最新电磁场与电磁波实验指导书共30页文档.docx

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最新电磁场与电磁波实验指导书共30页文档

《电磁场与电磁波》

单靠“死”记还不行,还得“活”用,姑且称之为“先死后活”吧。

让学生把一周看到或听到的新鲜事记下来,摒弃那些假话套话空话,写出自己的真情实感,篇幅可长可短,并要求运用积累的成语、名言警句等,定期检查点评,选择优秀篇目在班里朗读或展出。

这样,即巩固了所学的材料,又锻炼了学生的写作能力,同时还培养了学生的观察能力、思维能力等等,达到“一石多鸟”的效果。

实验指导说明书

其实,任何一门学科都离不开死记硬背,关键是记忆有技巧,“死记”之后会“活用”。

不记住那些基础知识,怎么会向高层次进军?

尤其是语文学科涉猎的范围很广,要真正提高学生的写作水平,单靠分析文章的写作技巧是远远不够的,必须从基础知识抓起,每天挤一点时间让学生“死记”名篇佳句、名言警句,以及丰富的词语、新颖的材料等。

这样,就会在有限的时间、空间里给学生的脑海里注入无限的内容。

日积月累,积少成多,从而收到水滴石穿,绳锯木断的功效。

西华师范大学计算机学院

要练说，先练胆。

说话胆小是幼儿语言发展的障碍。

不少幼儿当众说话时显得胆怯：

有的结巴重复，面红耳赤；有的声音极低，自讲自听；有的低头不语，扯衣服，扭身子。

总之，说话时外部表现不自然。

我抓住练胆这个关键，面向全体，偏向差生。

一是和幼儿建立和谐的语言交流关系。

每当和幼儿讲话时，我总是笑脸相迎，声音亲切，动作亲昵，消除幼儿畏惧心理，让他能主动的、无拘无束地和我交谈。

二是注重培养幼儿敢于当众说话的习惯。

或在课堂教学中，改变过去老师讲学生听的传统的教学模式，取消了先举手后发言的约束，多采取自由讨论和谈话的形式，给每个幼儿较多的当众说话的机会，培养幼儿爱说话敢说话的兴趣，对一些说话有困难的幼儿，我总是认真地耐心地听，热情地帮助和鼓励他把话说完、说好，增强其说话的勇气和把话说好的信心。

三是要提明确的说话要求，在说话训练中不断提高，我要求每个幼儿在说话时要仪态大方，口齿清楚，声音响亮，学会用眼神。

对说得好的幼儿，即使是某一方面，我都抓住教育，提出表扬，并要其他幼儿模仿。

长期坚持，不断训练，幼儿说话胆量也在不断提高。

目录

第一部分产品说明3

三、系统组成2

第二部分实验内容6

实验一电磁波的频率和功率测试6

实验二电磁波感应器的设计与制作9

实验三位移电流的测试及计算12

实验五电磁波波节、波幅及波长的测试20

实验六电磁波的极化实验24

实验八天线方向图的测试—电压测试法30

实验九同轴测量线的驻波测试34

实验十反射系数及驻波相位的测试37

第三部分射频连接器示意图40

第一部分产品说明

一、系统简介

电磁场电磁波及天线技术是通信工程、电子工程、电磁场与电磁波、微波技术、天线技术类专业必不可少的一门实验课程，本系统包含功率测试、频率测试、方波信号产生，电磁波产生器、功率放大器、选频放大器等，具有电磁波极化特性测试，天线方向图测试、静电场中位移电流测试等多种功能，加深学生对电磁波产生（调制）、发射、传输和接收（检波）过程及终端设备相关特性的认识，培养学生对电磁场电磁波及天线的理解、应用创新能力。

