《哈工大电磁场实验报告要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《哈工大电磁场实验报告要点.docx（19页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、哈工大电磁场实验报告电磁波波动特性的实验研究1 .实验目的无线电的使用频率在不断提高，微波（超高频），由于它的波长短、频率高、方向性 强，所以广泛的应用在雷达、遥控、电视、射电天文学、接力通讯和卫星通讯等方面。微波通常指分米波、毫米波的电磁波，它的频率极高，一般在 300300000兆赫，所以 有关微波的产生、放大、发射、接收、测量、传输等和一般的无线电波不尽相同。在微波技 术中，需要微波电子管、晶体管、波导、同轴线和一些诸如衰减器，谐振腔等特殊元件。从电磁波的本质来说，微波也具有波动的共同特点，如反射、折射、衍射、干涉、偏振等。我们根据它们的这种共同的通性，以及微波波长接近光波波长的特点，模
2、仿光学实验的方法，来做电磁波波动特性的实验。我们的实验目的是，以微波作波源，用模拟光学实验的方法，来研究电磁波所具有的 传递能量和波动的特性。2 .微波实验主要仪器简介1）三厘米固态信号源三厘米固态信号源结构简单、体积小、重量轻、输出功率大、性能稳定、携带使用方便。主要技术指标：工作频率范围：9370 50MHz在工作频率范围内，输出功率 20mW工作模式：等幅波、方波输入电源：220V_10%3 ）微波分度计其总体结构如图1-1所示，可分为三个部分。1、发射部分它是由固定臂及臂上的发射喇叭和可变衰减器组成，其微波信号是由三厘米固态信号发生器经同轴电缆馈电送至发射天线。2、接收部分它由可绕中心
3、轴转动的悬臂和臂上端的接收喇叭，检波器组成。3、在两喇叭之间的中心轴自由转动的圆形小平台，平台被均分为 360等分。（一）电磁波的反射实验1、实验目的任何波动现象（无论是机械波、光波、无线电波），在波前进的过程中如遇到障碍物,波就要发生反射。本实验就是要研究微波在金属平板上发生反射时所遵守的波的反射定律。2、实验原理电磁波从某一入射角i射到两种不同介质的分界面上时，其反射波总是按照反射角等于 入射角的规律反射回来。如图（1-2）所示，微波由发射喇叭发出，以入射角i设到金属板 MM ，在反射方向的位置上，置一接U喇叭B,只有当B处在反射角i 约等于入射角i时，接收到的微波功率最大， 这就证明了反
4、射定律的正确性。A图1-23、实验仪器本实验仪器包括三厘米固态信号发生器，微波分度计，反射金属铝制平板，微安表头。4 、 实验步骤1）将发射喇叭的衰减器沿顺时针方向旋转，使它处于最大衰减位置；2）打开信号源的开关，工作状态置于“等幅”旋转衰减器看微安表是否有显示，若有显示，则有微波发射；3）将金属反射板置于分度计的水平台上，开始它的平面是与两喇叭的平面平行。4）旋转分度计上的小平台，使金属反射板的法线方向与发射喇叭成任意角度i ,然后将接收喇叭转到反射角等于入射角的位置，缓慢的调节衰减器，使微安表显示有足够大的示数（50 MA）。5）熟悉入射角与反射角的读取方法，然后分别以入射角等于30、40
5、、50、60、70度，测得相应的反射角的大小。6）在反射板的另一侧，测出相应的反射角。5 .数据的记录预处理记下相应的反射角，并取平均值，平均值为最后的结果。入射角外20030040 050060070 0邛左19293。36。49.55968邛右右20.53343526270.5华的平均值19.831.339.550.860.569.36.1可题讨论为什么要在反射板的左右两侧进行测量然后用其相应的反射角来求平均值。答：由于实验仪器存在回程差，故分别向左和向右测量以抵消回程差的影响，使测量结果更为精确。（2） 电磁波的偏振实验1 .实验目的通过实验研究来进一步熟悉电磁波的偏振特性2 .实验原理
