1、哈工大電磁場實驗報告電磁波波動特性的實驗研究1 實驗目的無線電的使用頻率在不斷提高，微波（超高頻），由于它的波長短、頻率高、方向性強，所以廣泛的應用在雷達、遙控、電視、射電天文學、接力通訊和衛星通訊等方面。微波通常指分米波、毫米波的電磁波，它的頻率極高，一般在300300000兆赫，所以有關微波的產生、放大、發射、接收、測量、傳輸等和一般的無線電波不盡相同。在微波技術中，需要微波電子管、晶體管、波導、同軸線和一些諸如衰減器，諧振腔等特殊元件。從電磁波的本質來說，微波也具有波動的共同特點，如反射、折射、衍射、干涉、偏振等。我們根據它們的這種共同的通性，以及微波波長接近光波波長的特點，模仿光學實驗

2、的方法，來做電磁波波動特性的實驗。我們的實驗目的是，以微波作波源，用模擬光學實驗的方法，來研究電磁波所具有的傳遞能量和波動的特性。2 微波實驗主要儀器簡介1） 三厘米固態信號源三厘米固態信號源結構簡單、體積小、重量輕、輸出功率大、性能穩定、攜帶使用方便。主要技術指標：工作頻率范圍：937050MHz 在工作頻率范圍內，輸出功率20mW工作模式：等幅波、方波輸入電源：220V10%2） 微波分度計其總體結構如圖1-1所示，可分為三個部分。1、發射部分它是由固定臂及臂上的發射喇叭和可變衰減器組成，其微波信號是由三厘米固態信號發生器經同軸電纜饋電送至發射天線。2、接收部分它由可繞中心軸轉動的懸臂和臂

3、上端的接收喇叭，檢波器組成。3、在兩喇叭之間的中心軸自由轉動的圓形小平臺，平臺被均分為360等分。圖1-1（一） 電磁波的反射實驗1、 實驗目的任何波動現象（無論是機械波、光波、無線電波），在波前進的過程中如遇到障礙物，波就要發生反射。本實驗就是要研究微波在金屬平板上發生反射時所遵守的波的反射定律。2、 實驗原理電磁波從某一入射角射到兩種不同介質的分界面上時，其反射波總是按照反射角等于入射角的規律反射回來。如圖（1-2）所示，微波由發射喇叭發出，以入射角設到金屬板,在反射方向的位置上，置一接收喇叭，只有當處在反射角約等于入射角時，接收到的微波功率最大，這就證明了反射定律的正確性。圖1-23、

4、實驗儀器本實驗儀器包括三厘米固態信號發生器，微波分度計，反射金屬鋁制平板，微安表頭。4、 實驗步驟1） 將發射喇叭的衰減器沿順時針方向旋轉，使它處于最大衰減位置；2） 打開信號源的開關，工作狀態置于“等幅” 旋轉衰減器看微安表是否有顯示，若有顯示，則有微波發射；3） 將金屬反射板置于分度計的水平臺上，開始它的平面是與兩喇叭的平面平行。4） 旋轉分度計上的小平臺，使金屬反射板的法線方向與發射喇叭成任意角度，然后將接收喇叭轉到反射角等于入射角的位置，緩慢的調節衰減器，使微安表顯示有足夠大的示數（50）。5） 熟悉入射角與反射角的讀取方法，然后分別以入射角等于30、40、50、60、70度，測得相應

5、的反射角的大小。6） 在反射板的另一側，測出相應的反射角。5.數據的記錄預處理記下相應的反射角，并取平均值，平均值為最后的結果。入射角19°29.5°36°49.5°59°68°20.5°33°43°52°62°70.5°的平均值19.8°31.3°39.5°50.8°60.5°69.3°6.問題討論為什么要在反射板的左右兩側進行測量然后用其相應的反射角來求平均值。答：由于實驗儀器存在回程差，故分別向左和向右測量以抵

