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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流(最新)电磁场与电磁波实验指导书.精品文档.电磁场与电磁波实验指导说明书西华师范大学计算机学院目 录第一部分 产品说明3一、系统简介2二、系统特点2三、系统组成2四、性能指标3五、系统主要部件参数3第二部分 实验内容6实验一 电磁波的频率和功率测试6实验二 电磁波感应器的设计与制作9实验三 位移电流的测试及计算12实验四 天线方向图的测试-功率测试法16实验五 电磁波波节、波幅及波长的测试20实验六 电磁波的极化实验24实验七 电磁波的PIN调制特性28实验八 天线方向图的测试电压测试法30实验九 同轴测量线的驻波测试34实验十 反射系数及驻
2、波相位的测试37第三部分 射频连接器示意图40第一部分 产品说明一、系统简介 电磁场电磁波及天线技术是通信工程、电子工程、电磁场与电磁波、微波技术、天线技术类专业必不可少的一门实验课程，本系统包含功率测试、频率测试、方波信号产生，电磁波产生器、功率放大器、选频放大器等，具有电磁波极化特性测试，天线方向图测试、静电场中位移电流测试等多种功能，加深学生对电磁波产生(调制)、发射、传输和接收(检波)过程及终端设备相关特性的认识，培养学生对电磁场电磁波及天线的理解、应用创新能力。二、系统特点1、实验系统面向电磁场与电磁波的课程建设，紧密配合教学大纲，通过直观生动的实验现象及操作，完成对电磁场与电磁波相
3、关特性的测试。2、系统内置1kHz方波可调信号源、选频放大器，在完成对电磁波PIN调制功能的同时，可用于对天线方向图的测试，而无需选配其他实验装置。3、本装置电磁波发射可选大功率或小功率2路输出，方便做不同实验时的自由切换，输出端口均为标准的N型接头。4、采用数字显示方式，在提高准确性的基础上，更能方便感应器在任何位置归零，直接读取数值。5、实验系统自带频率计及功率计，用于对发射电磁波频率、功率的测试及校准。6、完成电磁波的极化特性测试、场电流的测试及终端天线增益的测试。7、通过实验现象可观测入射电磁波及反射电磁波叠加形成的驻波现象，测试电磁波的波长及频率。配置同轴式驻波测量槽线，可测试驻波参
4、量，反射系数及电磁波的频率。8、实验系统融基础性、验证性与设计性于一体，由浅入深引导学生完成电磁场电磁波及天线相关知识的学习，将抽象的理论知识通过实验现象反映出来，同时通过计算加以分析。三、系统组成本实验系统由电磁波发射器(主设备)、选频放大器(内置)、功率计(内置)、频率计(内置)、同轴测量线(外接，选配)、数字液晶显示测量标尺、支撑架、极化天线、反射板、移动滑块、感应天线等部分组成，如图1所示。图1 实验系统构成四、性能指标1、工作频率范围： 1GHz左右2、发射功率： 35dBm3、整机功耗： 40W4、标尺精度： 0.1mm5、长度量程： 100cm6、旋转测量精度： 17、极化测量量
5、程： 180五、系统主要部件的技术参数（一）、电磁波发射器1、工作频率：1GHz左右，幅度频率均定制；2、电平值：35dBm；3、频率稳定度：5ppm；（二）、方波发生器1、工作频率：1kHz可调； 2、幅度：0.1V-4V可调； （三）、电磁波功率计1、频率测试范围：输入信号频率5MHz-8GHz； 2、功率测试范围：-30dBm-10dBm； 3、显示：数码管显示；（四）、电磁波频率计 1、频率测试范围：450MHz-3GHz； 2、显示：数码管显示；（五）、多极化天线(SMA接头)包含水平极化，垂直极化和圆极化(选配)3种极化方式； （六）、显示方式数字液晶显示，可在任意位置归零，直观读
6、取相对值和绝对值；（七）、选频放大器(内置) 1、输入信号频率：1kHz； 2、灵敏度：0.1mv； 3、增益：0-60dB可调(兼具微调功能)；（八）、同轴测量线(外接)1、频率范围：700MHz-1.6GHz； 2、阻抗：50； 3、耐功率：100W；（九）、PIN调制器1、射频输入：300MHz-3GHz； 2、方波输入：800Hz-1.2kHz；（十）、电流微安表测试范围：0.1uA-10uA第二部分 实验内容实验一 电磁波的频率和功率测试一、实验目的1、了解电磁波的频率划分；2、了解功率、频率的单位转换；3、掌握电磁波频率、功率的测试方法。二、预习要求1、电磁波功率的单位及转换关系；
