电磁场与电磁波实验讲义.docx
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电磁场与电磁波实验讲义
电磁场与电磁波实验讲义（试用）
实验一、电磁波的反射特性研究
一、实验目的
1、研究电磁波在良导体表面的反射;
2、熟悉微波分光仪DH962B的使用方法。
法线
二、实验原理
θr
反射波
入射波
θi
金属反射板
实验原理图
如上图所示,电磁波在传播过程中如遇到障碍物,必定要发生反射,
我们用一块金属板作为障碍物来研究当电磁波以某一入射角投射到
此金属板上所遵循的反射定律,即反射线在入射线和通过入射点的法
线所决定的平面上,反射线和入射线分居在法线两侧,反射角等于入射角（如上图所示,θr=θi）。
三、实验装置
（1）
实验装置示意图
金属反射板
四、实验内容和步骤
1、熟悉微波分光仪的结构、仪器的连接和系统调整:
在微波分光仪的底座上有两个支臂,其中一个为固定支臂,另一
个支臂则可绕中心轴旋转（带固定螺钉）,发射喇叭天线和信号源安装
在固定支臂上,接收喇叭天线和微安表安装在旋转支臂上。
微波分光
仪底座中央有一带角度刻度线的园形工作平台。
仪器连接时,两喇叭
天线的口面应正对,它们各自的轴线应在同一条直线上,两个臂的位
置指针应分别指向工作平台的900刻度处。
按信号源的操作规程打开
电源,调节衰减器使微安表有一适当的读数（满量程的三分之二及以
上,这样可以减小读数误差对测试结果的影响）。
将带支座的金属反射
板放在园形工作平台上（注意:
金属反射板的平面应与支座下面的小
园盘上的某一对刻度线一致）,在将带支座的金属反射板放在园形工
（2）
作平台上时,应注意两点:
（1）使小园盘的刻度线（与金属板平面一致
的一对刻度线）与工作平台上相应900刻度的一对刻度线一致,这时工
作平台上的00刻度线就与金属反射板的法线方向一致;
（2）利用工作
平台上的固定螺钉将金属反射板的支座固定。
2、测量入射角和反射角:
转动工作平台,使固定臂的指针指在某一角度处,该角度数就是入
射角,然后转动旋转臂使微安表的读数达到最大,此时旋转臂上的指
针所指的刻度就是反射角。
如果此时微安表的指示太大或太小,可调
节信号源的衰减器,使微安表的指示有一适当值。
做此项实验时,入射
角最好取300至650之间,因为入射角太大接收喇叭天线有可能直接接
收到入射波。
按下表所示入射角,分别测出它们所对应的反射角。
入射角（0）
30
35
40
45
50
55
60
65
反射角（0）
注意:
实验时应注意周围环境对测试结果的影响;实验装置附近不
可有运动物体,甚至测量者头部的移动都有可能影响测量结果,所以
测量者应坐在接收天线后面读数。
五、实验仪器
1、DH926B微波分光仪;
2、三厘米固态信号源;
3、带支座的金属反射板;
4、角锥喇叭天线;
5、微安表。
（3）
六、预习要求
1、熟悉实验目的、实验原理、实验内容和步骤;
2、设计出记录数据的表格,写出预习报告。
七、实验报告要求
1、写出实验名称、作者、合作者、实验目的、实验原理、实验内容和步骤、画出实验装置示意图;
2、实验结果；
3、分析可能引起测量误差的因素。
实验二、电磁波的极化特性研究
一、实验目的
1、研究线极化波、圆极化波和椭圆极化波的形成和特点;
2、了解线极化波、圆极化波和椭圆极化波特性参数的测试方法;
3、进一步熟悉微波分光仪DH962B的使用方法。
二、实验原理
平面电磁波的极化是指电磁波传播时,空间某点电场强度矢量
E随时间变化的规律。
若E的末端总在一条直线上周期性变化,称
为线极化波。