6、喇叭天线的增益大约是 20分贝，当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量 的偏振方向是垂直水平面的直线偏振波，假设该直线偏振波在接收喇叭处强度为2I = I。cos2 a其中a是I与Io之间的夹角，这就是光学中关于光强分布的马吕斯定律。 本实验所用接收喇叭是和一段旋转短波导连在一起的，从而可在旋转波导的轴承环的900范围内旋转，当接收喇叭与发射喇叭之间的夹角为a ,则接收的信号强度是 2I =Io cos2c（。因此，转动接收喇叭，就可得到转角与微安表的一组数据，并可与马吕斯 定律相比较。3 .实验步骤1）首先把发射喇叭和接收喇叭调到一条直线上，旋转平台上的定位销，使悬臂固定，此时，
7、使波导的指示在零度处。2）调节衰减器，使微安表的指示足够大（60 NA ）作为I o （ I 0 =74 % ）。3）然后旋转接收喇叭，00 900每隔100记下相应的电流强度。4）然后从900 00每隔100记下相应的电流强度。5）数据的记录与处理项目、.、0010020 03004005006007008009001745042302012521028076685238209310I的平均值77635541291672.5102I = 10 cos a74.072.969.564.156.747.637.025.312.80（3） 电磁波的衍射实验1 .微波单缝衍射实验1）实验目的熟悉电磁
8、波具有波的绕射通性，测试微波的衍射强度随衍射角的变化规律。2 ） 实验原理微波的衍射原理与光波完全相同，当一束平面波入射到一宽度和波长可以比拟的狭缝时，它就要发生衍射现象。设电磁波波长为九，如图（1-3）所示，平面电磁波垂直入射到宽度为豆的夹缝上，当衍射角符合如下条件时在狭缝后面出现衍射波的强度极小。a sin = k (A)a sin = (2k 1)-(B)（k =1、2、3 ）时，则在缝后面出现衍射波的强度极大。介于上述两条件之间的衍射波,小值与极大值之间变化，其相对衍射强度与衍射角之间的变化规律如图（衍射波的强度在极1-4）所示（纵坐标为相对衍射强度I ,横坐标为衍射角中）图1-44）
9、实验步骤1 .首先将发射喇叭与接收喇叭的中心和分度计上小平台的中心三者调到同一个垂直平面 内，并且保证发射喇叭和接收喇叭处于等高。3.4.5.2 .将铝制板缝的宽度调为 7厘米，然后使狭缝平面与两喇叭的连线成正交方向固定在分度 计的小平台上 调节衰减器使微安表的显示足够大。从衍射角为零度开始在单缝的两侧，衍射角每改变1度去读取一次示数，并添入数据表。根据公式（A）和（B）,并由已给微波波长 3.2厘米，缝宽7.0厘米，计算出一级极小和一级极大的衍射角。级理论值衍射角测量值绝对误差邛=P用相对误差 %一级极小 二级极小平，27.228.528.01.053.9%三级极小(p *66.061.56
10、4.23.154.8%(p-无一级极大 二级极大中43.343.042.50.551.3%三级极大(p “无甲无（四）用微波的布拉格衍射实验测定模拟晶体的晶格常数1）实验目的仿照X射线入射真实晶体发生衍射的基本原理，我们用制作的放大的晶体模型代替真实晶体，以微波代替X射线。让微波向模拟晶体入射， 观察波在“晶体”的不同晶面上反射时， 其反射波产生干涉所符合的条件与微波的波长，“晶体”的晶格常数以及掠射角之间的关系。2） 实验原理如图（1-5）所示，设原子之间的距离为d ,当一束微波以 日角掠射到100晶面，一部分微波将为表面层的“原子”所散射，其余部分的微波将为“晶体”内部的各“晶面”上的 原