二、系统特点

1、实验系统面向《电磁场与电磁波》的课程建设，紧密配合教学大纲，通过直观生动的实验现象及操作，完成对电磁场与电磁波相关特性的测试。

2、系统内置1kHz方波可调信号源、选频放大器，在完成对电磁波PIN调制功能的同时，可用于对天线方向图的测试，而无需选配其他实验装置。

3、本装置电磁波发射可选大功率或小功率2路输出，方便做不同实验时的自由切换，输出端口均为标准的N型接头。

4、采用数字显示方式，在提高准确性的基础上，更能方便感应器在任何位置归零，直接读取数值。

5、实验系统自带频率计及功率计，用于对发射电磁波频率、功率的测试及校准。

6、完成电磁波的极化特性测试、场电流的测试及终端天线增益的测试。

7、通过实验现象可观测入射电磁波及反射电磁波叠加形成的驻波现象，测试电磁波的波长及频率。

配置同轴式驻波测量槽线，可测试驻波参量，反射系数及电磁波的频率。

8、实验系统融基础性、验证性与设计性于一体，由浅入深引导学生完成电磁场电磁波及天线相关知识的学习，将抽象的理论知识通过实验现象反映出来，同时通过计算加以分析。

三、系统组成

本实验系统由电磁波发射器（主设备）、选频放大器（内置）、功率计（内置）、频

率计（内置）、同轴测量线（外接，选配）、数字液晶显示测量标尺、支撑架、极化天线、反射板、移动滑块、感应天线等部分组成，如图1所示。

图1实验系统构成

四、 性能指标

1、工作频率范围：

1GHz左右

2、发射功率：

<35dBm

3、整机功耗：

<40W

4、标尺精度：

0.1mm

5、长度量程：

100cm

6、旋转测量精度：

1°

7、极化测量量程：

180°

五、 系统主要部件的技术参数

（一）、电磁波发射器

1、工作频率：

1GHz左右，幅度频率均定制；

2、电平值：

<35dBm；

3、频率稳定度：

±5ppm；

（二）、方波发生器

1、工作频率：

1kHz可调；

2、幅度：

0.1V-4V可调；

（三）、电磁波功率计

1、频率测试范围：

输入信号频率5MHz-8GHz；

2、功率测试范围：

-30dBm-10dBm；

3、显示：

数码管显示；

（四）、电磁波频率计

1、频率测试范围：

450MHz-3GHz；

2、显示：

数码管显示；

（五）、多极化天线（SMA接头）

包含水平极化，垂直极化和圆极化（选配）3种极化方式；

（六）、显示方式

数字液晶显示，可在任意位置归零，直观读取相对值和绝对值；

（七）、选频放大器（内置）

1、输入信号频率：

1kHz；

2、灵敏度：

0.1mv；

3、增益：

0-60dB可调（兼具微调功能）；

（八）、同轴测量线（外接）

1、频率范围：

700MHz-1.6GHz；

2、阻抗：

50Ω；

3、耐功率：

≥100W；

（九）、PIN调制器

1、射频输入：

300MHz-3GHz；

2、方波输入：

800Hz-1.2kHz；

（十）、电流微安表

测试范围：

0.1uA-10uA

第二部分实验内容

实验一电磁波的频率和功率测试

一、实验目的

1、了解电磁波的频率划分；

2、了解功率、频率的单位转换；

3、掌握电磁波频率、功率的测试方法。

二、预习要求

1、电磁波功率的单位及转换关系；

2、电磁波频率的单位及转换关系；

3、了解电磁波的概念。

三、实验设备与器材

序号

名称

数量

1

电磁场与电磁波主设备

1

2

N型头电缆（短）

1

四、实验原理

电磁波是物体所固有的发射和反射在空间传播交变的电磁场的物理量。

电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等。

电磁波是电磁场的一种运动形态。

变化的电场会产生磁场（电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场。

而变化的电磁场在空间的传播就形成了电磁波。

1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。

他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。

1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。

1898年，马可尼又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只

是波长和频率有很大的差别。

电磁波的分类：

1甚低频（VLF）3～30kHz甚长波100～10km

　　2低频（LF）30～300kHz长波10～1km

　　3中频（MF）300～3000kHz中波1000～100m

　　4高频（HF）3～30MHz短波100～10m