若E的末端的轨迹是圆（或椭圆）,称为圆（或椭圆）极
化波。
若圆运动轨迹与波的传播方向符合右手（或左手）螺旋规则
时,则称为右旋（或左旋）圆极化波。
线极化波、圆极化波和椭圆极化波都可由两个同频率的正交线极化波组合而成。
设同频率的两个正交线极化波的电场为:
Ex=Exmcos（ωt-Φ1）……
（1）（4）
Ey=Eymcos（ωt-Φ2）……
（2）
1、线极化波的合成:
当Ex、Ey的相位相同时,即Φ1=Φ2=Φ,合成电场为
E=exExmcos（ωt-Φ）+eyEymcos（ωt-Φ）
合成电场的大小为:
E=[Exm2+Eym2]1/2cos（ωt-Φ）……（3）
合成电场的方向为（与x轴的夹角）:
α=tg-1[Ey/Ex]=tg-1[Eym/Exm]=常数……（4）
由式（3）和式（4）可以看出,合成电场的大小随时间作周期性
变化,但方向不变,始终在一条直线上,合成后为线极化波,如图
一所示。
图一线极化波
2、圆极化波的合成:
（暂不做）
在式
（1）和式
（2）中,当Exm=Eym=Em,相位差为900时
Ex=Emcos（ωt-Φ1）
Ey=Emcos（ωt-Φ1-π/2）=Emsin（ωt-Φ1）
合成电场的大小为:
（5）
E=Em=常数……（5）
合成电场的方向为（与x轴的夹角）:
α=tg-1[Ey/Ex]=ωt-Φ1……（6）
由式（5）和式（6）可以看出,合成电场的大小不变,但方向随时间变
化。
合成电场矢量的末端在一圆周上以角速度ω旋转,这就是圆极化
波,如图二所示。
图二圆极化波
设电磁波沿Z轴传播,当Ey较Ex滞后900时,合成电场矢量沿逆时
针方向旋转,是右旋圆极化波;当Ey较Ex超前900时,合成电场矢量
沿顺时针方向旋转,是左旋圆极化波。
3、椭圆极化波的合成:
在式
（1）和式
（2）中,当Ey和Ex具有不同振幅和不同相位,则合成
波矢量的端点轨迹是一个椭圆,因此,这种平面波就是椭圆极化波。
当Ey分量较Ex分量滞后时,合成电场矢量沿逆时针方向旋转,与
传播方向（Z轴正方向）形成右旋椭圆极化波;当Ey分量较Ex分量超前
（6）
时,合成电场矢量沿顺时针方向旋转,与传播方向（Z轴正方向）形成左
旋椭圆极化波。
三、实验装置介绍
实验装置如图三所示
图三实验装置
垂直金属
丝栅板
接收喇
叭天线
介质分光板将发射天线辐射出的电磁波分为两路:
一路反射到垂直
金属丝栅板,另一路折射到水平金属丝栅板。
垂直金属丝栅板反射垂直极化波（滤除水平极化波）;水平金属
丝栅板反射水平极化波（滤除垂直极化波）。
把发射喇叭天线转动一个角度α,可同时产生E⊥和E∥两个同频率的入射波:
E+⊥=Ei+sinα……（7）（7）
E+∥=Ei+cosα……（8）
E+⊥经介质分光板的反射,垂直金属丝栅板的反射和介质分光板的
折射到达接收喇叭天线处的场强为E+2⊥;E+∥经介质分光板的折
射,水平金属丝栅板的反射和介质分光板的反射到达接收喇叭天线处
的场强为E+2∥。
由式（7）和式（8）可知,调整发射喇叭天线的转角α,
可改变E+⊥和E+∥的幅度,从而可改变E+2⊥和E+2∥的幅度（注意:
当
α=450时,E+⊥=E+∥,但由于R⊥≠R∥,T⊥≠T∥,故E+2⊥和E+2∥的幅度
并不相等）;当前后调节水平金属丝栅板的位置,就可以改变E+2∥在空
间传播的波程,从而可改变E+2⊥和E+2∥之间的相位差∆Φ。
因此,适当
调整发射喇叭天线的转角α和前后调节水平金属丝栅板的位置,就可
改变E+2⊥和E+2∥的幅度及二者之间的相位差∆Φ。
当E+2⊥和E+2∥的幅
度相等,∆Φ=±π/2时,就可在接收喇叭天线处获得园极化波;当
