电磁场与电磁波实验指导书

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1、中南大学电磁场与电磁波实验报告中南大学电磁波与电磁场实验报告姓名陆石东学号0909091820专业班级通信0903班指导老师赵亚湘实验日期2012-1-8 目录实验一、电磁波反射实验实验二、 自由空间中电磁波参量的测量实验三、均匀无耗媒质参量的测量实验总结实验一 电磁波反射实验一、实验目的1.掌握微波分光仪的基本使用方法2.了解3cm信号源的产生、传输及基本特性3.验证电磁波反射定律二、实验原理微波与其它波段的无线电波相比具有：波长极短，频率很高，振荡周期极短的特点。微波传输具有似光特性，其传播为直线传播。电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射。本实验以一块大的金属板作为障碍物来研究当

2、电磁波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律，即：反射电磁波位于入射电磁波和通过入射点的法线所决定的平面上，反射电磁波和入射电磁波分别位于法线两侧；反射角等于入射角。原理图如图所示三实验内容与步骤1.调整微波分光仪的两喇叭口面使其互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的0-180刻度处。将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座，拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。2.将反射全属板放到支座上，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的90-90这对刻线一致，这时小平台上的0刻度就与金属板的法线方向一致。将金属板与发射、接收

3、喇叭锁定，以保证实验稳定可靠3.打开信号源开关，将三厘米固态信号源设置在:“电压”和“等幅”档。4.调节可变衰减器，使得活动臂上微安表的读数为满量程的80%。5.转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在刻度为30度处，这个角度数就是入射角度数，然后由左向右转动活动臂，使得表头指示最大，此时活动臂上指针所指的刻度就是左向反射角度数，记下该角度读数。再由右向左转动活动臂，使得表头指示最大，此时活动臂上指针所指的刻度就是右向反射角度数，记下该角度读数。如果此时表头指示太大或太小，应调整微波分光仪中的可变衰减器或晶体检波器，使表头指示接近满量程的80%做此项实验。7.然后分别将固定臂指针指在刻度为40

4、度、45度、50度、60度处，重复上述操作，并记下相应的反射角读数。四、实验数据记录f=9.37khz入射角（度）反射角（度）左向右向f=9.00khz入射角（度）反射角（度）左向右向六实验注意事项如果表头指示太大或太小，应调整微波分光仪微波系统中的可变衰减器，使表头指示接近满量程的80%做此项实验。实验二 自由空间中电磁波参量的测量一、实验目的1.了解电磁波的空间传播特性2. 通过对电磁波波长、波幅、波节的测量进一步认识和了解电磁波二、实验原理变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波，几列电磁波同时在同一媒质中传播时，几列波可以保持各自的特点（波长、波幅、频率、传播方向等）同时通过媒质，在几列

5、波相遇或叠加的区域内，任一点的振动为各个波单独在该点产生的振动的合成。而当两个频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波源所发出的波叠加时，在空间总会有一些点的振动始终加强，而另一些点的振动始终减弱或完全抵消，因而形成干涉现象。干涉是电磁波的一个重要特性，利用干涉原理可对电磁波传播特性进行很好的探索。利用迈克尔逊干涉原理测量电磁波波长的原理图如图2.1所示B（可移反射板）发射喇叭接收喇叭A（固定反射板）图2.1迈克尔逊干涉原理由发射喇叭发射出的电磁波，在空间传播过程中，可以把它近似看成为均匀平面波。在平面波传播的方向上放置一块成45度角的半透明板，由于该板的作用，将入射波分成两列波，一列经介质板反

6、射后垂直入射到金属板A，被A板反射回来，再经介质板折射后到达接收喇叭；另一列波经介质板折射后垂直入射到可动金属板B，被金属板B反射回来，也到达接收喇叭。接收喇叭收到两束同频率，振动方向一致的两列波。两列到达接收喇叭的电磁波若波程差满足一定的关系，那么这两列波将发生干涉。设到达接收喇叭的两列平面电磁波的振幅相同，只是由于波程不同而在相位上有所差别，其电场可以表示为：其中是因波程差而造成的相位差。其合成场强为：所以，合成波的电场振幅为，当时，合成波振幅最大（为）；当时，合成波振幅最小（为0）实际上到达接收喇叭的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波最大振幅不是正好为，合成波振幅最小值也不是为0。 根

7、据以上分析，若固定金属板A，移动金属板B，只改变第二列波的波程，让两列波发生干涉，当合成波振幅最大时，可得：当合成波振幅最小时，可得：由最大振幅到最小振幅的最短波程差为：若移动金属板的距离为，则：实验中，为了提高测量波长的精确度，测量多个极小值的位置，设为第一个极小值的位置，为第（n+1）个极小值的位置，则波长四实验步骤1. 调节天线的位置，使两喇叭口面互成90度，并使半透射板与两侧喇叭轴线互成45度，将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上相应的旋孔，使其固定在底座上。在读数机构和平台上分别插上全反射板，使固定全反射板的法线与接收喇叭的轴线一致，可移动全反射板的法线与发射喇叭轴线一致。

8、如图2.3所示2. 接通微波发射源，并使其处于正常工作状态。将可移动全反射板移到读数机构的20刻度一端，在此附近测出一个极小幅度的位置S0，然后朝读数机构70刻度的一端旋转读数机构上的手柄使可移动全反射板随之匀速移动，从表头上测出个幅度极小值，同时从读数机构上得到相应的位移读数Sn，从而求得可移动全反射板的移动距离为，根据上述实验原理，求得波长。五 实验数据记录9.00第一最小点第二最小点第三最小点第四最小点第五最小点最小点位置(mm)9.37第一最小点第二最小点第三最小点第四最小点第五最小点最小点位置(mm)六实验数据处理1. 根据实验测得数据，计算信号源波长(1)当f=9.37Ghz时，L