7、2、电磁波频率的单位及转换关系；3、了解电磁波的概念。三、实验设备与器材序号名称数量1电磁场与电磁波主设备12N型头电缆（短）1四、实验原理电磁波是物体所固有的发射和反射在空间传播交变的电磁场的物理量。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等。 电磁波是电磁场的一种运动形态。变化的电场会产生磁场(电流会产生磁场)，变化的磁场则会产生电场。而变化的电磁场在空间的传播就形成了电磁波。1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。1887
8、年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。1898年，马可尼又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。电磁波的分类：1 甚低频(VLF) 330 kHz 甚长波 10010km 2 低频(LF) 30300 kHz 长波 101km 3 中频(MF) 3003000kHz 中波 1000100m 4 高频(HF) 330 MHz 短波 10010m 5 甚高频(VHF) 30300 MHz 米波 101m 6 特高频(UHF) 3003000 MHz 分米波(微波) 10010cm 7 超高频(SHF) 330 GH
9、z 厘米波(微波)101cm 8 极高频(EHF) 30300 GHz 毫米波(微波)101mm 9 至高频 3003000 GHz (吉赫) 丝米波(微波) 10.1mm频率单位的转换关系：1GHz=103MHz=106kHz=109Hz功率比对表功率dBm电压(有效值)电压(峰-峰值)1000000W=1MW907.07kV20kV100000W=100kW802.236kV6.325kV10000W=10kW700.707kV2kV1000W=1kW60223.6V632.5V100W5070.7V200V10W4022.36V63.25V1W307.07V20V100mW=10-120
10、2.236V10mW=10-2100.707V1mW=10-30223.6mV100W=10-4-1070.7mV10W=10-5-2022.36mV1W=10-6-307.07mV100nW=10-7W-402.236mV6.325mV10nW=10-8W-500.707mV2mV1nW=10-9W-60223.6V632.46V100pW=10-10W-7070.7V200V10pW=10-11W-8022.36V63.25V1pW=10-12W-907.07V20V100fW=10-13W-1002.236V6.325V10fW=10-14W-1100.707V2V1fW=10-15W-
11、120223.6nV632.46nV100aW=10-16W-13070.7nV200nV10aW=10-17W-14022.36nV70.7nV1aW=10-18W-1507.07nV20nV五、实验内容及步骤1、将“RF输出”用N型头电缆(短)与“校准及测试口” 连接起来，将测试单元设置在“功率(dbm)”测试档；2、读出功率值dbm，试转换成mw值；3、将测试单元设置在“频率(MHz)”档；4、读出频率值MHz，计算出电磁波的波长。六、报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告； 2、完成数据运算及整理。 实验二 电磁波感应器的设计与制作 一、实验目的1、通过电磁感应装置的设
12、计，初步了解天线的特性及基本结构；2、掌握半波天线的原理；3、掌握天线长短与电磁波波长的接收匹配关系。二、预习要求1、电磁波波长和频率之间的计算关系；2、什么是电偶极子？ 3、了解线天线基本结构及其特性。三、实验设备与器材序号名称数量1电磁场与电磁波主设备12铜丝若干3半圆形塑料刻度盘14带感应灯电路板15N型头电缆(短)16测量长度直尺(可用滑轨上的刻度尺代替)17M2.5螺丝螺母2四、实验原理 电偶极子是一种基本的辐射单元，它是一段长度远小于波长的直线电流元，线上的电流均匀同相，一个作时谐振荡的电流元可以辐射电磁波，故又称为元天线，元天线是最基本的天线。电磁感应装置的接收天线可采用多种天线
