电磁场与微波技术实验教程第1章
实验1 静电场边值问题实验2 平面电磁波的反射和干涉实验3 电磁波的极化,第1章 电磁场与电磁波,一、实验目的(1) 学习用模拟法测量静电场。 (2) 了解影响实验精度的因素。,实验1 静电场边值问题,二、实验原理在静电场的无源区域中， 电场强度E、 电位移矢量D及电位满足下列方程： (1.1.1),在恒定电流场中， 电场强度E、 电流密度J及电位满足下列方程： (1.1.2),因为方程组(1.1.1)与方程组(1.1.2)在形式上完全相似， 所以(静电场中的电位分布函数)与(恒定电流场中的电位分布函数)应满足同样形式的微分方程。 由方程组(1.1.1)和方程组(1.1.2)很容易求得 (1.1.3) (1.1.4),若E与在所讨论区域为均匀分布(即其值与坐标无关)， 则方程(1.1.3)与方程(1.1.4)均可简化为拉普拉斯方程： ,三、实验设备测试模型板两块， JW-12稳压电源一台， 万用表一部。 被测模型有两个： 一个用来模拟无边缘效应的平行板电容器中的电位分布； 另一个用来模拟有金属盖的无限长接地槽形导体内的电位分布。 被模拟的平行板电容器和加盖槽形导体对应的模型如图1.1.1所示。,图1.1.1 静电场测试模型,四、 实验内容 (1) 自制“网格板”。为保证各被测点位置， 采用“网格板”来定位。 该“网格板”是透明塑料薄板， 板上沿X、 Y坐标轴每一厘米打一个小孔， 形成一个正方形网格阵。(2) 按图1.1.2连接好电路， 测稳压源输出电压并记入实验数据表中， 测量时使用万用表逐点测量各点电位值。 估算万用表测量误差。,图1.1.2 静电场测试电路,五、 实验结果1. 实验数据,2. 思考本实验方法很简单， 但它是工程上很有效的一种方法。 因此， 除测出所需点电位分布外， 还要深入理解有关的一些问题。 在做实验报告时除一般要求内容数据外， 还要回答下列问题： (1) 将平行板电容器的被测模型所测的数据画成距离电位图， 与平行板电容器理论上的距离电位比较， 并解释为什么在Y=0及Y=10 cm附近(“电极”附近)电位有急剧变化。(2) 若要模拟有边缘效应的情况， 其被测模型应如何改变？,(3) 根据所测得的边界条件数据， 编程计算加盖模型空间内X=3 cm、 Y=7 cm点电场的近似值E(3, 7)。 若要精确求出各点电场值， 实验应该如何改进？(4) 造成本实验误差的因素有哪些？应如何克服？(5) 如果想要模拟三维边值型静电场， 你认为可以采取什么方法？,一、实验目的(1) 利用平面线极化电磁波投射到介质板上产生反射波和投射波的干涉现象来了解平面电磁波传播的一些基本特性。 (2) 利用干涉条纹(即空间驻波)的分布学习一种测量微波波长的方法， 观察在介质中电磁波的传播， 从而测量其相对介电常数。,实验2 平面电磁波的反射和干涉,二、实验原理微波干涉仪与光学麦克尔逊干涉仪的基本原理相同， 只是采用微波(厘米级)代替光波(微米级)而已。 微波干涉仪如图1.2.1所示。由微波源(发射喇叭)发射的平面线极化电磁波， 射向与电磁波传播方向成45的半透明介质板P， 其中一部分电磁波被P反射， 向固定金属板B方向传播， 而另一部分电磁波透射过P板向活动金属板A方向传播。 此电磁波被分为极化方向一致而传播方向垂直的两束电磁波。 因此半透明反射板也被称为分束板。,图1.2.1 微波干涉仪,为使得入射的电磁波被分为振幅近似相等的两束波， 以提高实验效果， 反射介质板采用两层介质板构成。 如图1.2.1所示， 被分束后的两束电磁波各自遇到金属板反射回分束板， 再经反射或透射后有一部分分别进入接收喇叭天线。 由于第和第两束波所经过的路径各不相同， 而分束板对两路信号的作用是相同的， 因此接收喇叭天线所接收的信号值与A、 B两板的位置和其路径中有无其他材料有关。 当两束波经不同路径所引起的相位差为2的整数倍时， 两波相叠加， 干涉加强； 当其相位差为的整数齐次倍时， 两波相叠加， 干涉减弱。,如果入射波波长为， 两波的波程差为, 则有当=k(k=0， 1， 2， )时, 接收天线检波后电流表有极大指示;当=(2k+1)/2(k=1， 2， 3, )时， 接收天线检波后电流表有极小指示。