6、消回程差的影響，使測量結果更為精確。（二） 電磁波的偏振實驗1 實驗目的通過實驗研究來進一步熟悉電磁波的偏振特性2 實驗原理喇叭天線的增益大約是20分貝，當發射喇叭口面的寬邊與水平面平行時，發射信號電矢量的偏振方向是垂直水平面的直線偏振波，假設該直線偏振波在接收喇叭處強度為 其中是與之間的夾角，這就是光學中關于光強分布的馬呂斯定律。本實驗所用接收喇叭是和一段旋轉短波導連在一起的，從而可在旋轉波導的軸承環的范圍內旋轉，當接收喇叭與發射喇叭之間的夾角為，則接收的信號強度是。因此，轉動接收喇叭，就可得到轉角與微安表的一組數據，并可與馬呂斯定律相比較。3 實驗步驟1） 首先把發射喇叭和接收喇叭調到一條

7、直線上，旋轉平臺上的定位銷，使懸臂固定，此時，使波導的指示在零度處。2） 調節衰減器，使微安表的指示足夠大（60）作為（=74）。3） 然后旋轉接收喇叭， 每隔記下相應的電流強度。4） 然后從每隔記下相應的電流強度。5） 數據的記錄與處理 項目1（I）74504230201252102（I）8076685238209310I的平均值77635541291672.51074.072.969.564.156.747.637.025.312.80（三） 電磁波的衍射實驗1.微波單縫衍射實驗1) 實驗目的熟悉電磁波具有波的繞射通性，測試微波的衍射強度隨衍射角的變化規律。1） 實驗原理微波的衍射原理與光

8、波完全相同，當一束平面波入射到一寬度和波長可以比擬的狹縫時，它就要發生衍射現象。設電磁波波長為，如圖（1-3）所示，平面電磁波垂直入射到寬度為的夾縫上，當衍射角符合如下條件時圖1-3 （A）在狹縫后面出現衍射波的強度極小。當 （B）（1、2、3）時，則在縫后面出現衍射波的強度極大。介于上述兩條件之間的衍射波，衍射波的強度在極小值與極大值之間變化，其相對衍射強度與衍射角之間的變化規律如圖（1-4）所示（縱坐標為相對衍射強度，橫坐標為衍射角）I圖1-44)實驗步驟1 首先將發射喇叭與接收喇叭的中心和分度計上小平臺的中心三者調到同一個垂直平面內，并且保證發射喇叭和接收喇叭處于等高。2 將鋁制板縫的寬

9、度調為7厘米，然后使狹縫平面與兩喇叭的連線成正交方向固定在分度計的小平臺上3 調節衰減器使微安表的顯示足夠大。4 從衍射角為零度開始在單縫的兩側，衍射角每改變1度去讀取一次示數，并添入數據表。5 根據公式（A）和（B），并由已給微波波長3.2厘米，縫寬7.0厘米，計算出一級極小和一級極大的衍射角。 項目級數衍射角 理論值衍射角 測量值絕對誤差相對誤差一級極小二級極小三級極小 27.2° 66.0° 無 28.5° 28.0°61.5° 64.2°1.05°3.15°3.94.8一級極大二級極大三級極大 43.3&#

10、176; 無 無43.0° 42.5°0.55°1.3(四) 用微波的布拉格衍射實驗測定模擬晶體的晶格常數1） 實驗目的仿照X射線入射真實晶體發生衍射的基本原理，我們用制作的放大的晶體模型代替真實晶體，以微波代替X射線。讓微波向模擬晶體入射，觀察波在“晶體”的不同晶面上反射時，其反射波產生干涉所符合的條件與微波的波長，“晶體”的晶格常數以及掠射角之間的關系。2） 實驗原理如圖（1-5）所示，設原子之間的距離為，當一束微波以角掠射到100晶面，一部分微波將為表面層的“原子”所散射，其余部分的微波將為“晶體”內部的各“晶面”上的原子所散射。各層晶面上“原子”散射的本質

11、是因“原子”在微波電磁場的作用下，做與微波同頻率的受迫振動，然后向周圍發出微波，按反射定律的方向反射的微波強度最大。由圖（1-5）可知，波束和波束是分別由表面層和第二層所反射，其波程差為顯然，當符合下列條件時 K=1，2，3反射的微波是干涉加強。上式就是晶體衍射的布拉格公式。本實驗使用的微波波長厘米；晶格常數厘米。圖1-53） 實驗步驟1、 首先將發射喇叭和接收喇叭置于等高度，然后調在同一垂直面內。2、 用以給的和用公式計算出是對應的掠射角。3、 將“晶體”放在轉動的小平臺上，掠射角從零度測起，每改變2度測一讀數，然后記下電流表的數值，以電流表的值為縱坐標，以掠射角為橫坐標，做出的關系曲線。掠

