哈工大电磁场实验报告.docx

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哈工大电磁场实验报告

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300~300000兆赫，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：

937050MHz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：

220V10%

2）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。

图1-1

（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，以入射角设到金属板,在反射方向的位置上，置一接收喇叭，只有当处在反射角约等于入射角时，接收到的微波功率最大，这就证明了反射定律的正确性。

图1-2

3、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，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）。

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、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

19°

29.5°

36°

49.5°

59°

68°

20.5°

33°

43°

52°

62°

70.5°

的平均值

19.8°

31.3°

39.5°

50.8°

60.5°

69.3°

6.问题讨论

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。

（二）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

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

其中是与之间的夹角，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范围内旋转，当接收喇叭与发射喇叭之间的夹角为，则接收的信号强度是。

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，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）作为（=74）。

3）然后旋转接收喇叭，每隔记下相应的电流强度。

4）然后从每隔记下相应的电流强度。

5）数据的记录与处理

项目

1（I）

74

50

42

30

20

12

5

2

1

0

2（I）

80

76

68

52

38

20

9

3

1

0

I的平均值

77

63

55

41

29

16

7

2.5

1

0

74.0

72.9

69.5

64.1

56.7

47.6

37.0

25.3

12.8

0

（三）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，如图（1-3）所示，平面电磁波垂直入射到宽度为的夹缝上，当衍射角符合如下条件时

图1-3

（A）

在狭缝后面出现衍射波的强度极小。

当（B）

（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，衍射波的强度在极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（1-4）所示（纵坐标为相对衍射强度，横坐标为衍射角）

图1-4

4）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。

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

3．调节衰减器使微安表的显示足够大。

4．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。

5．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。

项目

级数

衍射角理论值

衍射角测量值

绝对误差

相对误差

一级极小

二级极小

三级极小

27.2°

66.0°

无

28.5°28.0°

61.5°64.2°

1.05°

3.15°

3.9％

4.8％

一级极大

二级极大

三级极大

43.3°

无

无

43.0°42.5°

0.55°

1.3％

（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，当一束微波以角掠射到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，波束和波束是分别由表面层和第二层所反射，其波程差为

显然，当符合下列条件时

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厘米；晶格常数厘米。

图1-5

3）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、用以给的和用公式计算出是对应的掠射角。

3、将“晶体”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，以电流表的值为纵坐标，以掠射角为横坐标，做出的关系曲线。

掠射角

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

/

3

4

4

0

8

25

40

28

9

4

掠射角

50

52

54

56

58

60

62

64

66

68

/

8

8

5

4

4

2

2

0

2

8

掠射角

70

/

6

的关系曲线如下所示。

（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。

如果两个波相差为的整数倍时，则干涉加强，当相位差为的奇数倍时，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。

图1-6

实验时通过移动读数机的一端，使表头出现个极小值（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，则波长为，零指示数相当于的波长数。

零指示数（）

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

L=60.68-12.00=48.68

测得

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

rv1

φ

如图3所示，在一块金属板上相隔b有两个宽度

a

b

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rv2

个天线，金属板背面的场是这两个缝隙辐射场的叠加a

（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

EE1E2

其中E1和E2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

则总场的幅度为

E=2E1sin[k（a+b）sinθ]

因此当

sin[k（a+b）sinθ]/2=1

即

[k（a+b）sinθ]/2=（2n+1）π/2，

时，总场（干涉场）出现加强）

当

sin[k（a+b）sinθ]/2=0

即

[k（a+b）sinθ]/2=nπ

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