11、子所散射。各层晶面上“原子”散射的本质是因“原子”在微波电磁场的作用下，做与微 波同频率的受迫振动，然后向周围发出微波，按反射定律的方向反射的微波强度最大。由图（1-5）可知，波束1和波束2,是分别由表面层和第二层所反射，其波程差为AC CB =2Dsini显然，当符合下列条件时2dsin日= K，u K=1, 2, 3反射的微波是干涉加强。上式就是晶体衍射的布拉格公式。本实验使用的微波波长 九=3.2厘米；晶格常数d =4.00厘米。110图1-53）实验步骤1、首先将发射喇叭和接收喇叭置于等高度，然后调在同一垂直面内。2、用以给的i和d用公式计算出k =1,2是对应的掠射角。3、将“晶体”
12、放在转动的小平台上，掠射角从零度测起，每改变2度测一读数，然后记下电流表的数值，以电流表的值 I为纵坐标，以掠射角 9为横坐标，做出I -e的关系曲线。掠射角0030323436384042444648I / NA3440825402894掠射角6050525456586062646668I / %8854422028掠射角9070I / 4A6I -9的关系曲线如下所示。020406030I/uA（五）麦克尔逊实验（用介质测波长）麦克尔逊实验基本原理如图1-6所示，在电磁波前进的方向放置45度半透射板，由于板的作用，将入射波分成两束；一束向 A方向传播，一束向 B方向传播，由于 A、B两处反
13、 射作用，两束波就再次发射到半透明板，并到达接收喇叭，由于接收喇叭接受两束波同频率， 振动方向一致的两个波。如果两个波相差为2n的整数倍时，则干涉加强，当相位差为 n的奇数倍时，则干涉减弱。因此移动B处的反射板，当表头指示从一个极小值变到另一个极小 值时，则B处反射板移动 %波长的距离。实验时通过移动读数机的一端，使表头出现N +1个极小值（极大值），并同时记下读数机移动的相应位移数， 从而求得反射板的移动距离 L,则波长为九=2L/N, NA零指示数N相当于九/2的波长数。以零指示数（n十1）4= (3 + 1)n=3可移动板指示位置12.00,28.72,45.29,60.68可移动板位移
14、L=（n-1）L=60.68-12.00=48.68 2L测得= 3.25cm实验三双缝干涉1、实验目的通过实验观察并测量双缝干涉的现象及特性。2、实验原理如图3所示，在一块金属板上相隔b有两个宽度同为a的缝隙，当电磁波垂直入射到该金属板上时，在两个缝上均产生感应磁流，这两个缝隙可以看成为两个天线，金属板背面的场是这两个缝隙辐射场的叠加(干涉的结果)。当b的值较大时，即忽略两个缝隙之间的相互影响，则金属背面的场为E E E其中Ei和8分别为两个缝隙辐射的场，因为金属板与入射线垂直，则两个缝 隙上的感应磁流相同，即E = e-jkri.Ee-jkr2=日。-e_jk匕9b)sinE-jkri1
15、.一人ri -aab)sin |= 2jEe丑e.T4a b)sin引2sink(a b)sim I则总场的幅度为E =2E1 sink (a b)sin-.l因此当sink (a b)sinu / 2 = 1k (a + b)sin6 / 2 = (2n+1)兀 / 2 ,=sin2n 1 IL 2 a b时，总场(干涉场)出现加强)当sin k ( a b)sin 1/ 2 = 0即k (a b )sim / 2 = n ：=sin,na b时，总场(干涉场)出现减弱。3、实验系统构建(1)发射、接收喇叭安装同实验一，取工作波长 3 3 32mm ;(2)调节双缝铝板，使缝的宽度为a =
16、40mm , b =130mm ;(3)将双缝板安装到支座上，使铝板平面与小圆盘上的某一对刻度线一致，此刻度线应与工作台上的900刻度的一对线一致；(4)转动小平台使固定臂的指针指向小平台的1800处，此时小平台的00就是 缝隙平面的法线方向；4、实验步骤(1)按照信号源操作规程接通电源;(2)调节衰减器使微安表的读数指到合适位置(80 1A);(3)从衍射角00开始，每改变10读取一次表头读数，并记录下来。做完实验后关闭电源，将衰减器的衰减调至最大。(1)整理数据，绘出曲线双缝干涉角度/02468I/ uA70382830角度/1012141618I/ uA3681210角度/2022242
