115 电磁波传播特性Word格式文档下载.docx

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设C板的反射系数为R，T0为由空气进入介质板的折射系数，Tc为由介质板进入空气的折射系数。

固定板A和可移动板B都是金属板，反射系数均为-1。

在一次近似的条件下，接收喇叭天线PR处的相干波分别为

图1电磁波参量测试原理图

这里

其中，ΔL=|L2-L1|为B板移动距离，而

与

传播的路程差为2ΔL。

由于

的相位差为

，因此，当2ΔL满足

同相相加，接收指示为最大。

当2ΔL时满足

反相抵消，接收指示为零。

这里，n表示相干波合成驻波场的波节点数。

沿一个方向改变反射板B的位置，使PR输出重复出现最大指示，或重复出现零指示即可测出电磁波波长λ。

为测准λ值，一般采用PR零指示方法。

图2相干波

和

的分布

相干波

的分布如图2所示，图中n=0的节点处ΔL0作为第一个波节点（参考点），对于n≠0的各值则有

n=1，2ΔL1=3/2λ，对应第二个波节点，或第一个半波长数。

n=2，2ΔL2=5/2λ，对应第三个波节点，或第二个半波长数。

……

n=N，2ΔLN=（2N+1）/2λ，对应第N+1个波节点，或第N个半波长数。

由此可知，两个相邻波节点（接收零值）间的距离为ΔLn-ΔLn-1=λ/2，（n+1）个波节点之间共有n个半波长，即ΔLn-ΔL0=nλ/2，可得波长的平均值为

λ=2（ΔLn-ΔL0）/n

再把式该式代回，可以得到被测电磁波的K和v等参量。

实验中可移动板B移动时不可能出现无限多个驻波节点，测试中一般取n=4已足够，它相当于5个驻波节点，这时被测电磁波波长的平均值为

λ=2（ΔL4-ΔL0）/4

四、实验步骤

（1）整体机械调整（见附录一），使PT、PR相向，轴线在同一水平面线上，调整信号电平，使PR表头指示接近满刻度。

（2）安装反射板A和B、半透射板C，如图1所示，注意A、B轴向成90°

角，C板法向与A板法向成45°

角，并注意反射板A、B的法向分别与PR、PT的轴向重合。

（3）固定A板，用旋转手柄移动B板，使PR表头指示接近零，记下零指示的起始位置。

（4）用旋转手柄使B板移动，再从表头上测出n个极小值，同时从读数机构上得到相应于（3）的起始零指示位置求得反射板移动的位置（ΔLn-ΔL0），连续测三次，求平均值，取n=3或4即可。

（5）根据测得的（ΔLn-ΔL0）值，计算λ、K和v值。

五、数据记录与处理

表1电磁波波长、相位常数、波速的测量

示零计数

n=1

n=2

n=3

n=4

读数

65.652mm

49.565mm

34.291mm

18.326mm

|ΔLn-ΔL1|

16.087mm

31.361mm

47.326mm

λ=2（ΔLn-ΔL0）/（n-1）

——

32.174mm

31.161mm

31.551mm

波长平均值λ=（λ1+λ2+λ3）/3

31.629mm

因而测得的电磁波波长为31.629nm。

与三厘米固态信号发生器的出射电磁波参数的比较：

由于f=9.37GHz，因而电磁波波长理论值为

λ理论=32.017mm

理论与实际间的误差为

可见具有较大的准确性。

同时进行标准差的计算：

因而测得波长可写为λ=31.629（±

0.295）mm。

六、实验后思考

1.误差分析

测得的波长值和真实值间的误差有以下几种主要的产生原因：

（1）读数误差：

对螺旋测微器的读数存在偶然误差；

（2）装置搭建时产生的误差：

由于两个相互垂直的反射板和45°

放置的玻璃板均为手动放置，且缺少准确测量摆放角度的方式，因而搭建时难免与理想装置相差较大：

（3）电流示零处并非一个精确的点，而是在一段区间内均呈现为0。

在实验中，虽然我们统一选取了“即将离开零点”处的值作为零点记录，但对于“即将离开零点”的定义难免会产生偏差；

（4）反射板和玻璃板并不理想，存在的不平整的平面会对实验结果产生较大影响。

2.对装置改进的建议

根据对误差来源的分析，可对装置做如下的改进：

（1）针对自行搭建装置时产生的角度误差：

永久固定反射板和玻璃板的位置；

或者采取其他方式便捷地确定所放置的板的位置及角度。

（2）针对零点选择时的偏差，可设计一个数字式读数装置，当探测到的电流从0开始正向经过一个极小量（如1μA）时，发出提醒，则实验中仅需缓慢移动活动臂，便可根据提醒，准确地记录下螺旋测微器的读数。

