《电磁场与电磁波实验指导书(参考).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁场与电磁波实验指导书(参考).doc（15页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、电磁场与电磁波实验指导书目 录实验一 电磁波感应器的设计与制作实验二 电磁波传播特性实验实验三 电磁波的极化实验实验四 天线方向图测量实验实验一 电磁波感应器的设计与制作一、预习要求1、什么是法拉第电磁感应定律？2、什么是电偶极子？3、了解线天线基本结构及其特性。二、实验目的1、认识时变电磁场，理解电磁感应的原理和作用。2、通过电磁感应装置的设计，初步了解天线的特性及基本结构。3、理解电磁波辐射原理。三、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，
2、通过发射天线产生电磁波。 图1 电磁感应装置如果将另一付天线置于电磁波中，就能在天线体上感生高频电流，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。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，如图1所示。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、螺旋天线等，如图2所示。图2
3、 接收天线本实验重点介绍其中的一种半波天线。半波天线又称半波振子，是对称天线的一种最简单的模式。对称天线（或称对称振子）可以看成是由一段末端开路的双线传输线形成的。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。半波振子因其一臂长度为，全长为半波长而得名。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（）的远区场强有以下关系式：式中，为方向性函数，对称振子归一化方向性函数为： 其中是的最大值。由上式可画出半波振子的方向图如图3所示。图3 半波振子的方向图半波振子方向函数与无关，故在H面上的方向图是以
4、振子为中心的一个圆，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，且只要一臂长度不超过，辐射的最大值始终在方向上；若继续增大L，辐射的最大方向将偏离方向。四、实验内容与步骤1、打开功率信号发生器电源开关，Signal灯亮，机器工作正常，按下Tx按钮，观察功率指示表有一定偏转，此时Standby灯亮，说明发射正常。2、用金属丝制作天线体，用螺丝固定于感应灯板（或电流表检波板）两端，并安放到测试支架上，调节感应板的角度，使其与发射天线的极化方向一致。调节测试支架滑块到最右端，按下功率信号发生器上Tx按钮，同时移动测试支架滑块，靠近发射天线，直到小灯刚刚发光时，记录下滑块与发射天线的
5、距离。3、改变天线振子的长度，重复上面过程，记录数据。4、选用其它天线形式制作感应器，重复上面过程，记录数据。次数天线形式天线长度接收距离1234五、注意事项1、按下Tx按钮时，若Alarm红色告警灯亮，应立即停止发射，检查电缆线与发射天线接口是否旋紧，其余接口是否用封闭帽盖上，Output接口与电缆是否接好，或请老师检查。否则会损坏机器。2、测试感应器时，不能将感应灯靠近发射天线的距离太小，否则会烧毁感应灯。（置于20cm以外，或视感应灯亮度而定）。3、尽量减少按下Tx按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。4、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。六、报告要求1、按照标准实验
6、报告的格式和内容完成实验报告。2、制作两种以上天线，观察接收效果。画出天线形状，记录接收距离。3、对实验中的现象分析讨论。4、提出改进意见及建议。七、接收天线参考形状实验二 电磁波传播特性实验一、预习要求1、什么是迈克尔逊干涉原理？它在实验中有哪些应用？2、驻波的产生原理及其特性。二、实验目的1、学习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、驻波的测量，进一步认识和了解电磁波。三、实验原理变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波。几列不同频率的电磁波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），在同时通过媒质时，在几列波相遇或叠加的区域内，任一点
7、的振动为各个波单独在该点产生振动的合成。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板，被金属板反射回来，到达电磁波感应器；直射波也可直接到达电磁波感应器，这两列波将形成驻波，两列电磁波的波程差满足一定关系时，在感应器位置可以产生波腹或波节
