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1、1 “电磁场与电磁波” 课内实验大纲及实验指导书 实验一 电磁波参量的测定 实验二 电磁波的极化 唐万春,车文荃编制 陈如山 审定 2 南京理工大学通信工程系 2006 年 12 月 实验一电磁波参量的测定实验 1. 实验目的 a) 观察电磁波的传播特性。 b) 通过测定自由空间中电磁波的波长,来确定电磁波传播的相 位常数 k和传播速度 v。 c) 了解用相干波的原理测量波长的方法。 2. 实验内容 a) 了解并熟悉电磁波综合测试仪的工作特点、线路结构、使用方 法。 b)测量信号源的工作波长(或频率)。 3. 实验原理与说明 a) 所使用的实验仪器 分度转台 3 晶体检波器 可变衰减器 喇叭天
2、线 反射板 固态信号源 微安表 实验仪器布置图如下: 4 反射板 微安表 分度转台 固态信号源 晶体检波器 可调 衰减器 反射板 发射用 喇叭天线 接收用 喇叭天线 图 1 实验仪器布置图 固态信号源所产生的信号经可变衰减器至矩形喇叭天线,在接收 端用矩形喇叭天线接收信号, 接收到的信号经晶体检波器后通过微安 表指示。 b) 原理 本实验利用相干波原理,通过测得的电磁波的波长, 再由关 系式 2 ,kvf k (1) 得到电磁波的主要参量 k,v等。 实验示意图如图 2所示。图中 0r P、 1r P、 2r P和 3r P分别表示辐射喇叭、 固定反射板、可动反射板和接收喇叭,图中介质板是一
3、2 3030()mm的 玻璃板,它对电磁波进行反射、折射后,可实现相干波测试。 5 -L0 L1L2 -L 3 O 图 2 实验示意图 当入射波以入射角 1向介质板斜投射时, 在分界面上产生反射波 E和 折射波E。设入射波为垂直极化波,用R表示介质板的反射系数,用 T分别表示由空气进入介质板再进入空气后的折射系数, R与T为复 数。另外固定的和可动的金属反射板的反射系数均为-1。 假设发射的平面波为: 0jkl EE e(2) 分析时l为在喇叭天线 Pr0发射的波的传播方向上与相位参考零点所 在的面之间的距离 (有正、负值之分 ),相位参考零点不妨选介质板的 中心点。忽略介质板与金属板之间的多
4、次作用效应,则在反射板1与 反射板 2处的入射场E与反射场E可表示为: 6 1 1 0 1 0 11 exp exp(2) lL lL EREjkl EREjk lL (3) 2 2 0 2 0 22 exp exp(2) lL l L ETEjkl ETEjk lL (4) 它们在接收喇叭 Pr3处的场为: 3 3 0 11 0 22 exp(2) exp(2) lL lL ETREjk lL ERTEjk lL (5) 由于它们同频同极化,它们相干合成的场可写为 00 123132 0 312 exp(2)exp(2) expexp2exp2 1exp2 EEETREjkLLRTEjkLL
5、 TREjkLjkLjkL Aj k l (6) 其中 0 31 21 expexp2ATREjkLjkL lLL (7) 上述过程可以用图3 来示意。 图 3 波形图 测量时,由于被测场E处于测试结构的近区场范围内,不完全满 7 足理想平面波的特性, 这不仅影响着零点位置均匀分布,而且使波幅 值也有起伏。为了测准波长值,一般采用 Pr 3为零指示办法。 由(6)式 可发现,合成波中当 exp21j kl时,Pr3 处的场为零。实验时,固 定 013 ,LL L,移动 2 L,使得 Pr3 处的场为零。这时可得条件 21 exp21221 2121 44 n nn j klk ln nn lL
