1、電磁場與電磁波實驗指導書魯東大學信息與電氣工程學院電磁場與電磁波實驗室電磁場與電磁波實驗守則1、學生必須按時到指定實驗室做實驗，不遲到、不早退，不喧嘩，不亂扔雜物；愛護公物, 嚴禁在實驗桌面上亂刻、亂畫。保持實驗室良好的實驗環境。2、實驗前學生必須對所做的實驗進行充分預習，并寫出預習報告。 實驗前應認真了解所用 儀器、設備、儀表的使用方法與注意事項。在啟動設備之前，需經指導教師檢查認可。3、實驗時，要嚴肅認真，正確操作，仔細觀察，真實記錄實驗數據的結果。實驗中嚴禁違章操作，遇到儀器設備故障要及時報告，不得自行拆卸。不得做與實驗無關的事情，不得動與實 驗無關的設備，不得進入與實驗無關的場所。4、

2、實驗中，如發現儀器設備損壞或丟失，應及時報告，查明原因。凡屬違反操作規程導致設備損壞或自行丟失儀表工具的，要追究責任，照章賠償。5、若發生事故，不要驚慌，必須立即切斷電源，要保持現場并報告老師，以便查明情況， 酌情處理。6、實驗完畢后，要按要求整理好試驗設備、器材和工具等，關斷電源。經指導教師檢查數 據并簽字后，方可離開實驗室。7、學生需做開放性實驗時，應事先與有關實驗室（中心）聯系，報告自己的實驗目的、內容。實驗結束后應整理好實驗現場。8、學生必須認真做好實驗報告，在規定時間內交給指導教師批閱。7實驗一 電磁波感應器的設計與制作實驗電磁波的極化實驗實驗三 電磁波傳播特性實驗實驗四 天線方向圖

3、測量實驗實驗一 電磁波感應器的設計與制作、預習要求1、什么是法拉第電磁感應定律？2、什么是電偶極子？3、了解線天線基本結構及其特性。、實驗目的1、認識時變電磁場，理解電磁感應的原理和作用。2、通過電磁感應裝置的設計，初步了解天線的特性及基本結構。3、理解電磁波輻射原理。三、實驗原理隨時間變化的電場要在空間產生磁場， 同樣， 隨時間變化的磁場也要在空間產生電場。 電場 號發生器作為發射源，通過發射天線產生電磁波。和磁場構成了統一的電磁場的兩個不可分割的部分。能夠輻射電磁波的裝置稱為天線， 用功率信澈帶天線信號源圖1 電磁感應裝置如果將另一付天線置于電磁波中， 就能在天線體上感生高頻電流，我們可以

4、稱之為接收天線,接收天線離發射天線越近，電磁波功率越強，感應電動勢越大。如果用小功率的白熾燈泡接入天線饋電點，能量足夠時就可使白熾燈發光。接收天線和白熾燈構成一個完整的電磁感應裝置, 圖1所示。電偶極子是一種基本的輻射單元，它是一段長度遠小于波長的直線電流元，線上的電流均勻同相，一個作時諧振蕩的電流元可以輻射電磁波，故又稱為元天線，元天線是最基本的天線。電磁感應裝置的接收天線可采用多種天線形式,相對而言性能優良，但又容易制作,成本低廉的有半波天線、環形天線、螺旋天線等，如圖2所示。半渡天綬環萸線蛭天線圖2接收天線本實驗重點介紹其中的一種,半波天線?？梢杂址Q為偶極子半波天線又稱半波振子，是對稱天

5、線的一種最簡單的模式。對稱天線（或稱對稱振子）看成是由一段末端開路的雙線傳輸線形成的。這種天線是最通用的天線型式之一, 天線。而半波天線是對稱天線中應用最為廣泛的一種天線，它具有結構簡單和饋電方便等優點。半波振子因其一臂長度為/4，全長為半波長而得名。其輻射場可由兩根單線駐波天線的輻射場相加得到，于是可得半波振子（ L /4）的遠區場強有以下關系式:60I cosmos)60If(式中，f（）為方向性函數,對稱振子歸一化方向性函數為:F()f()|cos(嚴s )fmaxsin其中fmax是f（）的最大值。由上式可畫出半波振子的方向圖如圖3所示。圖3半波振子的方向圖半波振子方向函數與無關,故在

