大连理工大学电磁场与微波实验预习报告

另味怪友
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2020年03月21日 19:29
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电磁波参数测量预习报告 姓名:学号:班级:实验台号:同组人: 一、实验目的和要求 1.在学习均匀平面电磁波的基础上,观察电磁波的传播特性。 2.熟悉并利用相干波原理,测量自由空间内电磁波的波长λ,确定相移常数β和波速v。 二、主要仪器 926B型微波分光仪 1121B型3CM固态信号源 -1/035A型3CM空腔式波长表 4.金属反射板两块 5.有机玻璃半透射板一块 三、实验内容和原理 1.实验内容 (1)了解利用相干波测量自由空间内电磁波波长的原理及方法。 (2)熟悉电磁波测量平台(微波分光仪)的特点及使用。 (3)手动模式,采用“交叉读数法”测量连续的3个波节点d01、d02、d03,并分别计算得到两个半波长λ/2及β、v。 (4)用3cm空腔波长表测量行波频率f。 2.实验原理 两束等幅、同频率的均匀平面电磁波,在自由空间内从相同(或相反)方向传播时,由于初始相位不同发生干涉现象,在传播路径上可形成驻波场分布。本实验正是利用相干波原理,通过测定驻波场节点的分布,求得自由空间内电磁波波长的值,再由 2 πf f2 得到电磁波的主要参量:和等。 相干波测量波长实验装置如图1所示。图中Pr0、Pr1、Pr2、Pr3分别表示辐射喇叭天线、固定金属反射板、可动金属反射板和接收喇叭天线。图中介质板是一块30×30(cm)²玻璃板。由发射喇叭天线辐射来的电磁波一部分经介质板反射到达Pr1,再经Pr1反射和介质板的折射到达接收喇叭;另一部分能量通过介质板折射到达Pr2,再经Pr2反射和介质板的折射到达接收喇叭。这样,两部分能量在接收喇叭处形成相干波。

图1 设介质分界面上以入射角θ1斜入射一个垂直极化波,入射波电场为: EiEotejk1r 则在分界面上便产生反射波Er和折射波Et。我们用R┴表示介质板的反射系数,用T┴o和T┴ε分别表示由空气进入介质板和由介质板进入空气的折射系数,而固定的和可动的金属反射板的反射系数为-1。在一次近代的条件下,接收喇叭Pr3收到的两相干波为: Er1RToTEiej1 Er2RTToEiej2 两者的幅度相等。若忽略电磁波在介质中行程Z的相位值,则式中: Φ1=k(2Zo+Zr1)=kZ1 Φ2=k(2Zr2+Zr1)=k(2Zo+2Δl+Zr1)=kZ2 所以 ΔZ=Z2-Z1=2Δl 由于Z1=2Zo+Zr1为固定值,Z2=Z1+2Δl是可变的,所以当改变可动反射板Pr2的位置(即改变Z2值)就可使Er1和Er2同相叠加或者反相叠加。同相叠加时,Pr3输出指示最大;反相叠加时,Pr3输出指示为零。这样,我们通过改变Pr2的位置,即改变Δl值,使Pr3输出指示最大值与零值交替出现,从而测出电磁波的波长λ,并得到相位常数k。其数学表达式推导如下: 接收喇叭Pr3的合成电场: ErEr1Er2RToTEi(ej1ej2)RToTEiej(12)/2[ej(12)/2ej(12)/2] 2RToTEicos(122)ej(12)/2相位差 ΔΦ=Φ1-Φ2=k(Z2-Z1)=2kΔl 为使测得的波长λ值较准确,通常取Pr3指示为零的点作为节点,即:

cos则 因 故得 或 0 22(2n1)l 22l(2n1)2 (2n1),n0,1,2…… 2222kl2l 这里n=0,1,2„„表示相干波合成电场Er=0时Pr3所在的节点,记这时Pr3的位置为ln,我们可以通过相干波的节点来求得λ值。将波形图示于图2上。 图2 当n=0时,2l2(ZZ),得到第一个波节点的位置l0; r2002当n=1时,2l2(ZZ)3,得到第二个波节点的位置l1; r2102依次类推,可得 ,得到第(N+1)个波节点的位置lN。显当n=N时,2l2(ZZ)(2N1)r2N02然,当波节点总数为(N+1)时,Pr2移动的总距离为(lN-l0),它等于N个半波长数。 即 2(lN-l0)=Nλ 可得2(lNl0) N从k2,kf 就可得被测电磁波的参量λ、k、υ值。由于得到的测试波长为平均值,从理论上讲,N值越大,得到的精度越高。 实际测量中,一般取N=4,对应于5个波节点,则所测得波长为:

2(l4l0) 4它表示5个波节点间距离,对应4个半波长。试验中,由于实验装置中可移动金属板的移动装置限制,可能取不到5个波节点;而且由于发射和接收天线的距离较短(即为近区场),易产生各种发射和折射的干扰,因而在测量中不仅节点的均匀分布会受影响,而且节点的波谷值也会有起伏。(注意:由于只取波节点的位置且计算时取其长度的平均值,因此节点波谷值的起伏不影响测量结果。) 四、操作方法与实验步骤 1.按电磁波参量测试原理,将DH926B型微波分光仪组合成测波长、相移常数的状态。 1)拆下所有介质板,使辐射天线Pr0和Pr3相对,轴线在同一平面上,调整信号衰减器使检波电流指示表示数在满意的70%左右。 2)用3cm空腔波长表测量谐振点,查表求得电磁波行波频率f。 3)按迈克尔逊干涉原理图调整装置,安装反射板Pr1,Pr2及半透射板Pr4。 2.数据测量,先旋转移动云台手柄将Pr2板移动至最右侧,然后向左侧移动Pr2板,同时观察电流表的变化,测出三个连续的电流最小点并记录。 1)移动云台带有一“读数机构”,由直尺及手摇柄上的分度盘构成百分尺,可精确的读取云盘所携带的金属反射板的相对位置。 2)测量过程中要匀速移动云台,转动时应小心,防止由于云台上的全反射板的抖动造成的测量误差,另外,为了消除机械回程误差,一定要做单向匀速移动。 3)为了保持测量精度,驻波特征点的获取必须采用“交叉读数取中值”方法。 4)认真做好实验原始数据记录,计算出所测得的两个半波长(λ/2),要求测得的两个半波长之间的误差不得大于0.5mm。 5)根据测得的波节点的坐标,计算求得电磁波波长λ,并且确定电磁波相移常数β和波速v。

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