“電磁場(chǎng)與電磁波”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)大綱及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一電磁波參量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)二電磁波的極化唐萬(wàn)春，車文荃編制陳如山審定南京理工大學(xué)通信工程系

2006年12月實(shí)驗(yàn)一電磁波參量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康腶） 觀察電磁波的傳播特性。b） 通過測(cè)定自由空間中電磁波的波長(zhǎng)，來確定電磁波傳播的相位常數(shù)^和傳播速度恥c） 了解用相干波的原理測(cè)量波長(zhǎng)的方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容a） 了解并熟悉電磁波綜合測(cè)試儀的工作特點(diǎn)、線路結(jié)構(gòu)、使用方法。b） 測(cè)量信號(hào)源的工作波長(zhǎng)（或頻率）。實(shí)驗(yàn)原理與說明a）所使用的實(shí)驗(yàn)儀器分度轉(zhuǎn)臺(tái)晶體檢波器可變衰減器喇叭天線反射板固態(tài)信號(hào)源微安表實(shí)驗(yàn)儀器布置圖如下：反射板圖1實(shí)驗(yàn)儀器布置圖固態(tài)信號(hào)源所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)可變衰減器至矩形喇叭天線，在接收端用矩形喇叭天線接收信號(hào)，接收到的信號(hào)經(jīng)晶體檢波器后通過微安表指示。原理本實(shí)驗(yàn)利用相干波原理，通過測(cè)得的電磁波的波長(zhǎng)人，再由關(guān)系式2兀 3①kf,v=M=-得到電磁波的主要參量k，V等。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。圖中P、P、P和P分別表示輻射喇叭、固定反射板、可動(dòng)反射板和接收喇叭，圖中介質(zhì)板是一30x30(mm)2的玻璃板，它對(duì)電磁波進(jìn)行反射、折射后，可實(shí)現(xiàn)相干波測(cè)試。圖2實(shí)驗(yàn)示意圖當(dāng)入射波以入射角01向介質(zhì)板斜投射時(shí)，在分界面上產(chǎn)生反射波E—和折射波礦。設(shè)入射波為垂直極化波，用R表示介質(zhì)板的反射系數(shù)-，用r分別表示由空氣進(jìn)入介質(zhì)板再進(jìn)入空氣后的折射系數(shù)，r與丁為復(fù)數(shù)。另外固定的和可動(dòng)的金屬反射板的反射系數(shù)均為-1。假設(shè)發(fā)射的平面波為：E+=Eoe-jki (2)分析時(shí)i為在喇叭天線Pr0發(fā)射的波的傳播方向上與相位參考零點(diǎn)所在的面之間的距離(有正、負(fù)值之分)，相位參考零點(diǎn)不妨選介質(zhì)板的中心點(diǎn)。忽略介質(zhì)板與金屬板之間的多次作用效應(yīng)，則在反射板1與反射板2處的入射場(chǎng)e+與反射場(chǎng)e-可表示為：

E：=RE0exp(-jkl)「lE：=RE0exp(-jkl)「lE-=-RE0exp[jk(l-2L)]|1E：=TEoexp(-jkl)|ilE-=-TEoexp[jk(l-2L)]|2 l=L2它們?cè)诮邮绽萈r3處的場(chǎng)為：I=L1E-=-TRE0exp[jk(l-2L1)]=乙E-=-RTE0exp[jk(l-2L)]2 2l=-L3(5)由于它們同頻同極化，它們相干合成的場(chǎng)可寫為E=E-+E-=-TRE0exp[jk(-L-2L)]—RTE0exp[jk(-L-2L)]1 2 3 1 3 2=-TRE0exp(-jkL)[exp(-2jkL)+exp(-2jkL)]=A[1+exp(一j2kAl)](6)其中A=-TRE0exp(-jkL)exp(-jk2L)3 1Al=L2-L1上述過程可以用圖3來示意。圖3波形圖測(cè)量時(shí)，由于被測(cè)場(chǎng)e處于測(cè)試結(jié)構(gòu)的近區(qū)場(chǎng)范圍內(nèi)，不完全滿

足理想平面波的特性，這不僅影響著零點(diǎn)位置均勻分布，而且使波幅值也有起伏。為了測(cè)準(zhǔn)波長(zhǎng)人值，一般采用Pr3為零指示辦法。由（6）式可發(fā)現(xiàn)，合成波中當(dāng)exp[_j?2M]=-1時(shí)，Pr3處的場(chǎng)為零。實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定L,L,L，移動(dòng)L，使得Pr3處的場(chǎng)為零。這時(shí)可得條件0’1'3 2n 2k△/=(2〃+1n 2k△/=(2〃+1)兀W, / +1七或 L2-L[= 入（2〃+1）.△I= 4入不難發(fā)現(xiàn)相鄰兩個(gè)零值的L與、）之間的間距為|，從而達(dá)到測(cè)量目的。n=n=0,L—L= —人2(i+1)+1n=1,L.