6、 H面上的方向圖是以振子為中心的一個圓，即為全方向性的方向圖。在 E面的方向圖為8字形，最大輻射方向為12，且只要一臂長度不超過0.625，輻射的最大值始終在/2方向上；若繼續增大L,輻射的最大方向將偏離/2方向。四、實驗內容與步驟1、打開功率信號發生器電源開關，Signal燈亮，機器工作正常，按下Tx按鈕，觀察功率指示表有一定偏轉，此時 Standby燈亮，說明發射正常。2、用金屬絲制作天線體，用螺絲固定于感應燈板（或電流表檢波板）兩端，并安放到測試 支架上，調節感應板的角度，使其與發射天線的極化方向一致。調節測試支架滑塊到最右端，按 下功率信號發生器上 Tx按鈕，同時移動測試支架滑塊，靠近

7、發射天線，直到小燈剛剛發光時, 記錄下滑塊與發射天線的距離。3、改變天線振子的長度，重復上面過程，記錄數據。4、選用其它天線形式制作感應器，重復上面過程，記錄數據。次數天線形式天線長度接收距離1234五、注意事項1、按下Tx按鈕時，若Alarm紅色告警燈亮，應立即停止發射，檢查電纜線與發射天線接口是否旋緊，其余接口是否用封閉帽蓋上，Out put接口與電纜是否接好，或請老師檢查。否則會 損壞機器。2、測試感應器時，不能將感應燈靠近發射天線的距離太小，否則會燒毀感應燈。（置于20cm 以外，或視感應燈亮度而定）。3、盡量減少按下 Tx按鈕的時間，以免影響其它小組的測試準確性。4、測試時盡量避免人

8、員走動，以免人體反射影響測試結果。六、報告要求1、按照標準實驗報告的格式和內容完成實驗報告。2、制作兩種以上天線，觀察接收效果。畫出天線形狀，記錄接收距離。3、對實驗中的現象分析討論。4、提出改進意見及建議。七、接收天線參考形狀caTODDTPi實驗三 電磁波傳播特性實驗、預習要求1、什么是邁克爾遜干涉原理？它在實驗中有哪些應用？2、駐波的產生原理及其特性。、實驗目的1、學習了解電磁波的空間傳播特性。2、通過對電磁波波長、波幅、波節、駐波的測量，進一步認識和了解電磁波。三、實驗原理變化的電場和磁場在空間的傳播稱為電磁波。幾列不同頻率的電磁波在同一媒質中傳播時， 幾列波可以保持各自的特點（波長、

9、波幅、頻率、傳播方向等），在同時通過媒質時，在幾列波 相遇或疊加的區域內，任一點的振動為各個波單獨在該點產生振動的合成。而當兩個頻率相同、 振動方向相同、 相位差恒定的波源所發出的波疊加時， 在空間總會有一些點振動始終加強， 而另而駐波一些點振動始終減弱或完全抵消，因而形成干涉現象。干涉是電磁波的一個重要特性， 利用干涉原理可對電磁波傳播特性進行很好的探索。此平面波垂直入是干涉的特例。 在同一媒質中兩列振幅相同的相干波， 在同一直線上反向傳播時就疊加形成駐波。由發射天線發射出的電磁波， 在空間傳播過程中可以近似看成均勻平面波。射到金屬板，被金屬板反射回來，到達電磁波感應器；直射波也可直接到達電

10、磁波感應器，這兩列波將形成駐波，兩列電磁波的波程差滿足一定關系時，在感應器位置可以產生波腹或波節。設到達電磁感應器的兩列平面波的振幅相同，只是因波程不同而有一定的相位差， 電場可表15示為：ExEm cos( t kz)Ey Em cos( t kz )其中z是因波程差而造成的相位差。則當相位差z1 n (n O,1,2LL ）時，合成波的振幅最小， z1 的位置為合成波的波節；相位差z2(2n 1) / 2 (nO,1,2L L ）時，合成波的振幅最大，z2的位置為合成波的波腹。實際上到達電磁感應器的兩列波的振幅不可能完全相同，故合成波波腹振幅值不是二倍單列波的振幅值，合成波的波節值也不是恰