13、形式，相对而言性能优良，但又容易制作，成本低廉的有半波天线、环形天线和螺旋天线等，如图2所示就是3种天线的实物图。图2 3种天线实物图本实验重点掌握其中的一种半波天线。 半波天线又称半波振子，是对称振子天线的一种最简单的模式。对称振子天线可以看成是由一段末端开路的双线传输线形成的，如图3所示。这种天线是最通用的天线型式之一，又称为偶极子天线。而半波天线是对称天线中应用最为广泛的一种天线，它具有结构简单和馈电方便等优点。 图3 开路传输线与对称振子半波振子因其一臂长度为 /4 ，两臂加起来的总长为半波长 /2而得名。其辐射场可由两根单线驻波天线的辐射场相加得到，于是可得半波振子(L=/2)的远区
14、场强为：式中，F()为对称振子归一化方向函数。由F()可画出半波振子的方向图如图4所示。半波振子的方向函数与水平面内的方位角无关，故在 H 面上的方向图是以振子轴为中心的一个圆，即为全方向性的方向图。在 E 面的方向图为“8”字形，最大辐射方向为 =/2 ，且只要一臂长度不超过 0.625 ，辐射的最大值始终在=/2方向上；若继续增大L，辐射的最大方向将偏离=/2方向。 图4 半波振子的E面和H面方向图五、实验内容及步骤（一）测量电磁波发射频率1、用N型电缆(短)将“RF输出”与“校准及测试口”连接起来；2、将测试单元设置在“频率(MHz)”档，读出频率值；3、由步骤2得到电磁波发射源的频率f
15、，求得波长=c/f，c为自由空间中电磁波的传播速度即光速。如电磁波发射源频率为900MHz，则：=c/f=3108/(900106)=0.33m半波天线长L=/2=0.165m则两端子(每臂)分别均为0.165/2=8.25cm（二）制作感应天线1、按上面计算得到的尺寸剪下2段铜丝；2、将铜丝末端的漆刮掉，保持导电良好；3、将天线安装到耦合电路板(带感应灯电路板)上，这时就完成了半波天线的制作；4、其他天线方法同上。六、注意事项1、须将漆包线铜丝末端的漆刮掉，保持导电性能良好；2、避免铜丝弯折，一定要直。七、报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告；2、完成数据运算及整理； 3、
16、更换天线种类制作。实验三 位移电流的测试及计算一、实验目的1、认识时变电磁场，理解电磁感应的原理； 2、理解电磁波辐射原理； 3、了解位移电流的概念。二、预习要求1、什么是法拉第电磁感应定律？2、半波振子天线的原理。三、实验设备与器材序号名称数量1电磁场与电磁波主设备12半波天线13半圆形塑料刻度盘14带感应灯电路板15N型头电缆(短)16N(內螺)型转SMA(外螺内孔)接头17SMA转SMA连接线18SMA转SSMB连接线19BNC转SMA接头110半圆形塑料刻度盘111检波板1四、实验原理随时间变化的电场要在空间产生磁场，同样，随时间变化的磁场也要在空间产生电场。电场和磁场构成了统一的电磁
17、场的两个不可分割的部分。能够辐射电磁波的装置称为天线。用功率信号发生器作为发射源，通过发射天线产生电磁波。如果将另一副天线置于电磁波中，就能在天线体上感应高频电流，我们可以称之为接收天线，接收天线离发射天线越近，电磁波功率越强，感应电动势越大。一方面，如果用小功率的白炽灯泡接入天线馈电点，能量足够时就可使白炽灯发光。接收天线和白炽灯构成一个完整的电磁感应装置。 当越靠近发射天线，灯泡被点的越亮。越远离天线，灯泡越暗。另一方面，也可以采用检波管将接收天线接收到的耦合电流检出，通过微安表读出，从而得到感应电流大小与天线型式及距离的关系。五、实验内容及步骤（一）、用带感应灯的电路板检验位移电流1、用
18、N型头电缆(短)将“RF输出”和“功率放大”两个端口连接起来，用N(內螺)型转SMA(外螺内孔)接头通过SMA转SMA连接线将“RF放大输出”连接到极化天线“A”上；2、打开电磁场与电磁波主设备背面的供电开关，机器工作正常；按下功率信号发射按钮即绿色“发射开关”，绿色发射指示灯亮，说明发射正常；3、将实验二做好的半波天线，安装于感应灯电路板两端，竖直固定到测试支架上。调节滑块到离极化天线 40cm 左右，按下功率发射绿色“发射开关”，白炽灯被点亮；4、让滑块远离极化天线，再向靠近极化天线方向移动，直到小灯刚刚发光时，直接在显示器上读取滑块与极化天线的距离并记录；5、改变天线振子的长度，重复上面