—L= 人得第一個(gè)零點(diǎn)位置l20得第二個(gè)零點(diǎn)位置l212(2(i+N)+1n=N,L—L= 4人，得第N+1個(gè)零點(diǎn)位置l2N可見，當(dāng)零點(diǎn)總數(shù)為（N+1）時(shí)，p2上移動(dòng)的總距離為（L2—L2），它相當(dāng)于n個(gè)半波長(zhǎng)數(shù)。即：2（L —L）=N"故：X=竺士。根據(jù)：2N 20 N2兀 3①k=T,v*=k就可得到所測(cè)電磁波的參量人、k、V等值?？梢姕y(cè)試波長(zhǎng)人所用公式得出的是平均值。從理論上講，n值越大，測(cè)出的人值精度應(yīng)越高。實(shí)際測(cè)試時(shí)，一般取n=4已足夠，這時(shí)相應(yīng)于5個(gè)波節(jié)點(diǎn)，所測(cè)的波長(zhǎng)為X=2（L24—L20）4它表示了5個(gè)波節(jié)點(diǎn)的距離（L—L），相應(yīng)于4個(gè)半波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)步驟a） 了解并熟悉電磁波綜合測(cè)試儀的工作特點(diǎn)、線路結(jié)構(gòu)、使用方法。b） 測(cè)量電磁波的波長(zhǎng)。首先調(diào)整好電磁波綜合測(cè)試儀使能進(jìn)行正常工作。然后測(cè)出電磁波的波長(zhǎng)，根據(jù)測(cè)出的值，得到電磁波的重要參量切由A值可計(jì)算出傳播速度2兀f 1V= =.Qck寸日￡c）用波長(zhǎng)計(jì)（或頻率計(jì)）測(cè)出信號(hào)源的工作波長(zhǎng)（或頻率）。把測(cè)試值填入表1中。如采用3cm標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，則可改變信號(hào)源工作頻率f（即改變?nèi)耄?。由以上?shí)驗(yàn)內(nèi)容，得到相應(yīng)的電磁波參量人，k,v，并與七，ko,%作比較（如使用該儀器本身的固態(tài)信號(hào)源，它已調(diào)定在一個(gè)固定頻率f上工作，故v及k不能改變）。表1電磁波參量測(cè)試數(shù)據(jù)表波長(zhǎng)表（頻率計(jì)）讀數(shù)入0微安表零指示次數(shù)（n+1）可動(dòng)板總位移△/=i_/°自由空間中波長(zhǎng)…絲n波的相位常數(shù)k-竺X波的相速度V=2fk5.實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)步驟（包括使用設(shè)備，實(shí)驗(yàn)框架圖，實(shí)驗(yàn)原理等）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論（對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中碰到的一些問題的解釋）結(jié)論（實(shí)驗(yàn)的收獲，或者某些建議等等）6.安全說明在本實(shí)驗(yàn)室中所使用的微波源都在國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)（10mW/cm2）,不會(huì)對(duì)人體造成任何傷害。但是，在實(shí)驗(yàn)期間，請(qǐng)注意以下事項(xiàng)：a） 不要用眼睛望任何連接其他設(shè)備的開路傳輸線里面看；b） 不要把身體的任何部位放在傳輸線的開口端；c） 在拆/裝微波元器件時(shí)，請(qǐng)關(guān)掉微波信號(hào)源。7.思考題：用相干波測(cè)量自由空間波長(zhǎng)時(shí)，介質(zhì)板所放位置，為什么必須如圖1所示。若把介質(zhì)板轉(zhuǎn)90，將發(fā)生何種現(xiàn)象？這時(shí)，O能否測(cè)準(zhǔn)電磁波波長(zhǎng)？為什么？實(shí)驗(yàn)二電磁波的極化研究線極化、圓極化和橢圓極化電磁波的產(chǎn)生和各自的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容a） 圓極化波的調(diào)整與測(cè)試b） 線極化波的調(diào)整與測(cè)試c） 橢圓極化波的調(diào)整與測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理a）所使用的實(shí)驗(yàn)儀器固態(tài)信號(hào)源頻率計(jì)衰減器矩形喇叭圓形喇叭檢波器微安表實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。固態(tài)信號(hào)源圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖電磁波綜合測(cè)試儀中輻射喇叭（3cm波段）支路由固態(tài)信號(hào)源、頻率計(jì)（或波長(zhǎng)計(jì)）、衰減器及圓形喇叭等組成。固態(tài)信號(hào)源的工作頻率佇9370MHz左右，接收喇叭支路由矩形喇叭、檢波器、微安表等組成。b）原理電磁波極化是指電磁波在無限大均勻媒質(zhì)中傳播時(shí)，空間某點(diǎn)上電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E的末端隨時(shí)間變化的軌跡。當(dāng)電場(chǎng)矢量末端總在一直線上周期地變化時(shí)，稱為線極化波；當(dāng)電場(chǎng)矢量末端軌跡是圓或橢圓時(shí)，即電場(chǎng)矢量末端總在圓或橢圓上周期地變化時(shí)，稱為圓極化波或橢圓極化波。無論是線極化波，左、右旋圓極化波，左、右旋橢圓極化波，都