11、好為零。根據以上分析， 若固定感應器， 只移動金屬板， 即只改變第二列波的波程， 讓駐波得以形成，當合成波振幅最小（波節）時：z1n /n /2當合成波振幅最大（波腹）時:z2 (n 1/2) /(2n1) /4此時合成波振幅最大到合成波振幅最?。úǜ沟讲ü潱┑淖疃滩ǔ滩顬?4，若此時可動金屬板移動的距離為 L，則:L /4即:可見，測得了可動金屬板移動的距離L ,代入式中便確定電磁波波長。四、實驗內容及步驟實驗裝置如圖4所示。,1Xi©作対ncznLiiiiiii 1Hill圖4電磁波教學綜合實驗儀1、將設計制作的電磁波感應器（天線）安裝在可旋轉支臂上，調節其角度與發射天線的極化方

12、向一致，再將支臂滑塊移到距離發射天線分別為30 cm、35cm、40cm 刻度處。2、開啟電磁波教學綜合實驗儀開關（Po wer）射出來。，按Tx按鈕，此時發射天線板已有電磁波發3、移動反射板，觀察天線上的燈是否有明暗變化。如果沒有，檢查天線角度是否與發射天線極化方向一致；如果還沒有明暗變化，再將支臂滑塊移到距離發射天線近一點。4、如系統正常工作，從遠而近移動反射板，使燈泡明暗變化。以燈泡明暗度判斷波節（波 腹）的出現。先將天線固定于位置 1,由遠而近移動反射板，記錄下燈泡兩個相鄰最亮時反射板位置的坐標（波腹點），其距離即為/2。再將天線固定于位置 2,重復上述過程。最后將天線固定于位 置3,

13、重復上述過程。將測量數記入下表:次數天線位置（cm）波腹點1（cm）波腹點2（cm）波長（cm）123平均波長頻率（Hz）五、注意事項1、按下Tx按鈕時，若Alarm紅色告警燈亮，應立即停止發射，檢查電纜線與發射天線接口是否旋緊，其余接口是否用封閉帽蓋上，Out put接口與電纜是否接好，或請老師檢查。否則會 損壞儀器。2、測試感應器時，不能將感應燈靠近發射天線的距離太小，否則會燒毀感應燈。（置于20cm 以外，或視感應燈亮度而定）。3、盡量減少按下 Tx按鈕的時間，以免影響其它小組的測試準確性。4、測試時盡量避免人員走動，以免人體反射影響測試結果。六、報告要求1、按照標準實驗報告的格式和內容

14、完成實驗報告。2、用自制的接收天線，分別用白熾燈和電流表測量電磁波的波長，并計算出電磁波的頻率。3、對實驗中的現象分析討論，并對實驗誤差產生的原因進行分析。4、提出改進意見及建議。實驗二電磁波的極化實驗、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?、實驗目的1、研究幾種極化波的產生及其特點。2、制作電磁波感應器，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

15、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，如圖一個的極化取向在 丫5所示。設兩線極化波沿正Z方向傳播，一個的極化取向在X方向，另 方向。若X在水平方向，丫在垂直方向，這兩個波就分別為水平極化波和垂直極化波。若：水平極化波垂直極化波Ex Exm Sin(tkz)Ey Eym sin( tkz )其中Exm、Eym分別是水平極化波和垂直極化波的振幅, 取為參考相面）。取Z 0的平面分析，有：是Ey超前Ex的相角（水平極化波Ex E xm sin(t)E y E ym

16、 sin(綜合得:aE2 bExEy cEy 1式中a、b、c為水平極化波和垂直極化波的振幅Exm、Eym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。在滿足不同條件時，形成三種極化波。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、當兩個線極化波振幅相等，相位相差/2時，其合成波是一個圓極化波。3、當兩個線極化波振幅不等或相位差不為/2時，其合成波是一個橢圓極化波。實驗一所設計的半波振子天線接收（發射）的波為線極化波；而最常用的接收（發射）圓極化波或橢圓極化波的天線為螺旋天線。實際上一般螺旋天線在軸線方向不一定產生圓極化波,是

17、橢圓極化波。當單位長度的螺圈數N很大時，發射（接收）的波可看作是圓極化波。極化波需要重視的是極化的旋轉方向問題。般規定：面對電磁波傳播的方向 （無論是發射或接收），電場沿順時針方向旋轉的波稱為右旋圓極化波,反時針方向旋轉的波稱為左旋圓極化波。右旋螺旋天線發射或接收右旋圓極化波效果較好,左旋螺旋天線發射或接收左旋圓極化波效果較好。螺旋天線繞向的判斷方法：沿著天線輻射方向，當天線的繞向符合右手螺旋定則時，為 右旋圓極化，反之為左旋圓極化。四、實驗內容實驗裝置如圖6所示。圖6電磁波極化實驗裝置1、將一付發射天線架設在發射支架上，連接好發射電纜，開啟電磁波教學綜合實驗儀開關（P ower），電纜線一端