6、L或 不难发现相邻两个零值的 2n L与 21n L之间的间距为 2 , 从而达到测量目 的。 201 21 0, 4 i nLL得第一个零点位置 20 L 211 211 1, 4 i nLL得第二个零点位置 21 L 21 21 , 4 N iN nNLL得第 N+1 个零点位置 2N L 可见,当零点总数为 (1)N时, 2r P上移动的总距离为 220 () N LL,它相当 于N个半波长数。即: 220 2() N LLN,故: 220 2() N LL N 。根据: 2 ,kvf k 就可得到所测电磁波的参量、k、v 等值。可见测试波长所用公式 得出的是平均值。从理论上讲,n 值越
7、大,测出的值精度应越高。 实际测试时,一般取n=4 已足够,这时相应于5 个波节点,所测 的波长为 24202() 4 LL 它表示了 5 个波节点的距离 2420 ()LL,相应于 4 个半波长。 8 实验步骤 a) 了解并熟悉电磁波综合测试仪的工作特点、线路结构、使用方 法。 b) 测量电磁波的波长。 首先调整好电磁波综合测试仪使能进行正常工作。然后测出电 磁波的波长, 根据测出的值, 得到电磁波的重要参量 k,由k值可计算 出传播速度 00 21f vc k c) 用波长计(或频率计)测出信号源的工作波长(或频率)。 把测试值填入表 1中。如采用 3cm标准信号源,则可改变信号源 工作频
8、率 0 f(即改变 0)。由以上实验内容,得到相应的电磁波参量 ,kv,并与 000 ,kv作比较(如使用该仪器本身的固态信号源, 它已调定在一个固定频率 0 f上工作,故及k不能改变)。 表1 电磁波参量测试数据表 波长表(频率计)读数 0 微安表零指示次数(1)n 可动板总位移 0n lll 自由空间中波长 2 l n 波的相位常数 2 k 波的相速度 0 2f v k 9 5. 实验报告 实验名称 实验目的 实验步骤(包括使用设备,实验框架图,实验原理等) 实验结果(实验数据,相关数据处理) 讨论 (对实验结果和实验中碰到的一些问题的解释) 结论 (实验的收获,或者某些建议等等) 6安全
9、说明 在本实验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内 (10mW/cm 2) ,不会对人体造成任何伤害。但是,在实验期间,请 注意以下事项 : a) 不要用眼睛望任何连接其他设备的开路传输线里面看; b) 不要把身体的任何部位放在传输线的开口端; c) 在拆/装微波元器件时,请关掉微波信号源。 7. 思考题 :用相干波测量自由空间波长时,介质板所放位置,为 什么必须如图 1所示。 若把介质板转90, 将发生何种现象?这时, 能否测准电磁波波长?为什么? 10 实验二 电磁波的极化 1实验目的 研究线极化、圆极化和椭圆极化电磁波的产生和各自的特点。 2实验内容 a) 圆极化波的调整与测试 b)
10、线极化波的调整与测试 c) 椭圆极化波的调整与测试 3实验原理 a) 所使用的实验仪器 固态信号源 频率计 衰减器 矩形喇叭 圆形喇叭 检波器 微安表 实验系统框图如图1 所示。 11 固态信号源 矩形喇叭 微安表 衰减器 检波器 图 1 实验系统框图 电磁波综合测试仪中辐射喇叭(3cm波段)支路由固态信号源、 频率计 (或波长计 )、衰减器及圆形喇叭等组成。固态信号源的工作频 率f=9370MHz左右,接收喇叭支路由矩形喇叭、检波器、微安表等组 成。 b) 原理 电磁波极化是指电磁波在无限大均匀媒质中传播时,空间某点上 电场强度矢量 E的末端随时间变化的轨迹。当电场矢量末端总在一直 线上周期
11、地变化时, 称为线极化波; 当电场矢量末端轨迹是圆或椭圆 时,即电场矢量末端总在圆或椭圆上周期地变化时,称为圆极化波或 椭圆极化波。 无论是线极化波,左、右旋圆极化波,左、右旋椭圆极化波,都 12 可由两个同频率且场矢量相互正交的线极化波组合而成。本实验利用 方圆波导转换,介质圆波导和圆锥喇叭连接而成的电磁波极化天线, 分别研究波的极化线极化波、圆极化波和椭圆极化波的特性。 矩一圆波导 介质圆波 导 圆喇叭 -R 介质 片 Y X X Et En En Et Y ER ER TE110 TE10 Et En Et En n 图2 圆极化波辐射装置 图2所示为圆极化波辐射装置,其中介质圆波导可做