可由兩個(gè)同頻率且場(chǎng)矢量相互正交的線極化波組合而成。本實(shí)驗(yàn)利用方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，介質(zhì)圓波導(dǎo)和圓錐喇叭連接而成的電磁波極化天線，分別研究波的極化——線極化波、圓極化波和橢圓極化波的特性。EtEn10TE110圖EtEn10TE110圖2圓極化波輻射裝置圖2所示為圓極化波輻射裝置，其中介質(zhì)圓波導(dǎo)可做3600旋轉(zhuǎn)，并有刻度指示轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。當(dāng)tei0波經(jīng)方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到圓波導(dǎo)口面時(shí)則過渡為TE11波，并在介質(zhì)圓波導(dǎo)內(nèi)分成兩個(gè)分量的波，即垂直界面片平面的一個(gè)分量和平行介質(zhì)面的一個(gè)分量。 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為9370MHz左右使兩個(gè)分量的波相位差900，適當(dāng)調(diào)整介質(zhì)圓波導(dǎo)（亦可轉(zhuǎn)動(dòng)介質(zhì)片）的角度使兩個(gè)分量的幅度相等時(shí)則可得到圓極化波。當(dāng)方圓波導(dǎo)使TE10的EY波過渡到TE11成為RP波后，在裝有介質(zhì)片的圓波導(dǎo)段內(nèi)分成Et和En兩個(gè)分量的波，因E^En的速度不同，v=u*=u/..疽,當(dāng)介質(zhì)片的長(zhǎng)度乙取得合適時(shí)，使E波的相位超前cntcr n與波的相位900，這就實(shí)現(xiàn)了圓極化波相位條件的要求；為使E^En的幅度相等，可使介質(zhì)片的n方向跟Y軸之間夾角為a=±450，若介質(zhì)片的損耗略去不計(jì)，則有氣=E』E，實(shí)現(xiàn)了圓極化波幅度條件的要求（有時(shí)需稍偏離450以實(shí)現(xiàn)幅度相位的要求）。為了確定圓極化波右旋、左旋的特性，把n轉(zhuǎn)到y(tǒng)方向符合右手螺旋規(guī)則的波，定為右旋圓極化波；把n轉(zhuǎn)到y(tǒng)方向符合左手螺旋規(guī)則的波，定為左旋圓極化波。波極化天線除作為圓極化波工作外，也可作線極化波，橢圓極化波工作使用。當(dāng)作線極化波工作時(shí)，介質(zhì)片n與y軸相垂直（或平行）。當(dāng)作橢圓極化波工作時(shí)，介質(zhì)片n與Y夾角可在a=0-450之間。實(shí)驗(yàn)步驟a）圓極化波的調(diào)整與測(cè)試根據(jù)圓極化波的條件，兩個(gè)同頻率的正交場(chǎng)相干波必須幅度相等，相位差土生。一2為此將反射板和介質(zhì)板拿掉，把輻射喇叭換成圓喇叭，轉(zhuǎn)動(dòng)圓喇叭使介質(zhì)片的n方向跟Y軸之間夾角為450左右，然后固定圓喇叭，再把接收喇叭調(diào)整到與圓喇叭成一直線。轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭，每隔100測(cè)量一次，讀取微安表上的讀數(shù)，并填入下表，最后算出圓極化波的橢圓度e匕7./I 值。表1圓極化波調(diào)整與測(cè)試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（日A）橢圓度b）線極化波的調(diào)整與測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)圓喇叭使介質(zhì)片的n方向跟y軸之間夾角為00或900，就可以得到線極化波。固定圓喇叭，轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭，每隔100測(cè)量一次，讀取微安表上的讀數(shù)，并填入下表。表2線極化波的調(diào)整與測(cè)試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（日A）c）橢圓極化波的調(diào)整與測(cè)試調(diào)整與測(cè)試橢圓極化波的方法與內(nèi)容同a、b項(xiàng)，要注意的是圓喇叭的轉(zhuǎn)角在0-450之間，按表3列出記錄表格，最后計(jì)算出橢圓極化波的橢圓度e=，,廠"廠值。'minmax表3橢圓極化波的調(diào)整與測(cè)試數(shù)據(jù)表接收喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)角度微安表讀數(shù)（日A）橢圓度實(shí)驗(yàn)報(bào)告提綱包括以下內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)步驟（包括使用設(shè)備，實(shí)驗(yàn)框架圖，實(shí)驗(yàn)原理等）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)處理）討論（對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中