　　5甚高频（VHF）30～300MHz米波10～1m

　　6特高频（UHF）300～3000MHz分米波（微波）100～10cm

　　7超高频（SHF）3～30GHz厘米波（微波）10～1cm

　　8极高频（EHF）30～300GHz毫米波（微波）10～1mm

9至高频300～3000GHz（吉赫）丝米波（微波）1～0.1mm

频率单位的转换关系：

1GHz=103MHz=106kHz=109Hz

功率比对表

功率

dBm

电压（有效值）

电压（峰-峰值）

1000000W=1MW

90

7.07kV

20kV

100000W=100kW

80

2.236kV

6.325kV

10000W=10kW

70

0.707kV

2kV

1000W=1kW

60

223.6V

632.5V

100W

50

70.7V

200V

10W

40

22.36V

63.25V

1W

30

7.07V

20V

100mW=10-1

20

2.236V

10mW=10-2

10

0.707V

1mW=10-3

0

223.6mV

100μW=10-4

-10

70.7mV

10μW=10-5

-20

22.36mV

1μW=10-6

-30

7.07mV

100nW=10-7W

-40

2.236mV

6.325mV

10nW=10-8W

-50

0.707mV

2mV

1nW=10-9W

-60

223.6μV

632.46μV

100pW=10-10W

-70

70.7μV

200μV

10pW=10-11W

-80

22.36μV

63.25μV

1pW=10-12W

-90

7.07μV

20μV

100fW=10-13W

-100

2.236μV

6.325μV

10fW=10-14W

-110

0.707μV

2μV

1fW=10-15W

-120

223.6nV

632.46nV

100aW=10-16W

-130

70.7nV

200nV

10aW=10-17W

-140

22.36nV

70.7nV

1aW=10-18W

-150

7.07nV

20nV

五、实验内容及步骤

1、将“RF输出”用N型头电缆（短）与“校准及测试口”连接起来，将测试单元设置在“功率（dbm）”测试档；

2、读出功率值dbm，试转换成mw值；

3、将测试单元设置在“频率（MHz）”档；

4、读出频率值MHz，计算出电磁波的波长。

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、完成数据运算及整理。

实验二电磁波感应器的设计与制作

一、实验目的

1、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；

2、掌握半波天线的原理；

3、掌握天线长短与电磁波波长的接收匹配关系。

二、预习要求

1、电磁波波长和频率之间的计算关系；

2、什么是电偶极子？

3、了解线天线基本结构及其特性。

三、实验设备与器材

序号

名称

数量

1

电磁场与电磁波主设备

1

2

铜丝

若干

3

半圆形塑料刻度盘

1

4

带感应灯电路板

1

5

N型头电缆（短）

1

6

测量长度直尺（可用滑轨上的刻度尺代替）

1

7

M2.5螺丝螺母

2

四、实验原理

    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、环形天线和螺旋天线等，如图2所示就是3种天线的实物图。

图23种天线实物图

本实验重点掌握其中的一种——半波天线。

      半波天线又称半波振子，是对称振子天线的一种最简单的模式。

对称振子天线可以看成是由一段末端开路的双线传输线形成的，如图3所示。

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。

图3开路传输线与对称振子

半波振子因其一臂长度为λ/4，两臂加起来的总长为半波长λ/2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（L=λ/2）的远区场强为：

式中，F（θ）为对称振子归一化方向函数。

由F（θ）可画出半波振子的方向图如图4所示。

半波振子的方向函数与水平面内的方位角ψ无关，故在H面上的方向图是以振子轴为中心的一个圆，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θ=π/2，且只要一臂长度不超过0.625λ，辐射的最大值始终在θ=π/2方向上；若继续增大L，辐射的最大方向将偏离θ=π/2方向。