9、1=|S1- S0|=|25.901-10.185|=15.716 mm， 1 = 2 L1/1=31.432 mm,L2=|S2- S0|=|41.592-10.185|=31.407 mm, 2= 2 L2/2=31.407 mm,L3=|S3-S0|=|57.953-10.185|=47.768 mm, 3= 2 L3/3=31.845 mm,=( 1+ 2+ 3)/3=31.561 mm(2) 当f=9.00Ghz时，L1=|S1- S0|=|25.370-8.265|=17.105 mm， 1 = 2 L1/1=34.210 mm,L2=|S2- S0|=|42.889-8.265|

10、=31.840 mm, 2= 2 L2/2=34.624 mmL3=|S3-S0|=|59.431-8.265|= 51.166mm, 3= 2 L3/3=34.111 mm,=( 1+ 2+ 3)/3=34.127 mm2. 由相关公式计算出信号源的其它参数，如相位常数、波速、频率等(1)当f=9.00Ghz时相位常数K=2/=2/0.315616.337波速V=f=9.00*109*0.315612.840*109(2) 当f=9.37Ghz时相位常数K=2/=2/0.341275.861波速V=f=9.37*109*0.34273.198*109七实验思考题对实验中的现象分析讨论，说明误

11、差产生的原因有哪些？如何减小这些测试误差？在本次实验中，误差的主要来源有一下几个：（1） 实验中，读数时产生的误差，要减少误差，我们在读数时应该平视读数机构，以免产生视觉误差，其次，我们可以多读几组数据，取平均值以减少误差（2） 实验中，实验仪器本身的误差，要减少误差,则尽量选择精密的仪器（3） 实验中，操作不当带来的误差，要减少误差,，我们应该认真仔细的做实验，按照实验步骤一步一步准确无误的做实验（4） 实验中，外界干扰带来的误差，比如同时做实验，其他组的做实验时的波带来的干扰，要减少误差,同时做实验时，中间可以尽量用物体挡住实验三 均匀无耗媒质参量的测量一 实验目的1. 利用电磁波的干涉原

12、理，研究均匀无耗媒质参量的测量方法，2. 熟悉均匀无耗媒质分界面对电磁波的反射和透射特性二、实验原理对于具有的均匀无耗媒质，我们可利用类似干涉原理来测量。在上一个实验的基础上，在固定反射板前放一块待测介质板，其相对介电常数为，厚度为d，这样固定反射板的电磁波的波程差将会增加，为了得到新的极小点位置，必需将可移动反射板向右移，在一定的假设条件下，经过数学推导，我们可得到待测介质板的相对介电常数与之间满足： 四 实验步骤1.在上一个实验的基础上，在固定反射板前，放一块待测介质板，必需紧贴固定反射板并固定好。2. 向右调节可移动反射板，使得电表指示读数达到新的最小值，并记录此时最小点位置读数。该读数

13、与未加介质板时的读数相减，得到一个，连续移动可移动反射板，得到若干个值，取算术平均值，得到一个较为准确的3.用卡尺测量待测介质板的厚度d五实验数据记录1.木板,介质板厚度： d=（ 3 ）（mm），f=9.00Ghz极小点个数12345平均值新极小点位置（mm）原极小点位置（mm）极小点位置偏移量（mm）介质的相对介电常数介质板厚度： d=（ 3 ）（mm），f=9.37Ghz极小点个数12345平均值新极小点位置（mm）原极小点位置（mm）极小点位置偏移量（mm）介质的相对介电常数12.玻璃板介质板厚度： d=（ 3 ）（mm），f=9.00Ghz极小点个数12345平均值新极小点位置（mm

14、）原极小点位置（mm）极小点位置偏移量（mm）介质的相对介电常数介质板厚度： d=（ 3 ）（mm），f=9.37Ghz极小点个数12345平均值新极小点位置（mm）原极小点位置（mm）极小点位置偏移量（mm）介质的相对介电常数六实验思考题介质的相对介电常数的测量误差与哪些因素有关？答：方法与测波长相似，所以误差也相似，如下1）回程误差2）校准误差装置的角度全是由目测调整，难免不能完全直线或者垂直的关系，这样会造成误差。3）读数误差因为读数时寻找的是最小值，难免存在误差，比如读游标卡尺时的误差，可以多次测量取平均值减少误差。实验总结： 电磁场与电磁波是通信专业的重点课程之一，本次试验设计的仪器

15、精度系数比较高，而且仪器之间电磁波干扰不可避免，所以造成此次试验误差偏大， 但通过这次实验我们通过实验的方法验证了一系列公式定理，将书本上偏理论的东西。通过实际实验操作展现出来电磁场与电磁波作为通信工程、电子信息等专业的一门重要的专业基础课，是学生学习微波技术、光技术、雷达技术、电气技术、电子对抗等技术的基础，在工程上具有较高的实用价值。 由于该课程理论体系严密，应用的数学工具较多，概念抽象，系统性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验课，使抽象的概念和理论形象化、具体化，增强学生学习本门课程的兴趣，同时通过实验进一步加深学生对电磁波的基本特性的理解,并掌握电磁波的基本测量方法和仪器使用。培养学生的动手能力，锻炼学生的实验技能。10