18、接輸出端口（Out put），另一端分別接發射天線的垂直、水平和圓極化 端口。45度三種位置，按下2、將電磁波感應器安裝在測試支架上，分別設置成垂直、水平、斜Tx發射按鈕，并移動感應器滑塊，觀察燈泡由亮到不亮時距發射天線的距離，并記錄數據。3、分析實驗數據，判斷發射天線發出的電磁波的極化形式。極化形式接收距離（cm）接口標號水平垂直45度垂直極化水平極化圓極化（左旋）圓極化（右旋）五、注意事項1、按下Tx按鈕時，若Alarm紅色告警燈亮，應立即停止發射，檢查電纜線與發射天線接口是否旋緊，其余接口是否用封閉帽蓋上，Out put接口與電纜是否接好，或請老師檢查。否則會 損壞機器。2、測試感應器時

19、，不能將感應燈靠近發射天線的距離太小，否則會燒毀感應燈。（置于20cm 以外，或視感應燈亮度而定。）3、避免與相鄰小組同時按下 Tx按鈕，盡量減少按下 Tx按鈕的時間，以免相互影響測試準 確性。4、測試時盡量避免人員走動，以免人體反射影響測試結果。六、報告要求1、按照標準實驗報告的格式和內容完成實驗報告。2、用自制的接收天線，對應不同的天線極化波接口，調整感應器的角度，用電流表或燈泡 記錄感應器的最大接收距離，分析電磁波的極化形式。3、討論電磁波不同極化收發的規律。4、提出實驗改進意見和建議。實驗四 天線方向圖測量實驗、預習要求1、什么是天線的方向性?2、什么是天線的方向圖，描述方向圖有哪些主

20、要參數?、實驗目的1、通過天線方向圖的測量，理解天線方向性的含義;2、了解天線方向圖形成和控制的方法;3、掌握描述方向圖的主要參數。三、實驗原理天線的方向圖是表征天線的輻射特性（場強振幅、相位、極化）與空間角度關系的圖形。 完整的方向圖是一個空間立體圖形，如圖7所示。它是以天線相位中心為球心 （坐標原點），在半徑足夠大的球面上，逐點測定其輻射特性繪制而成的。測量場強振幅，就得到場強方向圖；測量功率，就得到功率方向圖；測量極化就得到極化方向圖；測量相位就得到相位方向圖。若不另加說明，我們所述的方向圖均指場強振幅方向圖?？臻g方向圖的測繪十分麻煩，實際工作中，一般只需測得水平面和垂直面的方向圖就行了

21、。八£無4圖7立體方向圖天線的方向圖可以用極坐標繪制，也可以用直角坐標繪制。極坐標方向圖的特點是直觀、簡單，從方向圖可以直接看出天線輻射場強的空間分布特性。但當天線方向圖的主瓣窄而副瓣電平低時，直角坐標繪制法顯示出更大的優點。因為表示角度的橫坐標和表示輻射強度的縱坐標均可任意選取，例如即使不到10的主瓣寬度也能清晰地表示出來，而極坐標卻無法繪制。一般繪制方向圖時都是經過歸一化的,即徑向長度（極坐標）或縱坐標值（直角坐標）是以相對場強（' ” max表示。這里，（ ' ）是任一方向的場強值,max是最大輻射方向的場強值。因此,歸一化最大值是1。對于極低副瓣電平天線的方向圖，大多采用分貝值表示，歸一化最大值取為零分貝。圖8所示為同一天線方向圖的兩種坐標表示法。電平。191702107 E曲liO iS'C"何圖8方向圖表示法（a）極坐標（b）直角坐標本實驗測量一種天線的方向圖，測試系統框圖如圖9所示。其中，輔助天線作發射，由功率信號發生器激勵產生電磁波； 被測天線作接收，被測天線置于可以水平旋轉的實驗支架上，接收到的高頻信號經檢波后送給電流指示器顯示。功率信號源圖9方向圖測試系統四、實驗內容與步驟1、