图4半波振子的E面和H面方向图

五、实验内容及步骤

（一）测量电磁波发射频率

1、用N型电缆（短）将“RF输出”与“校准及测试口”连接起来；

2、将测试单元设置在“频率（MHz）”档，读出频率值；

3、由步骤2得到电磁波发射源的频率f，求得波长λ=c/f，c为自由空间中电磁波的传播速度即光速。

如电磁波发射源频率为900MHz，则：

λ=c/f=3×108/（900×106）=0.33m

半波天线长L=λ/2=0.165m

则两端子（每臂）分别均为0.165/2=8.25cm

（二）制作感应天线

1、按上面计算得到的尺寸剪下2段铜丝；

2、将铜丝末端的漆刮掉，保持导电良好；

3、将天线安装到耦合电路板（带感应灯电路板）上，这时就完成了半波天线的制作；

4、其他天线方法同上。

六、注意事项

1、须将漆包线铜丝末端的漆刮掉，保持导电性能良好；

2、避免铜丝弯折，一定要直。

七、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、完成数据运算及整理；

3、更换天线种类制作。

实验三位移电流的测试及计算

一、实验目的

1、认识时变电磁场，理解电磁感应的原理；

2、理解电磁波辐射原理；

3、了解位移电流的概念。

二、预习要求

1、什么是法拉第电磁感应定律？

2、半波振子天线的原理。

三、实验设备与器材

序号

名称

数量

1

电磁场与电磁波主设备

1

2

半波天线

1

3

半圆形塑料刻度盘

1

4

带感应灯电路板

1

5

N型头电缆（短）

1

6

N（內螺）型转SMA（外螺内孔）接头

1

7

SMA转SMA连接线

1

8

SMA转SSMB连接线

1

9

BNC转SMA接头

1

10

半圆形塑料刻度盘

1

11

检波板

1

四、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。

如果将另一副天线置于电磁波中，就能在天线体上感应高频电流，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。

一方面，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。

当越靠近发射天线，灯泡被点的越亮。

越远离天线，灯泡越暗。

另一方面，也可以采用检波管将接收天线接收到的耦合电流检出，通过微安表读出，从而得到感应电流大小与天线型式及距离的关系。

五、实验内容及步骤

（一）、用带感应灯的电路板检验位移电流

1、用N型头电缆（短）将“RF输出”和“功率放大”两个端口连接起来，用N（內螺）型转SMA（外螺内孔）接头通过SMA转SMA连接线将“RF放大输出”连接到极化天线“A”上；