17、628I/ uA2016161525角度/3032343638I/ uA163114角度/4042444648I/ uA28382043角度/5052545658I/ uA33242角度/6062646668I/ uA44222角度/70I/ uA2(2)标注一级极小，一级极大的角度。由图像可知，一级极小的角度为 4。，一级极大的角度为10。(3)对实验现象的分析和讨论。从表中可以读出一级极小的角度约为4 , 一级级大的角度约为10。理论上 由公式推导出一级极小的角度为5.4。，以及极大的角度约为10.8 ,实验结 果与理论值较符合。双缝干涉实验中，发射喇叭发射的能量经过双缝后，在空 间形成了
18、干涉现象，随着衍射角的变化，接收喇叭可以接收到各个方向的能量， 通过能量的大小变化，就可以粗略获知双缝干涉图样，通过左右两个方向的旋 转观察，也减小了单侧观察可能出现的误差， 消除了离轴误差，实验结果具体 情况可见上图，结果显示，极小与极大角度实测值与理论值较符合。实验六偏振（极化）（二）1、实验目的通过实验掌握利用极化栅产生圆极化的方法，掌握圆极化的特性及检测技术。2、实验原理如图10所示，将发射喇叭旋转 450,则发射喇叭辐射的电磁波可以分解为水平极化和垂直极化波。由实验四已知，从发射喇叭发出的电磁波被介质板 （此实 验为玻璃板）分成两束波，一束为反射波，这部分波到达栅板 1,栅板1只能将
19、电 场与金属丝平行的电磁波反射，而电场与金属丝垂直的电磁波则顺利穿过极化 栅 板，被后面的吸波材料吸收，被栅板1反射回来的电磁波，部分透过介质板到 达接 收喇叭，这部分电磁波为垂直极化波；同理，另一束从发射喇叭发出的电磁 波， 透过介质板直接传输到栅板 2,电场与栅板2金属丝平行的部分被反射，垂直的 部分透过金属栅被其后面的吸波材料吸收， 反射回来的电磁波，部分被介质板反 射到达接收喇叭，这部分电磁波为水平极化波，这样接收喇叭接收到的电磁 波分 别为栅板1和栅板2反射的电磁波，它们的极化方向相互垂直，幅度相同， 再前 后移动栅板2或栅板1,可以使它们的相位差达到 90度，形成圆极化。图10圆极
20、化波的产生及检测3、实验系统构建（1）安装喇叭天线，使发射喇叭（固定臂）和接收喇叭（旋转臂）之间互成 90,两个喇叭极化方向一致；（2）安装极化栅板，一个极化栅板（如板 1）为固定安装，另一个则安装于5、实验报告读数器上，读数器安装于分光仪的指定位置，使极化栅板面与两个喇叭的轴线 分 别垂直，两个极化栅板的金属丝方向互相垂直；(3)安装介质板，使介质板与两个喇叭的轴线互成450图11圆极化实验系统4、实验步骤(1)按照信号源操作规程接通电源；(2)调节衰减器的衰减量，使微安表的读数合适(如 80微安)；(3)旋转发射喇叭的极化方向为 45;(4)在0 0到900之间旋转接收喇叭，将出现在任意角
21、度下E &EE (或E/ ),这时改变金属栅 2的位置，使得 Ea = E_l = E/ ,这样就实现了两个波的相位差 为士，得到圆极化波；(5)由于测试条件的限制，E”和,、E/不能完全相等，当接收喇叭在03600旋转时，总会出现检波电压波动；但当 Emin / EmaxS | min/ I ma/ 0.9时，即椭圆度为0.93时，可以认为基本实现了圆极化波；(6)旋转接收喇叭记下不同角度的检波电流，求出圆极化波的椭圆度；(7)实验结束，将衰减器调节至衰减最大，关闭电源。(1)整理数据，绘出曲线;角度0102030405060708090电流/ 3152565860566054525854(