19、过程，记录数据，得出灯泡亮暗(用亮、较亮和暗)与天线长度、半波天线与极化天线距离之间的关系；6、设计制作其它天线形式制作感应器，重复上面过程，记录数据。 次数天线形式与极化天线距离(cm)灯泡亮暗情况12（二）、用检波二极管测试位移电流1、将带感应灯的电路板换成带检波管的电路板(灯泡变成了检波二极管)，置于旋转支架上，将电磁场与电磁波主设备背面的白色拨动开关置于“开”位置；2、把制作好的半波天线，安装于检波板两端，竖直固定到测试支架滑块上。调节测试支架滑块到离极化天线 40cm 左右，用BNC转SMA接头和SMA转SSMB连接线将检波电流接至电磁场与电磁波主设备的“信号输入”。按下功率信号“发
20、射开关”，指针开始偏转，记录下mA表的读数；3、慢慢向极化天线方向移动测试支架滑块，记录下距离数值和对应的电流大小。次数天线形式离极化天线的距离(cm)电流大小(mA)12六、注意事项 1、接通机器供电开关，机器工作正常，按下功率信号“发射开关”按钮，绿色发射指示灯亮，说明发射正常；2、滑动测试支架滑块时应缓慢，切忌过快影响实验效果和读数；3、测试感应灯时，不能将感应灯靠近极化天线太近，否则会烧毁感应灯(至少置于 30cm 以外，或视感应灯亮度而定)；4、尽量减少按“发射开关”的时间，以免影响其他小组的测试准确性；5、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。七、报告要求 1、按照标准
21、实验报告的格式和内容，进行数据运算及整理，完成实验报告； 2、对实验中的现象分析讨论。 实验四 天线方向图的测试-功率测试法一、实验目的1、了解八木天线的基本原理；2、了解天线方向图的基本原理；3、掌握用功率测量法测试天线方向图和天线的辐射特性。二、预习内容1、熟悉天线的理论知识；2、熟悉用功率计的测试方法。三、实验设备与器材序号名称数量1电磁场与电磁波主设备22N型头电缆(短)13八木天线24N型(內螺)转SMA(外螺内孔)接头45天线支撑架26圆形塑料刻度盘17SMA转SMA连接线18N(外螺)转SMA(外螺内孔)接头2四、实验原理八木天线由一个有源半波振子，一个或若干个无源反射器和一个或
22、若干个无源引向器组成的线形端射天线。八木天线有很好的方向性，较偶极子天线有更高的增益。用它来测向和进行远距离通信效果特别好。方向图是表征场强对方位角变化的图形，在本实验中，接收端用功率计来测量接收天线的辐射特性。连接示意图如下：五、实验内容及步骤首先将一对八木天线分别固定到测试支架上，平放至滑轨上，一对八木天线的距离保持在1m以上。（一）、发射端1、用N型头电缆(短)将“RF输出”和“功率放大”连接起来；2、“RF放大输出”输出的是经过功率放大后的电磁波；3、用N型转SMA接头(3个)和SMA转SMA连接线将“RF放大输出”连接至八木天线，按下功率信号“发射开关”，电磁波经发射天线发射出去。（
23、二）、接收端1、用N型转SMA接头(3个) 和SMA转SMA连接线将接收端天线连接至接收端的电磁场与电磁波主设备的“校准及测试口”，将测试单元置于“功率(dbm)”档，用于测量接收功率；2、将两根天线正对即保持0；3、按下功率信号“发射开关”，记录下接收端天线的接收功率值(dbm)；4、转动接收天线，即变换接收天线角度(每次以10计)，记录下接收端天线的接收功率值(dbm)；5、旋转360o后，记录下转动角度值及相应角度下接收天线的功率值；6、填写下表；天线转动角度接收天线功率值(dbm)天线转动角度接收天线功率值(dbm)0-010-1020-2030-3040-4050-5060-6070
24、-7080-8090-90100-100110-110120-120130-130140-140150-150160-160170-1701807、在下图中标出每个测试点的位置；8、连接每个点，画出天线的方向图。注：功率最大圈即最外面的圈对应0dBm，依次递减为-3 dBm，-6 dBm，-9 dBm。六、注意事项1、设置好方向后，方可按下“发射开关”；2、发射时避免人员走动，减少实验误差；3、天线之间距离保持在1m以上。七、报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告； 2、完成数据运算及整理。实验五 电磁波波节、波腹及波长的测试 一、实验目的1、了解电磁场与电磁波的空间传播特性；