2、打开电磁场与电磁波主设备背面的供电开关，机器工作正常；按下功率信号发射按钮即绿色“发射开关”，绿色发射指示灯亮，说明发射正常；

3、将实验二做好的半波天线，安装于感应灯电路板两端，竖直固定到测试支架上。

调节滑块到离极化天线40cm左右，按下功率发射绿色“发射开关”，白炽灯被点亮；

4、让滑块远离极化天线，再向靠近极化天线方向移动，直到小灯刚刚发光时，直接在显示器上读取滑块与极化天线的距离并记录；

5、改变天线振子的长度，重复上面过程，记录数据，得出灯泡亮暗（用亮、较亮和暗）与天线长度、半波天线与极化天线距离之间的关系；

6、设计制作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

与极化天线距离（cm）

灯泡亮暗情况

1

2

…

…

…

（二）、用检波二极管测试位移电流

1、将带感应灯的电路板换成带检波管的电路板（灯泡变成了检波二极管），置于旋转支架上，将电磁场与电磁波主设备背面的白色拨动开关置于“开”位置；

2、把制作好的半波天线，安装于检波板两端，竖直固定到测试支架滑块上。

调节测试支架滑块到离极化天线40cm左右，用BNC转SMA接头和SMA转SSMB连接线将检波电流接至电磁场与电磁波主设备的“信号输入”。

按下功率信号“发射开关”，指针开始偏转，记录下μA表的读数；

3、慢慢向极化天线方向移动测试支架滑块，记录下距离数值和对应的电流大小。

次数

天线形式

离极化天线的距离（cm）

电流大小（μA）

1

2

…

…

…

六、注意事项

1、接通机器供电开关，机器工作正常，按下功率信号“发射开关”按钮，绿色发射指示灯亮，说明发射正常；

2、滑动测试支架滑块时应缓慢，切忌过快影响实验效果和读数；

3、测试感应灯时，不能将感应灯靠近极化天线太近，否则会烧毁感应灯（至少置于30cm以外，或视感应灯亮度而定）；

4、尽量减少按“发射开关”的时间，以免影响其他小组的测试准确性；

5、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。

七、报告要求

1、按照标准实验报告的格式和内容，进行数据运算及整理，完成实验报告；

2、对实验中的现象分析讨论。

实验四天线方向图的测试--功率测试法

一、实验目的

1、了解八木天线的基本原理；

2、了解天线方向图的基本原理；

3、掌握用功率测量法测试天线方向图和天线的辐射特性。

二、预习内容

1、熟悉天线的理论知识；

2、熟悉用功率计的测试方法。

三、实验设备与器材

序号

名称

数量

1

电磁场与电磁波主设备

2

2

N型头电缆（短）

1

3

八木天线

2

4

N型（內螺）转SMA（外螺内孔）接头

4

5

天线支撑架

2

6

圆形塑料刻度盘

1

7

SMA转SMA连接线

1

8

N（外螺）转SMA（外螺内孔）接头

2

四、实验原理

八木天线由一个有源半波振子，一个或若干个无源反射器和一个或若干个无源引向器组成的线形端射天线。

八木天线有很好的方向性，较偶极子天线有更高的增益。

用它来测向和进行远距离通信效果特别好。

方向图是表征场强对方位角变化的图形，在本实验中，接收端用功率计来测量接收天线的辐射特性。

连接示意图如下：

五、实验内容及步骤

首先将一对八木天线分别固定到测试支架上，平放至滑轨上，一对八木天线的距离保持在1m以上。

（一）、发射端

1、用N型头电缆（短）将“RF输出”和“功率放大”连接起来；

2、“RF放大输出”输出的是经过功率放大后的电磁波；

3、用N型转SMA接头（3个）和SMA转SMA连接线将“RF放大输出”连接至八木天线，按下功率信号“发射开关”，电磁波经发射天线发射出去。

（二）、接收端

1、用N型转SMA接头（3个）和SMA转SMA连接线将接收端天线连接至接收端的电磁场与电磁波主设备的“校准及测试口”，将测试单元置于“功率（dbm）”档，用于测量接收功率；

2、将两根天线正对即保持0°；

3、按下功率信号“发射开关”，记录下接收端天线的接收功率值（dbm）；

4、转动接收天线，即变换接收天线角度（每次以10°计），记录下接收端天线的接收功率值（dbm）；

5、旋转360o后，记录下转动角度值及相应角度下接收天线的功率值；

6、填写下表；

天线转动角度

接收天线功率值

（dbm）

天线转动角度

接收天线功率值

（dbm）

0°

-0°

10°

-10°

20°

-20°

30°

-30°

40°

-40°

50°

-50°

60°

-60°

70°

-70°

80°

-80°

90°

-90°

100°

-100°

110°

-110°

120°

-120°

130°

-130°

140°

-140°

150°

-150°

160°

-160°

170°

-170°

180°

7、在下图中标出每个测试点的位置；

8、连接每个点，画出天线的方向图。

注：

功率最大圈即最外面的圈对应0dBm，依次递减为-3dBm，-6dBm，-9dBm。

六、注意事项

1、设置好方向后，方可按下“发射开关”；

2、发射时避免人员走动，减少实验误差；

3、天线之间距离保持在1m以上。

七、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、完成数据运算及整理。

实验五电磁波波节、波腹及波长的测试

一、实验目的

1、了解电磁场与电磁波的空间传播特性；

2、通过对电磁场电磁波波长、波腹、波节、驻波的测量进一步认识和了解电磁场与电磁波。

二、预习要求

1、什么是相干波？

2、什么是波腹、波节？

3、驻波的产生原理及其特点。

三、实验设备与器材

序号

名称

数量

1

电磁场与电磁波主设备

1

2

半波天线

1

3

半圆形塑料刻度盘

1

4

带感应灯电路板

1

5

N型头电缆（短）

1

6

N（內螺）转SMA（外螺内孔）接头

1

7

SMA转SMA连接线

1

8

SMA转SSMB连接线

1

9

BNC转SMA接头

1

10

带检波管电路板

1

11

金属反射板

1

四、实验原理

变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波，几列电磁波同时在同一媒质中传播

时，可以保持各自的特点（波长、波腹、频率、传播方向等）同时通过媒质，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的振动的合成。

而当两个频率相同、偏振相同、相位差恒定的波源所发出的波的叠加时，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反射板，被金属反射板反射回来，到达电磁波感应器；直射波也可直接到达电磁波感应器。

这两列波叠加将形成驻波，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。

设到达电磁波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