Part2电磁波的反射与折射

（1）研究电磁波在良导体表面的反射。

（2）研究电磁波在电介质表面的反射和折射。

（3）研究电磁波在介质表面发生无反射的条件。

（3）测试用介质板、金属板。

三、实验原理

1.电磁波斜入射到两种不同介质分界面上的反射和折射

（1）反射定律

（2）折射定律

式中ε1、ε2分别为两种介质的介电常数；

θ1、θ1’和θ2分别为入射角、反射角和折射角。

2.平行极化波入射到两种介质分解面上发生无反射（全透射）的条件

平行极化波在两种介质分界面上的反射系数R||和透射系数T||的菲涅尔公式为：

其中，E1为入射波场强、E1’为反射波场强、E2为折射波场强。

欲使平行极化波斜入射时发生无反射，即R||=0，由上式应有

n2cosθ1=n1cosθ2

可以解出无反射时的入射角为

θB称为布鲁斯特角。

平行极化波斜入射到厚度为d的介质板上，如图3所示，当θ1=θB时，入射波在第一个界面上发生全折射，折射波入射在第二个界面上，仍然满足上式中的条件发生全折射，在介质板后面就可以接收到全部入射信号。

图3斜入射时的全折射

3.垂直极化波不可能产生无反射（全折射）

垂直极化波入射在两种介质的分界面上，反射系数R⊥和折射系数T⊥分别为

一般而言，ε1≠ε2，可以证明垂直极化波无论从光疏介质射入光密介质，还是从光密介质射入光疏介质，总有n1cosθ1≠n2cosθ2，故R⊥≠0，不可能产生全折射。

沿任意方向计划的平面电磁波以θ1=θB入射到两种介质的分界面上时，反射波中只有垂直极化波分量，利用这种方法可以产生垂直极化波。

4.电磁波斜入射到良导体表面的反射

对于良导体，E2=0

四、实验内容

1.调试实验装置

首先使两个喇叭天线相互对正，它们的轴线应在一条直线上。

具体方法如下：

旋转工作平台使0°

刻线与固定臂上的指针对正，再转活动臂使活动臂上的指针对正工作平台上的180°

刻线，然后锁定活动臂。

打开固态信号源开关，连接在接收喇叭天线上的微安表将有指示，分别微调发射喇叭天线和接收喇叭天线的方向，使微安表的指示最大，这时发射天线与接收天线就相互对正了。

2.电磁波入射到良导体表面的反射特性

首先不加反射板，使发射天线与接收天线相互对正，调整固态信号源，测出入射波电场E1（可使微安表指示60μA），然后把良导体反射板放在转台上，使导体板平面对准转台上的90°

刻线，这时转台上的0°

刻线与导体板的法线方向一致，转动转台改变入射角θ1，测量在反射角

时的反射波场强

（仍用微安表指示的电流表示），把测试数据填入表2中，最后可把接收天线转到导体板后（180°

刻线处），观察有无折射波。

3.观察、测试介质板上的反射与折射

实验装置如图4所示，把导体板换成介质板（有机玻璃板），观察、测试电磁波在介质板上的反射和折射，把测试数据填入表3中，并验证|R|+|T|=1。

图4介质板上的反射与折射

4.平行极化波斜入射到介质板上无反射实验

（1）把发射天线和接收天线都转到平行极化波工作状态（喇叭天线短边平行于地面）。

首先测量入射波电场E1（可使微安表指示60μA），然后把有机玻璃板放在转台上，使有机玻璃板平面对准转台上的90°

刻线。

转动转台改变入射角，使E2=E1，反射波场强E1’=0（可把接收天线转到反射波方向验证），这时θ1=θB，把测试数据填入表4中。

（2）把发射天线和接收天线都转到垂直极化波工作状态（喇叭天线短边垂直于地面），重复上述实验，观察有无全反射现象，记录实验结果。

（3）把发射天线转到任意方向（例如顺时针旋转45°

），使入射角θ1=θB，在反射波方向分别测量水平极化波和垂直极化波，记录实验结果。

表2良导体表面的反射

入射角θ1

20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

反射角θ1’