12、射角30323436384042444648/3440825402894掠射角50525456586062646668/8854422028掠射角70/6的關系曲線如下所示。(五) 麥克爾遜實驗（用介質測波長）麥克爾遜實驗基本原理如圖1-6所示，在電磁波前進的方向放置45度半透射板，由于板的作用，將入射波分成兩束；一束向A方向傳播，一束向B方向傳播，由于A、B兩處反射作用，兩束波就再次發射到半透明板，并到達接收喇叭，由于接收喇叭接受兩束波同頻率，振動方向一致的兩個波。如果兩個波相差為的整數倍時，則干涉加強，當相位差為的奇數倍時，則干涉減弱。因此移動B處的反射板，當表頭指示從一個極小值變到另一個

13、極小值時，則B處反射板移動波長的距離。圖1-6實驗時通過移動讀數機的一端，使表頭出現個極小值（極大值），并同時記下讀數機移動的相應位移數，從而求得反射板的移動距離，則波長為，零指示數相當于的波長數。零指示數（）4（31） n3可移動板指示位置12.00,28.72,45.29,60.68可移動板位移L=60.68-12.00=48.68測得 實驗三 雙縫干涉1、實驗目的通過實驗觀察并測量雙縫干涉的現象及特性。2、實驗原理rv1如圖 3 所示，在一塊金屬板上相隔 b 有兩個寬度ab同為a 的縫隙，當電磁波垂直入射到該金屬板上時， 在兩個縫上均產生感應磁流，這兩個縫隙可以看成為兩rv2 個天線，金

14、屬板背面的場是這兩個縫隙輻射場的疊加a（干涉的結果）。當 b 的值較大時，即忽略兩個縫隙之間的相互影響，則金屬背面的場為E E1 E2其中 E1 和E2分別為兩個縫隙輻射的場，因為金屬板與入射線垂直，則兩個縫隙上的感應磁流相同，即則總場的幅度為E = 2E1 sink (a + b)sinq因此當sink (a + b)sinq / 2 = 1即k (a + b)sinq / 2 = (2n +1)p / 2 ，時，總場（干涉場）出現加強）當sin k ( a + b)sin q / 2 = 0即 k (a + b )sinq / 2 = np 時，總場（干涉場）出現減弱。3、實驗系統構建（1

15、）發射、接收喇叭安裝同實驗一，取工作波長l = 32mm ；（2）調節雙縫鋁板，使縫的寬度為a = 40mm ，b =130mm ； （3）將雙縫板安裝到支座上，使鋁板平面與小圓盤上的某一對刻度線一致， 此刻度線應與工作臺上的900 刻度的一對線一致；(4) 轉動小平臺使固定臂的指針指向小平臺的1800 處，此時小平臺的00 就是縫隙平面的法線方向；4、實驗步驟（1）按照信號源操作規程接通電源； （2）調節衰減器使微安表的讀數指到合適位置（80 ìA ）； (3) 從衍射角00 開始，每改變10 讀取一次表頭讀數，并記錄下來。做完實驗 后關閉電源，將衰減器的衰減調至最大。5、實驗報告

16、(1)整理數據，繪出曲線。雙縫干涉角度/°02468I/ uA70382830角度/°1012141618I/ uA3681210角度/°2022242628I/ uA2016161525角度/°3032343638I/ uA163114角度/°4042444648I/ uA28382043角度/°5052545658I/ uA33242角度/°6062646668I/ uA44222角度/°70I/ uA2(2)標注一級極小，一級極大的角度。由圖像可知，一級極小的角度為4°，一級極大的角度為10

17、6;。 (3)對實驗現象的分析和討論。從表中可以讀出一級極小的角度約為4°，一級級大的角度約為10°。理論上由公式推導出一級極小的角度為5.4°，以及極大的角度約為10.8°，實驗結果與理論值較符合。雙縫干涉實驗中，發射喇叭發射的能量經過雙縫后，在空間形成了干涉現象，隨著衍射角的變化，接收喇叭可以接收到各個方向的能量，通過能量的大小變化，就可以粗略獲知雙縫干涉圖樣，通過左右兩個方向的旋轉觀察，也減小了單側觀察可能出現的誤差，消除了離軸誤差，實驗結果具體情況可見上圖，結果顯示，極小與極大角度實測值與理論值較符合。實驗六 偏振（極化）（二）1、實驗目的通過實

