鲁大电磁场与电磁波实验指导书新要点文档格式.docx
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5、若发生事故，不要惊慌，必须立即切断电源，要保持现场并报告老师，以便查明情况，酌情处理。
6、实验完毕后，要按要求整理好试验设备、器材和工具等，关断电源。
经指导教师检查数据并签字后，方可离开实验室。
７、学生需做开放性实验时，应事先与有关实验室（中心）联系，报告自己的实验目的、内容。
实验结束后应整理好实验现场。
８、学生必须认真做好实验报告，在规定时间内交给指导教师批阅。
目录
实验一电磁波感应器的设计与制作
实验二电磁波的极化实验
实验三电磁波传播特性实验
实验四天线方向图测量实验
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，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
1
2
3
4
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
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。
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。
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。
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30cm、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（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：
天线位置
（cm）
波腹点1
波腹点2（cm）
波长（cm）
平均波长（cm）
频率（Hz）
否则会损坏仪器。
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。
实验二电磁波的极化实验
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？
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。
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
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