最新电磁场与电磁波实验指导书共30页文档Word格式.docx

1、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

2、、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： 35dBm3、整机功耗：40W4、标尺精度： 0.1mm5、长度量程： 100cm6、旋转测量精度： 17、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：

3、数码管显示；（四）、电磁波频率计 1、频率测试范围：450MHz-3GHz；2、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：50；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：

4、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2N型头电缆（短）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

5、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） 330 kHz 甚长波 10010km 2 低频（LF） 30300 kHz 长波 101km 3 中频（MF） 3003000kHz 中波 1000100m 4 高频（H

6、F） 330 MHz 短波 10010m 5 甚高频（VHF） 30300 MHz 米波 101m 6 特高频（UHF） 3003000 MHz 分米波（微波） 10010cm 7 超高频（SHF） 330 GHz 厘米波（微波）101cm 8 极高频（EHF） 30300 GHz 毫米波（微波）101mm 9 至高频 3003000 GHz （吉赫） 丝米波（微波） 10.1mm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=1MW907.07kV20kV100000W=100kW802.236kV6.3

7、25kV10000W=10kW700.707kV2kV1000W=1kW60223.6V632.5V100W5070.7V200V10W4022.36V63.25V1W307.07V20V100mW=10-1202.236V10mW=10-2100.707V1mW=10-3223.6mV100W=10-4-1070.7mV10W=10-5-2022.36mV1W=10-6-307.07mV100nW=10-7W-402.236mV6.325mV10nW=10-8W-500.707mV2mV1nW=10-9W-60223.6V632.46V100pW=10-10W-7070.7V200V10pW

8、=10-11W-8022.36V63.25V1pW=10-12W-907.07V20V100fW=10-13W-1002.236V6.325V10fW=10-14W-1100.707V2V1fW=10-15W-120223.6nV632.46nV100aW=10-16W-13070.7nV200nV10aW=10-17W-14022.36nV1aW=10-18W-1507.07nV20nV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

9、、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 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。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。铜丝若干3半圆形塑料刻度盘4带感应灯电路板56测量长度直尺（可用滑轨上的刻度尺代替）7M2.5螺丝螺母四、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

10、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2 3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 /4 ，两臂加起来的总长为半波长 /2而得

11、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=/2）的远区场强为：式中，F（）为对称振子归一化方向函数。由F（）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 =/2 ，且只要一臂长度不超过 0.625 ，辐射的最大值始终在=/2方向上；若继续增大L，辐射的最大方向将偏离=/2方向。图4 半波振子的E面和H面方向图（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

12、（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=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：=c/f=3108/（900106）=0.33m半波天线长L=/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 2、完成数据

13、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。1、什么是法拉第电磁感应定律？2、半波振子天线的原理。半波天线N（內螺）型转SMA（外螺内孔）接头SMA转SMA连接线8SMA转SSMB连接线9BNC转SMA接头11检波板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

14、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。（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

15、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

16、情况（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A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。离极化天线的距离（cm）电流大小（A）六、注意事项 1、接通机器供电开关，机器工作正常

17、，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。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、

18、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。八木天线N型（內螺）转SMA（外螺内孔）接头天线支撑架圆形塑料刻度盘N（外螺）转SMA（外螺内孔）接头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：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”

19、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，

20、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）0-010-1020-2030-3040-4050-5060-6070-7080-8090-90100-100110-110120-120130-130140-140150-150160-160170-1701807、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-3 dBm，-6 dBm，-9 dBm。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。实验五 电磁波波节、

21、波腹及波长的测试 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。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。N（內螺）转SMA（外螺内孔）接头带检波管电路板金属反射板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