18、驗掌握利用極化柵產生圓極化的方法，掌握圓極化的特性及檢測技術。2、實驗原理如圖 10 所示，將發射喇叭旋轉 450，則發射喇叭輻射的電磁波可以分解為水平極化和垂直極化波。由實驗四已知，從發射喇叭發出的電磁波被介質板（此實驗為玻璃板）分成兩束波，一束為反射波，這部分波到達柵板 1，柵板 1 只能將電場與金屬絲平行的電磁波反射，而電場與金屬絲垂直的電磁波則順利穿過極化柵板，被后面的吸波材料吸收，被柵板 1 反射回來的電磁波，部分透過介質板到達接收喇叭，這部分電磁波為垂直極化波；同理，另一束從發射喇叭發出的電磁波，透過介質板直接傳輸到柵板 2，電場與柵板 2 金屬絲平行的部分被反射，垂直的部分透過金

19、屬柵被其后面的吸波材料吸收，反射回來的電磁波，部分被介質板反射到達接收喇叭，這部分電磁波為水平極化波，這樣接收喇叭接收到的電磁波分別為柵板 1 和柵板 2 反射的電磁波，它們的極化方向相互垂直，幅度相同，再前后移動柵板 2 或柵板 1，可以使它們的相位差達到 90 度，形成圓極化。圖10 圓極化波的產生及檢測3、實驗系統構建(1) 安裝喇叭天線，使發射喇叭（固定臂）和接收喇叭（旋轉臂）之間互成900，兩個喇叭極化方向一致；(2) 安裝極化柵板，一個極化柵板（如板 1）為固定安裝，另一個則安裝于 讀數器上，讀數器安裝于分光儀的指定位置，使極化柵板面與兩個喇叭的軸線分 別垂直，兩個極化柵板的金屬絲

20、方向互相垂直； (3)安裝介質板，使介質板與兩個喇叭的軸線互成 450。圖 11 圓極化實驗系統4、實驗步驟(1) 按照信號源操作規程接通電源；(2)調節衰減器的衰減量，使微安表的讀數合適（如 80 微安）；(3) 旋轉發射喇叭的極化方向為 450；(4) 在0 0到 900之間旋轉接收喇叭，將出現在任意角度下 E á£E（或 E/ ），這時改變金屬柵 2 的位置，使得 E = E = E/ ，這樣就實現了兩個波的相位差為± ，得到圓極化波；(5)由于測試條件的限制， E 和 E 、 E/ 不能完全相等，當接收喇叭在0 3600 旋轉時，總會出現檢波電壓波動；但當

21、E min / Emax µ ³ 0.9時，即橢圓度為 0.93 時，可以認為基本實現了圓極化波；(6)旋轉接收喇叭記下不同角度的檢波電流，求出圓極化波的橢圓度；(7)實驗結束，將衰減器調節至衰減最大，關閉電源。5、實驗報告(1)整理數據，繪出曲線；角度0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°電流/µA52565860566054525854(3)對實驗現象及現象的分析和討論，得出結論。在本次實驗中，當接收喇叭旋轉時，檢波電流基本保持不變。發射喇叭

22、儀器存在系統誤差，得不到絕對的水平極化和垂直極化波；柵板也不是絕對的平面，也影響入射角和反射角的大小；電流表等儀器靈敏度不高均影響檢波電流的測量，在實驗條件允許的條件下，本實驗基本獲得了圓極化波。因此，可以得到結論：同頻率正交場的兩個線極化波相位差為90°,幅度相等時,合成場波為圓極化波。實驗七、左旋/右旋圓極化波1、實驗目的通過實驗觀察測試左旋/右旋圓極化電磁波的特性，掌握利用介質片及圓波導產生圓極化波的方法。2、實驗原理本實驗主要使用 DH30002 型電磁波極化天線（如圖 12）和 DH926B 型微波 分光儀。圖 12 DH30002 型電磁波極化天線圖 13 DH30002

