線。轉動轉臺改變入射角，使？? = ?2，同時得到斜入射時，反射波場強為零的入射角（可把接收 天線轉到反射波方向驗證），這時?= ?把測量數據填入表 3-3中。2）把發射天線和接收天線都轉到垂直極化波工作狀態，重復上述實驗，觀

22、察有無全折 射現象。3） 把發射天線喇叭轉到任意方向（例如順時針旋轉45 0 ），使入射角?= ?在反射波方向分別測量水平極化波和垂直極化波，記錄實驗結果，把測量數據填入表3-4.五、實驗數據（1）電磁波入射到良導體表面的反射特性: 表3-1入射場？?174uA入射角?300400500600反射角？?300400500600反射場？62uA68uA86uA71uA（玻璃的介電常數約為5）（2）平行極化波斜入射到介質板上的全折射實驗: 表3-3入射場?1反射場?1折射場？?2測量值計算值74uA0uA86uA60065.90表3-4發射喇叭位置入射場？?1 （水 平）入射場？?（垂 直）反射場?1 （水 平）反射場?1 （垂 直