25、 2、通过对电磁场电磁波波长、波腹、波节、驻波的测量进一步认识和了解电磁场与电磁波。二、预习要求1、什么是相干波？2、什么是波腹、波节？3、驻波的产生原理及其特点。三、实验设备与器材序号名称数量1电磁场与电磁波主设备12半波天线13半圆形塑料刻度盘14带感应灯电路板15N型头电缆(短)16N(內螺)转SMA(外螺内孔)接头17SMA转SMA连接线18SMA转SSMB连接线19BNC转SMA接头110带检波管电路板111金属反射板1四、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，可以保持各自的特点(波长、波腹、频率、传播方向等)同时通过媒质，在几列波相遇或叠
26、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、偏振相同、相位差恒定的波源所发出的波的叠加时，在空间总会有一些点振动始终加强，而另一些点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。而驻波是干涉的特例。在同一媒质中两列振幅相同的相干波，在同一直线上反向传播时就叠加形成驻波。由发射天线发射出的电磁波，在空间传播过程中可以近似看成均匀平面波。此平面波垂直入射到金属反射板，被金属反射板反射回来，到达电磁波感应器；直射波也可直接到达电磁波感应器。这两列波叠加将形成驻波，两列电磁波的波程差满足一定关系时
27、，在感应器位置可以产生波腹或波节。 设到达电磁波感应器的两列平面波的振幅相同, 只是因波程不同而有一定的相位差, 电场可表示为： E1=Emcos(wt-kz) E2=Emcos(wt-kz+)其中=z是因波程差而造成的相位差, 当相位差=z1=2n (n=0,1,2)时，合成波的振幅最大，z1的位置为合成波的波腹；相位差=z2=2n+ (n=0,1,2)时，合成波的振幅最小，z2的位置为合成波的波节。实际上到达电磁感应器的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波波腹振幅值不是单列波振幅值的2倍，合成波的波节值也不是恰好为零。 根据以上分析，若固定电磁波感应器，只移动金属反射板，即只改变第二列波的
28、波程，让驻波得以形成，当合成波振幅最大(波腹)时：z1=2n/=n；当合成波振幅最小(波节)时：z2=(2n+ )/=(n+1/2)，此时合成波振幅最大到合成波振幅最小(波腹到波节)的波程差为/2，若此时可动金属反射板移动的距离为DL，则2DL=/2即=4DL。 可见，测得了可动金属反射板移动的距离DL，代入式中便可确定电磁波波长。了解下面2个概念：波节：驻波在空间内特定量振幅为最小值处的点。波腹：驻波在空间内特定量振幅为最大值处的点。五、实验内容及步骤 1、用N型头电缆(短)将“RF输出”和“功率放大”两个端口连接起来，用N(內螺)转SMA(外螺内孔)接头和SMA转SMA连接线将“RF放大输
29、出”连接到极化天线“A”上。 2、将装有上半波天线的感应灯电路板(即电磁波感应器)安装在可旋转支架上，先将其垂直放置，再将支臂滑块缓慢移到距离极化天线30-40 cm 刻度处；3、按下功率信号“发射开关”，此时已有电磁波发射出来，灯泡被点亮(亮暗程度不一样)；4、移动金属反射板，看半波天线上的灯是否有明暗变化，如果没有或亮暗不明显，将感应天线往极化天线方向移动少许距离，如果还没明暗变化，再检查天线及其他方面； 5、如系统正常工作，先将金属反射板移至电磁波感应器一端，继而由近而远近移动金属反射板，使灯泡明暗变化来判断波节(波腹)的出现。再由远而近移动金属反射板，并读取最初灯泡最亮时金属反射板位置
30、的坐标X1及灯泡最暗时金属反射板位置的坐标X2；继续测第二次灯泡最亮时金属反射板位置的坐标X1及灯泡最暗时金属反射板位置的坐标X2；由最亮到最暗，最暗到最亮，如此反复，记下测得的最亮和最暗位置，将测量数据记入下表：次数 最亮位置 (cm ) 最暗位置 (cm) 波长(cm)波长平均值(cm)1 2 3 例如：按下功率信号“发射开关”，移动金属反射板，记录下感应灯最亮时的刻度值X1，继续向前移动金属反射板，记录下感应灯最暗时的刻度值X2，则2(X1-X2)=/2，计算出电磁波波长=4|X1-X2|。同时计算出电磁波频率f=c/4|X1-X2|。注意：至少测试3组数据，求平均之值后再计算波长。6、
31、换上检波电路板，用BNC转SMA接头和SMA转SSMB连接线将检波电路板连接至电磁场与电磁波主设备的“信号输入”；7、按下功率信号“发射开关”，移动金属反射板，观察mA表指针是否左右来回摆动。按照上面类似方法，记录下mA表指针最大时的距离值和最小时的距离值。多记录几组数据求得平均值，将测试数据及如下表，从而计算出波长大小。次数 表偏转最大位置 (cm ) 偏转最小位置位置 (cm) 波长(cm)波长平均值(cm)1 2 3 六、注意事项 1、按下机器供电开关，机器工作正常，按下功率“发射开关”，绿色发射指示灯亮，说明发射正常；2、移动感应器及金属反射板时应缓慢，切忌过快影响实验效果和读数；3、