,B板固定不变， 从端点移动A板改变波程差， 当出现电流表指示极小时， A板位置在某处(由千分尺读出)， 再同方向继续移动A板又再次出现电流表指示极小时， A板的移动位置改变恰好为/2。 继续同方向移动A板， 当出现m+1个电流表指示极小时， 移动距离就为m/2个波长， 由此可测出微波源的波长。 在实验时也可以测量其极大点， 但通常测量极小点比测量极大点准确。,使用微波干涉仪也可以测量介质的相对介电常数Er。 在图1.2.1中， 固定反射板B前插入一块介电常数为Er、 厚度为d的介质板。 这时在这一路径中电磁波传播的波程改变了， 由于插有介质板的这一路电磁波波程增加了， 即 (1.2.1),这样必然改变了原来两束波相干的极小点位置。 如将可移动金属板A向后移动l， 使得l=2, 则回到原来同级的极小点。 测得l与介质板厚度d后可由下列公式求出Er。 (1.2.2),三、 实验设备实验设备如图1.2.1所示。 微波源与各透射板、 反射板有足够的距离以保证近似为平面波。 分束板应与入射电磁波成45， 与两反射板也成45， A、 B两反射板互相垂直。,四、 实验内容(1) 分别调整微波源的发射角度和仰角， 使接收天线和发射天线在同一平面， 并注意接收与发射有相同的极化面。 (2) 移动反射板A， 观察接收信号强弱变化， 当干涉加强时要尽可能地使电流表指示最大， 相抵消时尽可能地使电流表指示最小。 (通常使电流表最大指示与最小指示之比在101以上。)(3) 调节可移动反射板A， 测出电流表指示极小点时A板的位置S0、 S1、 S2、 S3、 S4， 求出电磁波的波长。(4) 注意在固定反射板前插入介质板后对应的同级极小点相应位置及移动距离l， 用千分尺测出介质板厚度d， 求出Er数值。 ,五、 实验结果1. 实验数据,一、 实验目的(1) 学习电磁波极化的测量方法。(2) 学会判读线极化波和圆极化波的方法。,实验3 电磁波的极化,二、 实验原理平面电磁波沿轴线前进没有Ez分量， 一般情况下， 存在Ex分量和Ey分量。 如果Ey分量为零， 只有Ex分量， 则称其为x方向线极化； 如果只有Ey分量而没有Ex分量， 则称其为y方向线极化。 一般情况下， Ex和Ey都存在， 在接收此电磁波时， 将得到包含水平与垂直两个分量的电磁波。 当这两个分量的电磁波的振幅和相位不同时， 可以得到各种不同极化形式的电磁波。,(1) 如果电磁波场强的x和y分量分别为Ex=Exm cos(t+1kz) (1.3.1)Ey=Eym cos(t+2kz) (1.3.2),当1等于2， 或1与2的相位差为2n时， 其合成电场为线极化波， 其合成场大小为 (1.3.3) 电场分量与x轴的夹角为 (1.3.4),(2) 如果1与2的相位差为90或270， 则Ex=Exm cos(tkz+1) (1.3.5)Ey=Eym cos(tkz+2) (1.3.6)其合成场大小为 (1.3.7),它与x轴所成的夹角的正切为 (1.3.8)所以=tkz+1(1.3.9),三、 实验设备 实验设备如图1.3.1所示。,图1.3.1 电磁波极化实验设备,四、 实验内容(1) 用金属板挡住发射天线， 转动接收天线， 测出发射天线的辐射图(线极化)。 (2) 用金属板挡住发射天线， 利用接收天线， 测出发射天线的辐射图(线极化)。(3) 发射天线和发射天线同时辐射， 使接收天线在水平方向和垂直方向指示相同(不同时可调节衰减器改变两束波的振幅， 使其相等)； 使接收天线在水平方向和垂直方向电磁波相位正交(将接收天线转动45， 调节可变相移器， 使电流表指示与水平和垂直相等)， 测其合成辐射图为圆极化。 也可调节可变相移器， 测出不同的相移量时的椭圆极化图像。,五、 实验结果1. 实验数据圆极化：,2. 数据处理根据测试数据， 画出三种极化方式的方向图。,3. 思考将实验测量所得的图形与教材上所示结果进行对比， 说明二者不同的原因， 并将此写入实验报告。如图1.3.2所示， A为椭圆横轴场强， B为椭圆纵轴场强， 其所测图像中A为椭圆长轴， B为椭圆短轴。 当B等于零时为水平线极化波， 当A等于零时为垂直线极化波， 当B等于A时为圆极化波。,图1.3.2 极化图,