∆Φ=±π时,就可在接收喇叭天线处获得线极化波。
当E+2⊥和E+2∥的
幅度不同,相位也不同时,就可在接收喇叭天线处获得椭园极化波。
四、实验内容和实验方法
1、圆极化波的调试与测试:
两个同频率的正交场,幅度相等,相位差为π/2时,可产生圆
极化波。
为此,先把发射喇叭天线旋转大约500角（α）,再把接
收喇叭天线的E面垂直放置,可接收E+2⊥,然后把接收喇叭天线
的E面水平放置,可接收E+2∥。
若E+2⊥≠E+2∥,可适当调整发射喇
叭天线的转角α,使E+2⊥=E+2∥。
最后前后调节水平金属丝栅板的
（8）
位置,使接收喇叭天线转动任何角度的输出指示值都相等,那么在
接收天线处就获得了圆极化波。
当接收喇叭天线转动角度为0、10、
20、……170度时记录测量数据填入表一中,并计算出圆极化波的
椭圆度e的值。
表一
θ0
0
10
20
30
40
50
60
……
140
150
160
170
I（uA）
由于实验误差,E+2⊥和E+2∥总有差别,所得圆极化波非纯圆极化波,因此用圆极化波的椭圆度e=[Imin/Imax]1/2来表示,Imin是输出指示的
最小值,Imax是输出指示的最大值。
数据记录
发射喇叭天线的转角:
α1=
水平金属丝栅板位置参数:
L1=
圆极化波的椭圆度e=
（注：
接收喇叭天线:
E∝I1/2）
2、线极化波的调试与测试:
在前面产生圆极化波的基础上,前后调节水平金属丝栅板的位置,使E+2⊥和E+2∥之间的相位差∆Φ=±π即可产生线极化波（注:
由于此
时E+2⊥和E+2∥的幅度可以不必相等,所以可以调整发射喇叭天线转角α,也可以不作调整）。
调整水平金属丝栅板的位置L0产生的波程
差为2∆L,由此产生的相位差∆Φ=β•2∆L。
由±π=2π/λ•2∆L,
（9）
可以解出∆L=±λ/4,所以把水平金属丝栅板的位置前后调节λ/4就
可以产生线极化波（实际上在前面产生圆极化波的基础上,把水平金
属丝栅板的位置前后调节λ/8（f=9GHz）就可以产生线极化波）。
当
接收喇叭天线转动角度为0、10、20、……170度时记录测量数据填
入表二中。
表二
θ0
0
10
20
30
40
50
60
……
140
150
160
170
I（uA）
数据记录
发射喇叭天线的转角:
α2=
水平金属丝栅板位置参数:
L2=
3、椭圆极化波的调试与测试:
在前面产生线极化波的基础上,适当前后调节水平金属丝栅板的
位置,即可产生椭圆极化波。
当接收喇叭天线转动角度为0、10、
20、……170度时记录测量数据填入表三中,并计算出椭圆极化波
的椭圆度e的值。
表三
θ0
0
10
20
30
40
50
60
……
140
150
160
170
I（uA）
数据记录
发射喇叭天线的转角:
α3=?
水平金属丝栅板位置参数:
L3=（10）
椭圆极化波的椭圆度e=
注:
椭圆极化波的椭圆度e=[Imin/Imax]1/2,Imin是输出指示的最小值,Imax是输出指示的最大值。
五、实验仪器
1、DH926B微波分光仪;
2、三厘米固态信号源;
3、介质分光板;
4、垂直、水平金属丝栅板;
5、角锥喇叭天线;
6、微安表。
六、预习要求
1、熟悉实验目的、实验原理、实验内容和步骤;
2、设计出记录数据的表格,写出预习报告。
七、实验报告要求
1、写出实验名称、作者、合作者、实验目的、实验原理、实验内容和步骤、画出实验装置示意图;
2、实验结果；
3、分析可能引起测量误差的因素。
（11）
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