12、3600旋转, 并有刻度指示转动的角度。 当TE10波经方圆波导转换到圆波导口面时 则过渡为 TE11波,并在介质圆波导内分成两个分量的波,即垂直界面 片平面的一个分量和平行介质面的一个分量。实验装置设计为 9370MHz左右使两个分量的波相位差900,适当调整介质圆波导(亦 可转动介质片)的角度使两个分量的幅度相等时则可得到圆极化波。 当方圆波导使 TE10的EY波过渡到 TE11成为RP波后,在装有介质 13 片的圆波导段内分成Et和En两个分量的波,因Et和En的速度不同, rctnc vvvv/,当介质片的长度 L取得合适时, 使En波的相位超前 Et波的相位 90 0 ,这就实现了圆
13、极化波相位条件的要求;为使Et和En 的幅度相等,可使介质片的 n方向跟Y轴之间夹角为 0 45,若介质 片的损耗略去不计,则有 rmnmtm EEE 2 1 ,实现了圆极化波幅度条件 的要求(有时需稍偏离 45 0以实现幅度相位的要求)。 为了确定圆极化波右旋、左旋的特性,把 n 转到Y方向符合右手 螺旋规则的波,定为右旋圆极化波;把 n转到 Y方向符合左手螺旋规 则的波,定为左旋圆极化波。 波极化天线除作为圆极化波工作外,也可作线极化波, 椭圆极化 波工作使用。当作线极化波工作时, 介质片 n 与Y轴相垂直(或平行)。 当作椭圆极化波工作时,介质片 n 与Y夹角可在=0-45 0之间。 4
14、. 实验步骤 a) 圆极化波的调整与测试 根据圆极化波的条件,两个同频率的正交场相干波必须幅度相 等,相位差 2 。 为此将反射板和介质板拿掉,把辐射喇叭换成圆喇叭, 转动圆喇 叭使介质片的 n方向跟 Y 轴之间夹角为 45 0 左右,然后固定圆喇叭, 再把接收喇叭调整到与圆喇叭成一直线。转动接收喇叭,每隔100测 量一次,读取微安表上的读数,并填入下表,最后算出圆极化波的椭 14 圆度 maxmin/ I Ie值。 15 表 1 圆极化波调整与测试数据表 接收喇叭转动角度 微安表读数(A) 椭圆度 b) 线极化波的调整与测试 转动圆喇叭使介质片的 n方向跟 Y 轴之间夹角为 00或 90 0
15、,就可 以得到线极化波。固定圆喇叭,转动接收喇叭,每隔10 0 测量一次, 读取微安表上的读数,并填入下表。 表 2 线极化波的调整与测试数据表 接收喇叭转动角度 微安表读数(A) c) 椭圆极化波的调整与测试 调整与测试椭圆极化波的方法与内容同a、b 项,要注意的是圆 喇叭的转角在 0-450之间,按表 3 列出记录表格,最后计算出椭圆极 化波的椭圆度 maxmin /IIe值。 表 3 椭圆极化波的调整与测试数据表 接收喇叭转动角度 微安表读数(A) 椭圆度 16 5实验报告 实验报告提纲包括以下内容: 实验名称 实验目的 实验步骤(包括使用设备,实验框架图,实验原理等) 实验结果(实验数据,相关数据处理) 讨论 (对实验结果和实验中碰到的一些问题的解释) 结论 (实验的收获,或者某些建议等等) 6安全说明 在本实验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内 (10mW/cm 2) ,不会对人体造成任何伤害。但是,在实验期间,请 注意以下事项 : a) 不要用眼睛往任何连接其他设备的开路传输线里面看; b) 不要把身体的任何部位放在传输线的开口端; c) 在拆/装微波元器件时,请关掉微波信号源。 7思考题: 一右旋圆极化波从空气正入射到另一种媒质表面, 反射波与透射波的旋向如何(左旋还是右旋)?
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