32、测试感应器时，不能将感应灯靠近极化天线太近，否则会烧毁感应灯(置于30cm以外，或视感应灯泡亮度而定)；4、尽量减少按下功率发射按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性；5、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。七、报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告； 2、完成数据运算及整理，计算出电磁波波长；3、比较两种测试情况下的波长值，对实验中的现象分析讨论，并对实验误差产生的原因进行分析。 实验六 电磁波的极化实验 一、实验目的1、研究几种极化波的产生及其特点； 2、研究前面制作的电磁波感应器的极化特性，进行极化特性实验，与理论结果进行对比、讨论； 3、通过实验加深对电
33、磁波极化特性的理解和认识。 二、预习要求1、什么是电磁波的极化？ 各具有什么特点？ 2、了解几种常用天线的极化特性； 3、了解天线特性与发射(接收)电磁波极化特性之间的关系。 三、实验设备与器材序号名称数量1电磁场与电磁波主设备12半波天线13半圆形塑料刻度盘14带感应灯电路板15N型头电缆(短)16N(內螺)转SMA(外螺内孔)接头17SMA转SMA连接线18检波电路板19SMA转SSMB连接线110BNC转SMA接头1四、实验原理天线的极化，是指天线辐射时形成的电场强度的方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电磁波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电磁波就称为水平极化波。由于电
34、磁波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。 电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念，它表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量E的端点在空间描绘出的轨迹来描述。由其轨迹方式可把电磁波的极化方式分成3种：线极化、圆极化、椭圆极化。无论哪种极化波都可以看成由两个同频率的线极化波在空间的合成，如下图所示，两线极化波沿正z方向传播，一个的极化取向在 x方
35、向，另一个的极化取向在y方向。若x在水平方向，y在垂直方向，这两个波就分别为水平极化波和垂直极化波。若水平极化波Ex=Exmsin(wt+kz)，垂直极化波Ey=Eymsin(wt+kz+)，其中Exm、 Eym 分别是水平极化波和垂直极化波的振幅，是 Ey 超前 Ex 的相角(水平极化波取为参考相面)。 取 z=0 的平面分析，有： Ex=Exmsin(wt) Ey=Eymsin(wt+)综合得： aEx2-bExEy+cEy2=1式中a、b、c为水平极化波和垂直极化波的振幅 Exm、Eym 和相角有关的常数。 此式是个一般化椭圆方程，它表明由Ex、Ey合成的电场矢量终端画出的轨迹是一个椭圆
36、。所以：1、当两个线极化波同相或反相时，其合成波是一个线极化波；2、当两个线极化波相位差为p/2 时，其合成波是一个椭圆极化波； 3、当两个线极化波振幅相等，相位相差为p/2时，其合成波是一个圆极化波。 实验二所设计的半波振子接收(发射)的电磁波为线极化波，最常用的接收(发射)圆极化波或椭圆极化波的天线为螺旋天线。实际上一般螺旋天线在轴线方向不一定产生圆极化波，而是椭圆极化波。当单位长度的螺圈数N很大时，发射(接收)的波可看作是圆极化波。 极化波的另一个需要的方面是极化的旋转方向问题。一般规定：面对电磁波的传播方向(无论是发射或接收)，电场沿顺时针方向旋转的波称为左旋圆极化波。左旋螺旋天线只能