20.8°

27.8°

38.0°

47.5°

58.5°

72.5°

78.5°

反射角与理论值误差

4.0%

7.3%

5.0%

2.5%

3.6%

1.9%

入射场强E1（μA）

72.0

反射场强E1’（μA）

71.0

81.0

80.0

55.0

56.0

衰减系数

0.014

0.000

-0.125

-0.111

0.236

0.222

图5理论与实际反射角的对比曲线图

从测得反射角和理论值的误差比较中可以看到，两者吻合地非常好，最大也仅有7%的误差。

图5给出了理论和实际的对比曲线：

而比较入射和反射的场强则会发现有明显的反常情况：

在30°

左右，入射和反射的电磁波可以近似看成相等；

但在60°

左右出现比入射光更强的电磁波。

对比图如图6所示。

对于低入射角和高入射角处的数值，我们给出的解释是：

由于入射光束是几乎垂直地打在反射板上，因而反射后能够几乎完全地被探测器检测到。

而对于大角度光线，则由于光束有更大地机率向其他方向散射，因而反射光线会有较大程度的衰减。

而对于60°

左右处探测场强大于入射场强的反常现象，我们怀疑在这个角度处，由于反射板的缺陷，入射光线也部分地被探测器收集到了。

图6入射与反射场强的对比曲线图

附录：

电磁波综合实验系统

一、电磁波综合测试仪

电磁波综合测试仪如附图1所示。

附图1电磁波综合测试仪

（1）系统简介

①固定臂。

②活动臂，可以自由转动。

③转台，可以在水平面内转动，转动的角度可由边缘的刻度读出，左右各180°

④固态信号源。

⑤衰减器，用于控制发射信号大小。

⑥发射天线，是角锥喇叭天线，可绕水平或垂直轴线转动。

⑦接收天线，也是角锥喇叭天线，也可绕水平或垂直轴线转动。

⑧振荡器，是一个波导谐振腔，调整调节螺栓可使接收信号发生谐振，从而使接收信号增强。

⑨检波器。

⑩指示器，是一个微安表头，可以定量指示接收信号大小。

（2）仪器的调整

①调整底座上的三个螺栓，使转台平面水平，调整时可以用水平仪。

②使收、发天线对正：

旋转转台，使180°

刻线与固定臂上的指针对正，使活动臂上的指针与0°

刻线对正；

通过目测，使收、发天线对正，收、发天线的上沿都应水平；

打开信号源，左右轻微转动收、发天线，使接收信号最大；

最后固定收、发天线，系统就调整好了。

（3）附件

单缝衍射板、双缝干涉板。

反射板（金属板），板透射板（玻璃），水平、垂直金属丝栅。

二、三厘米固态信号发生器

三厘米固态信号发生器由振荡器、隔离机和主机组成，主机面板如附图2所示。

体效应管装在工作于TE101模的波导谐振腔中，调节振荡器的螺旋测微器，可改变调谐杆伸入波导腔的深度，从而连续平滑地改变微波谐振频率。

调节位于波导腔前面法兰盘中心处的调配螺钉，可使波导腔与外电路实现最佳耦合。

隔离器保证振荡器与负载间的匹配与隔离，使微波输出和功率更加稳定。

附图2三厘米固态信号发生器

（1）主要技术指标

频率范围：

8.6-9.6GHz。

频率误差：

±

5MHz。

输出功率：

不小于20mW。

（2）使用方法

琴键式开关分别是等幅波/方波选择，电压/电流选择和电源开关，实验中一般选择等幅波、方波形式。

开机前，先不要将固态源振荡器连线插入主机的“输出”插口。

按下电源开关，此时数字表头应有指示。

当工作状态为“等幅”，在电压指示状态下，数字表头应指示10-12V左右的电压；

按下电流按键，数字表头的指示应接近零值。

关闭电源开关，再将固态源振荡器连线插入主机的“输出”插口，然后再打开电源开关，固态源便开始振荡，微波能量从波导口输出。

调节螺栓测微器可改变振荡器的输出频率。

从测微器的读数对照“频率—测微器读数对照表”可简易确定振荡器频率。