8、。设到达电磁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： 其中是因波程差而造成的相位差。则当相位差时，合成波的振幅最小，的位置为合成波的波节；相位差时，合成波的振幅最大，的位置为合成波的波腹。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二倍单列波的振幅值，合成波的波节值也不是恰好为零。根据以上分析，若固定感应器，只移动金属板，即只改变第二列波的波程，让驻波得以形成，当合成波振幅最小（波节）时：当合成波振幅最大（波腹）时：此时合成波振幅最大到合成波振幅最小（波腹到波节）的最短波程差为，若此时可动金属板移动的距离为，则：即： 可见，测得了
9、可动金属板移动的距离，代入式中便确定电磁波波长。四、实验内容及步骤实验装置如图4所示。 图4 电磁波教学综合实验仪1、将设计制作的电磁波感应器（天线）安装在可旋转支臂上，调节其角度与发射天线的极化方向一致，再将支臂滑块移到距离发射天线分别为30 cm、35cm、40cm刻度处。2、开启电磁波教学综合实验仪开关（Power），按Tx按钮，此时发射天线板已有电磁波发射出来。3、移动反射板，观察天线上的灯是否有明暗变化。如果没有，检查天线角度是否与发射天线极化方向一致；如果还没有明暗变化，再将支臂滑块移到距离发射天线近一点。4、如系统正常工作，从远而近移动反射板，使灯泡明暗变化。以灯泡明暗度判断波节
10、（波腹）的出现。先将天线固定于位置1，由远而近移动反射板，记录下灯泡两个相邻最亮时反射板位置的坐标（波腹点），其距离即为。再将天线固定于位置2，重复上述过程。最后将天线固定于位置3，重复上述过程。将测量数记入下表：次数天线位置（cm）波腹点1（cm）波腹点2（cm）波长（cm）平均波长（cm）频率（Hz）123五、注意事项1、按下Tx按钮时，若Alarm红色告警灯亮，应立即停止发射，检查电缆线与发射天线接口是否旋紧，其余接口是否用封闭帽盖上，Output接口与电缆是否接好，或请老师检查。否则会损坏仪器。2、测试感应器时，不能将感应灯靠近发射天线的距离太小，否则会烧毁感应灯。（置于20cm以外，
11、或视感应灯亮度而定）。3、尽量减少按下Tx按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。4、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。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、用自制的接收天线，分别用白炽灯和电流表测量电磁波的波长，并计算出电磁波的频率。3、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。4、提出改进意见及建议。实验三 电磁波的极化实验一、预习要求1、什么是电磁波的极化？它具有什么特点？2、了解各种常用天线的极化特性。3、天线特性与发射（接收）电磁波极化特性之间的有什么关系？二、实验目的1、研究几种极化波的产生及其特点。2、制作电磁波感应器，进行
12、极化特性实验，与理论结果进行对比、讨论。3、通过实验，加深对电磁波极化特性的理解和认识。三、实验原理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表示。由其轨迹方式可得电磁波的极化方式有三种：线极化、圆极化、椭圆极化。极化波都可看成由两个同频率的直线极化波在空间合成，如图5所示。设两线极化波沿正Z方向传播，一个的极化取向在X方向，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。图5 电磁波的极化方式若：水平极化波 垂直极化波 其中、分别是水平极化波和垂直
13、极化波的振幅，是超前的相角（水平极化波取为参考相面）。取的平面分析，有：综合得：式中、为水平极化波和垂直极化波的振幅、和相角有关的常数。此式是个一般化椭圆方程，它表明由、合成的电场矢量终端画出的轨迹是一个椭圆。在满足不同条件时，形成三种极化波。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、当两个线极化波振幅相等，相位相差时，其合成波是一个圆极化波。3、当两个线极化波振幅不等或相位差不为时，其合成波是一个椭圆极化波。实验一所设计的半波振子天线接收（发射）的波为线极化波；而最常用的接收（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
14、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。极化波需要重视的是极化的旋转方向问题。一般规定：面对电磁波传播的方向（无论是发射或接收），电场沿顺时针方向旋转的波称为右旋圆极化波，反时针方向旋转的波称为左旋圆极化波。右旋螺旋天线发射或接收右旋圆极化波效果较好，左旋螺旋天线发射或接收左旋圆极化波效果较好。螺旋天线绕向的判断方法：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。四、实验内容实验装置如图6所示。图6 电磁波极化实验装置1、将一付发射天线架设在发射支架上，连接好发射电缆，开启电磁波教学综合实验仪开关（Power），电缆线一端接输