37、发射或接收左旋圆极化波，反时针方向旋转的波称为右旋圆极化波，右旋螺旋天线只能发射或接收右旋圆极化波。判断方法：沿着天线辐射方向，当天线的绕向符合右手螺旋定则时，为右旋圆极化，反之为左旋圆极化。 五、实验内容及步骤1、用N型头电缆(短)将“RF输出”连接到“功率放大”端口，用N(內螺)转SMA接头和SMA转SMA连接线将“RF放大输出”连接到极化天线“A”上。按下功率信号“发射开关”，绿色指示灯亮，代表工作正常；2、将线极化的电磁波感应器安装在测试滑块支架上，分别设置成垂直、水平、斜45 三种位置，按下功率信号发射开关，并移动滑块支架，观察灯泡的亮暗情况，并记录数据；3、更换不同的发射天线类型，
38、重复以上步骤，记录测试数据，并填入下表；4、分析实验数据，判断各种发射极化天线发出的电磁波的极化形式；与极化天线距离(mm)天线角度灯泡亮度(亮、较亮、暗)mA表读数(mA)水平垂直45o水平垂直45o水平垂直45o5、换接上检波管电路板装置，用SMA转SSMB和BNC转SMA接头将检波电流接至电磁场与电磁波主设备的“信号输入”，观测并记录不同极化方式时的检波电流大小，并填表。六、注意事项 1、按下机器供电开关，机器工作正常，按下功率信号“发射开关”，发射指示灯亮，说明发射正常；2、滑动感应器滑块支架及金属反射板应缓慢，切忌过快影响实验效果和读数；3、测试感应器时，不能将感应灯滑块支架靠近发射
39、天线的距离太近，否则会烧毁感应灯(置于30cm以外，或视感应灯亮度而定)；4、避免与相邻小组同时按下发射按钮，尽量减少按下发射按钮的时间，以免相互影响测试准确性；5、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。 七、报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告； 2、完成数据运算及整理，依据实验数据，分析电磁波的极化形式； 3、讨论电磁波不同极化收发的规律。实验七 电磁波的PIN调制特性 一、实验目的1、了解PIN调制器的原理；2、观察调制后的输出波形。二、PIN调制原理PIN二极管是微波控制器件，在处于正偏和反偏时，可使电路呈现近似短路和开路的状态，广泛应用在PIN开关、PI
40、N调制器和PIN移相器。PIN二极管良好的开关特性及正偏控制下电导的可调制性，在脉冲调制方面得到了广泛的应用。用PIN二极管做成的调制器，具有频带宽，驻波小，插损低，响应快和动态范围大的优点。三、实验设备与器材 序号名称数量1电磁场与电磁波主设备12N(內螺)转SMA接头13SMA转SMB连接线34BNC-BNC连接线15PIN调制器16BNC转SMA接头2四、实验内容及步骤1、将电磁场与电磁波主设备上的“1kHz方波输出”用BNC-BNC连接线连接至示波器，调节“幅度调节”旋钮调节输出波形幅度，使其峰-峰值为3-5V；2、准备好调制器，将“1kHz方波输出”用BNC转SMA转SMB连接线送至
41、PIN调制器“方波入”，将“RF输出”用N转SMA转SMB连接线送至PIN调制器“RF输入”；3、将PIN调制器“调制出”用BNC转SMA转SMB连接线接至示波器观察调制输出波形；实验连接示意图如下图。4、PIN调制器“调制出”可接天线发射出去作为测试天线方向图的发射端的发射信号。五、报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告； 2、画出观察到的输出波形； 3、讨论PIN调制器的调制原理。实验八 天线方向图的测试电压测试法一、实验目的1、了解天线方向图的基本原理；2、掌握用电压测试法测试天线的特性。二、预习内容天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁
42、波，或者进行相反的变换，即在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。一般情况下，天线的方向图表示天线辐射电磁波的功率或场强在空间各个方向的分布图形，对不同用途的天线有不同的方向图。本实验重点讨论八木天线方向图的电压测试法。八木天线由一个有源振子、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射式天线，它有很好的方向性，较偶极天线有更高的增益。三、实验设备与器材序号名称数量1电磁场与电磁波主设备12N(外螺)转SMA接头23SMA转SMB连接线34BNC转SMA接头1550W宽带检波器16BNC-BNC连接线17N(內螺)转SMA接头28圆形塑料刻度盘19天线支撑架2四、实验原理经PIN调制之后的信号如下图。通过天线接收下来，