22、3)对实验现象及现象的分析和讨论，得出结论。在本次实验中，当接收喇叭旋转时，检波电流基本保持不变。发射喇叭仪器存 在系统误差，得不到绝对的水平极化和垂直极化波；栅板也不是绝对的平面， 也影响入射角和反射角的大小；电流表等仪器灵敏度不高均影响检波电流的测 量，在实验条件允许的条件下，本实验基本获得了圆极化波。因此，可以得到 结论：同频率正交场的两个线极化波相位差为 90,幅度相等时，合成场波为圆极 化波。实验七、左旋/右旋圆极化波1、实验目的通过实验观察测试左旋/右旋圆极化电磁波的特性，掌握利用介质片及圆波 导产生圆极化波的方法。2、实验原理本实验主要使用 DH30002型电磁波极化天线(如图1
23、2)和DH926B型微 波分光仪图13 DH30002型电磁波圆极化天线的工作原理电磁波极化天线 DH30002是由方圆波导转换、介质圆波导和圆锥喇叭组成。介质圆波导可作360 o旋转，并有刻度指示给出转动的角度，当矩形波导中的TE10波经方圆波导转换到圆波导口面时，就过渡为圆波导的TEii波，并可在介质圆 波导内分成两个分量的波，即电场垂直于介质片平面的波和电场平行于介质面的波。本系统设计为频率在 9370MHZ即32mm）左右，使两个分量的波相位差 90,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。当圆极化波辐射装置方变圆波导 （如图13）使TE10
24、的Ey波过渡到TE11成为E波后，在 装有介质片的圆波导段内分成 Et和5两个分量的波，Et和5的传 播速度不同，即M MV =Vc/当介质片的长度 L合适时，使En波的相位 超前t E波的相位90。，这就实现 了圆极化波相位条件的要求；为使 n E与t E的幅度相等，可使介质片的 n?方向跟语由之间 夹角为4 45?,若介质片的损耗略去不计，则有Emax EminJ2 Erm实现了圆极化波幅度相等条件的要求（实际 上有时需稍偏离45科实现幅度相位的要求）。圆极化波是右旋还是左旋特性的确定：电场旋转方向和波的传播方向符合 右手螺旋规则的波， 定为右旋圆极化波， 反之定为左旋圆极化波。本组件中介
25、质片长度 L已定在适合于9370MHz50MHz的带宽范围内工作，其椭圆度0.93。圆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。作为线极化波工作时，介质 片n 与y轴相垂直（或平行）。作为椭圆极化波 工作时，介质片n 与y轴夹角可在 a =045之间。3、系统构建将发射端喇叭换成 DH30002型电磁波极化天线，即如图 12所示的圆锥 喇 叭，并使圆锥喇叭连接方式同原矩形发射喇叭连接(圆锥喇叭的方圆波导转换仍连接微波分光仪的衰减器和 DH1121B型三厘米固态信号源的振荡器)；DH926B型微波分光仪的接收喇叭(矩形喇叭)口面应与 DH30002型 电磁 波极化天线(圆
26、锥喇叭)口面互相对正，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90。刻度或0 -180刻度处。4、实验步骤(1)按照信号源操作规程接通电源；(2)调节信号源的频率到 9370MHz 士 50MHz范围(注：一般已调好)； 旋转发射喇叭的极化方向为，其内部介质片也随之旋转，内部介质片应与矩形波导的宽边成450,理论上实现了圆极化波幅度相等条件的要求；由于测试条件的限制，当接收喇叭在0。36(f旋转时，总会出现检波电流波动；但当E min / Emax如l min / I max之0.93时，即椭圆度为 0.93时，可以认 为基本实现了圆极化波；(5)旋转接收喇叭记下不