15、出端口（Output），另一端分别接发射天线的垂直、水平和圆极化端口。2、将电磁波感应器安装在测试支架上，分别设置成垂直、水平、斜45度三种位置，按下Tx发射按钮，并移动感应器滑块，观察灯泡由亮到不亮时距发射天线的距离，并记录数据。3、分析实验数据，判断发射天线发出的电磁波的极化形式。极化形式接收距离（cm）接口标号水平垂直45度垂直极化水平极化圆极化（左旋）圆极化（右旋）五、注意事项1、按下Tx按钮时，若Alarm红色告警灯亮，应立即停止发射，检查电缆线与发射天线接口是否旋紧，其余接口是否用封闭帽盖上，Output接口与电缆是否接好，或请老师检查。否则会损坏机器。2、测试感应器时，不能将感应
16、灯靠近发射天线的距离太小，否则会烧毁感应灯。（置于20cm以外，或视感应灯亮度而定。）3、避免与相邻小组同时按下Tx按钮，尽量减少按下Tx按钮的时间，以免相互影响测试准确性。4、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。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、用自制的接收天线，对应不同的天线极化波接口，调整感应器的角度，用电流表或灯泡记录感应器的最大接收距离，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。4、提出实验改进意见和建议。实验四 天线方向图测量实验一、预习要求1、什么是天线的方向性？2、什么是天线的方向图，描述方向图有哪些主要参数？二、实验目的
17、1、通过天线方向图的测量，理解天线方向性的含义；2、了解天线方向图形成和控制的方法；3、掌握描述方向图的主要参数。三、实验原理天线的方向图是表征天线的辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。完整的方向图是一个空间立体图形，如图7所示。它是以天线相位中心为球心（坐标原点），在半径足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成的。测量场强振幅，就得到场强方向图；测量功率，就得到功率方向图；测量极化就得到极化方向图；测量相位就得到相位方向图。若不另加说明，我们所述的方向图均指场强振幅方向图。空间方向图的测绘十分麻烦，实际工作中，一般只需测得水平面和垂直面的方向图就行了。 图7 立体方向图天
18、线的方向图可以用极坐标绘制，也可以用直角坐标绘制。极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性。但当天线方向图的主瓣窄而副瓣电平低时，直角坐标绘制法显示出更大的优点。因为表示角度的横坐标和表示辐射强度的纵坐标均可任意选取，例如即使不到1的主瓣宽度也能清晰地表示出来，而极坐标却无法绘制。一般绘制方向图时都是经过归一化的,即径向长度(极坐标)或纵坐标值(直角坐标)是以相对场强表示。这里，是任一方向的场强值，是最大辐射方向的场强值。因此，归一化最大值是1。对于极低副瓣电平天线的方向图，大多采用分贝值表示，归一化最大值取为零分贝。图8所示为同一天线方向图的两种坐标表示
19、法。图8 方向图表示法 （a）极坐标 （b）直角坐标本实验测量一种天线的方向图，测试系统框图如图9所示。其中，辅助天线作发射，由功率信号发生器激励产生电磁波；被测天线作接收，被测天线置于可以水平旋转的实验支架上，接收到的高频信号经检波后送给电流指示器显示。图9 方向图测试系统四、实验内容与步骤1、打开功率信号发生器电源开关，Signal灯亮，机器工作正常，按下TX按钮，观察功率指示表有一定偏转，说明发射正常。2、将检波天线架设于极化支架上，连接好天线到电流表的电缆，按下TX按钮，电流表应有一定指示，说明接收部分工作正常。3、设定被测天线的架设距离，使天线旋转360的电流读数在量程范围内。4、固
20、定被测天线位置，连续旋转天线支架，按一定角度步进，读出每个步进角度对应的电流表指示值。5、将测量数据在直角坐标系中画出天线的方向图。并在图上读出方向图的主瓣宽度和副瓣电平。五、注意事项1、按下TX按钮时，若Alarm红色告警灯亮，应立即停止发射，检查波段插口与波段开关是否对应，发射天线是否接好，或请老师检查。否则会损坏机仪器。2、尽量减少按下TX按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。3、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。六、报告要求1、画出实验测试原理框图2、数据记录与处理（1）分别在E面和H面旋转被测天线，将数据记录入下表E面角度0102030405060708090100110120130140150160170180电流角度190200210220230240250260270280290300310320330340350360电流H面角度0102030405060708090100110120130140150160170180电流角度190200210220230240250260270280290300310320330340350360电流（2） 根据上面的数据，在下表中画出H面和E面的直角坐标方向图0 180 360（3）根据上面的数据，读出方向图的主瓣宽度：E面 ，H面 。 3、分析该实验中方向图测量误差产生的因素有那些？16