23、 型電磁波圓極化天線的工作原理電磁波極化天線 DH30002 是由方圓波導轉換、介質圓波導和圓錐喇叭組成。 介質圓波導可作 360o旋轉，并有刻度指示給出轉動的角度，當矩形波導中的 TE10 波經方圓波導轉換到圓波導口面時，就過渡為圓波導的 TE11 波，并可在介質圓 波導內分成兩個分量的波，即電場垂直于介質片平面的波和電場平行于介質面的 波。本系統設計為頻率在 9370MHz（即32mm ）左右，使兩個分量的波相位差90o，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相等時 則可得到圓極化波。當圓極化波輻射裝置方變圓波導（如圖 13）使 TE10 的Ey 波過渡到 TE11 成

24、為ER 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，Et 和En 的傳 播速度不同，即Vc = Vn Vt =Vc/當介質片的長度 L 合適時，使En 波的相位 超前t E 波的相位90°，這就實現了圓極化波相位條件的要求；為使n E 與t E 的幅度相等，可使介質片的n方向跟Y軸之間夾角為á ±45，若介質片的損耗略去不計，則有Emax Emin 1/Erm實現了圓極化波幅度相等條件的要求（實際 上有時需稍偏離 45以實現幅度相位的要求）。圓極化波是右旋還是左旋特性的確定：電場旋轉方向和波的傳播方向符合右手螺旋規則的波，定為右旋圓極化波，反之定

25、為左旋圓極化波。 本組件中介質片長度 L 已定在適合于 9370MHz ± 50MHz 的帶寬范圍內工作，其橢圓度³ 0.93。圓極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。作為線極化波工作時，介質片n 與 y 軸相垂直（或平行）。作為橢圓極化波 工作時，介質片n 與 y 軸夾角可在 =045之間。3、系統構建(1) 將發射端喇叭換成 DH30002 型電磁波極化天線，即如圖 12 所示的圓錐 喇叭，并使圓錐喇叭連接方式同原矩形發射喇叭連接（圓錐喇叭的方圓波導轉換 仍連接微波分光儀的衰減器和 DH1121B 型三厘米固態信號源的振蕩器）；(2) DH9

26、26B 型微波分光儀的接收喇叭（矩形喇叭）口面應與 DH30002 型 電磁波極化天線（圓錐喇叭）口面互相對正，它們各自的軸線應在一條直線上， 指示兩喇叭位置的指針分別指于工作平臺的 90° 刻度或 0°-180° 刻度處。4、實驗步驟(1) 按照信號源操作規程接通電源；(2)調節信號源的頻率到 9370MHz ± 50MHz 范圍（注：一般已調好）；(3)旋轉發射喇叭的極化方向為 , 其內部介質片也隨之旋轉，內部介質片 應與矩形波導的寬邊成 450,理論上實現了圓極化波幅度相等條件的要求；(4)由于測試條件的限制，當接收喇叭在0° 3600

27、旋轉時，總會出現檢波電流波動；但當E min / Emax µ I min / I max ³ 0.93時，即橢圓度為 0.93 時，可以認為基本實現了圓極化波；(5)旋轉接收喇叭記下不同角度的檢波電流，求出圓極化波的橢圓度。(6)實驗結束，將衰減器調節至衰減最大，關閉電源。5、實驗報告（1） 整理數據，繪出曲線。（2）分析實驗數據，并對實驗現象分析和討論，得出結論。 實驗中從轉盤中央向一側轉動接受裝置時，發現微電流計的示數發生波動。由于連接接收裝置的微電流計測得的電流與接收裝置接收到的電磁波的能量成正相關，因此從實驗數據可以得出大致結論：波長為3.2厘米的微波通過與豎直方

28、向成45度角的圓極化波輻射裝置后成為圓極化波，在某兩個角度可以接收到該圓極化波能量的最大值和最小值（54uA/48uA）,求得該圓極化波的橢圓度約為0.94，符合圓極化波的要求，說明產生圓極化波的輻射裝置角度調節較為適當。實驗八、圓極化波的反射/折射1、實驗目的通過實驗驗證圓極化波的接收性能。2、實驗原理如圖 14 所示，如果發射圓極化天線發射的電磁波為右旋圓極化波，該波經過 介質板（此實驗為玻璃板，電磁波傳播方向成 450 夾角），一部分反射，另一部 分透過介質板繼續向前傳播（極化方向不變）仍為右旋圓極化波。輻射的右旋圓 極化波必須用右旋圓極化天線接收。若用左旋圓極化波天線接收時，理論上接收 信號為零。反之亦然。如果接收天線極化不變時，當其分別處于位置 A 和位置 B 時，有一個位置接收不到信