27、同角度的检波电流，求出圆极化波的椭圆度。(6)实验结束，将衰减器调节至衰减最大，关闭电源。5、实验报告(1)整理数据，绘出曲线电流/uA302010 0 H111r11111CT 10 如口40”500600708O090D(2)分析实验数据，并对实验现象分析和讨论，得出结论。实验中从转盘中央向一侧转动接受装置时， 发现微电流计的示数发生波动。 由于连接接收装置的微电流计测得的电流与接收装置接收到的电磁波的能量成 正相关，因此从实验数据可以得出大致结论：波长为3.2厘米的微波通过与竖直方向成45度角的圆极化波辐射装置后成为圆极化波，在某两个角度可以接收到 该圆极化波能量的最大值和最小值(54u
28、A/48uA),求得该圆极化波的椭圆度约 为0.94,符合圆极化波的要求，说明产生圆极化波的辐射装置角度调节较为适 当。实验八、圆极化波的反射/折射1、实验目的通过实验验证圆极化波的接收性能。2、实验原理如图14所示，如果发射圆极化天线发射的电磁波为右旋圆极化波，该波经 过 介质板(此实验为玻璃板，电磁波传播方向成450夹角),一部分反射，另一部 分透过介质板继续向前传播(极化方向不变)仍为右旋圆极化波。辐射的 右旋圆极化波必须用右旋圆极化天线接收。若用左旋圆极化波天线接收时，理 论上接收 信号为零。反之亦然。如果接收天线极化不变时，当其分别处于位置 A 和位置B时，有一个位置接收不到信号。图
29、14圆极化波反射/折射特性原理图3、系统构建(1)在前一个实验的基础上，即DH926B型微波分光仪发射端喇叭一一DH30002型电磁波极化天线(圆锥喇叭)在调整形成圆极化波的基础上，将微波 分光仪接收端喇叭(矩形喇叭)也更换成 DH30002型电磁波极化天线(圆锥喇 叭)，并使圆锥喇叭连接方式同原矩形接收喇叭连接(圆锥喇叭的方圆波导转换 仍连接微波分光仪的检波器)；(2)接收与发射喇叭(DH30002型电磁波极化天线)口面互相对正，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 90。刻度 处。(3)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
30、四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。将半透射板放到支座 上时，应使半透射板平面与支座下面的小圆盘上的0 -180这对刻线一致，这时小平台上的900刻度就与介质板(玻璃板)的法线方向一致。4、实验步骤(1)按照信号源操作规程接通电源；(2)调节信号源的频率到 9370MHz 士 50MHz范围(注：一般已调好)；(3)转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在某一刻度处，这刻度数就是入射角度数；(4)缓慢转动活动臂，观察微安表的读数，记录下微安表读数最大和最小时活动臂的角度；(5)实验结束，关闭电源。注意：入射角最好取30至65之间，因为入射角太大或太小接收喇叭有可能 直接接收入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。5、实验数据入射角t实数:45度微安表读数角度取大。度最小 =20 度实验原理:发射圆极化天线发射的电磁波为右旋圆极化波，该波经过介质板（此实验为玻璃板，电磁波传播方向成 450夹角），一部分反射变为左旋圆极化波，另一 部分透过介质板继续向前传播（极化方向不变）仍为右旋圆极化波。因为接收大 线是右旋圆极化天线，理论上接收左旋圆极化电磁波信号为零。 所以当接收天线 转至一定角度后，接收不到透射的右旋圆极化波，而反射的左旋圆极化波因为和 接收天线的极性相反，接受的信号为零。而当接收天线角度为零时，透过介质板 的右极化波传播方向一致，所以接收的信号最大。