1、电磁场与波实验指导书 第 1 页 电磁场与波实验指导书实验 一 电磁波的反射与折射(验证实验 2 学时)1 实验目的1.1 研究电磁波在良导体表面上的反射定律。1.2 研究电磁波在理想介质表面的反射和折射。1.3 研究电磁波产生全反射和无反射的条件。2 实验原理2.1 当均匀平面电磁波入射到两种不同媒质分界面上斜入射时，一般要产生反射和折射。在分界面上，入射波与反射波、折射波之间服从以下规律：. . . 1.1i. . . 1.2 2112sinVki其中 i、 、 t 分别为入射角、反射角和折射角。且令 i=， t=2， ki、 k、 kt分别为入射波、反射波、折射波的波矢量，其大小分别为
2、ki=k=k1 、 kt=k2 。2.2 以上规律只反映了反射波、折射波与入射波之间的方向关系、而电场强度之间的大小和相位关系，可用反射系数和折射系数来表示。对平行极化波来说，在两种媒质分界面上的反射系数 和透（折）射系数 如下：RT. . . 1.321cossR. . . 1.412cT、 分别为第一媒质和第二媒质的特性阻抗。12现在我们来讨论最常见的两种情况：2.2.1 当波斜入射到良导体表面上时，由于. . . 1.5ei422而良导体的 ，故 ，所以 , 。01R0T这说明电磁波将发生全反射。电磁场与波实验指导书 第 2 页 2.2.2 平行极化电磁波斜入射到两种理想电介质分界面上产
3、生无反射即全折射的条件是 。0R因为一般媒质 1=2=，故可得到平行极化波以 1=arcsin 入射的，将满足 的21条件。该结论对电磁波从波疏媒质向波密媒质( 12)投射都能满足。理论分析证明，此时折射角与布儒斯特角 p之间关系为： t=p= 2如图 1.2 示，只要 1=p，则在介质板的另一侧就可直接收到全部信号。2.3 由于一般媒质均有 1=2=0，故对垂直极化不存在无反射现象现象。3 仪器设备分度转台，三厘米微波振荡源、隔离器、可变衰减器、晶体检波器、喇叭天线，波导同频转换器，光电检流计，介质板，电缆，金属板。4 设备调整4.1 振荡器输出端通过隔离器、可变衰减器接发射天线，安装在固定
4、臂上，改变可变衰减器可以调节入射波的强度。4.2 光电检流计由视频电缆与晶体检波器接到接收天线上，安装于活动臂上，活动臂上有一指针指着刻度盘，转动活动臂即可读得转动的角度。4.3 用水平仪校正分度转台，调整脚螺栓使底座处于水平位置。4.4 转工作平台：使 0o刻度线对准固定臂指针，再转动活动臂使其指针对准工作台的 180o线，用基座上的螺栓锁紧。调整收、发喇叭使其处在同一直线上。5 实验内容5.1 良导体表面对电磁波反射特性的测试5.1.1 把金属板放在支座上，应使用金属平面与支座下小圆盘上的某一对刻度线一致。而把带支座的金属板放到小平台上，应使小圆盘上的这对与金属板面一致的刻线与平台上相应的
5、 90o的一对刻度线一致。这时小平台的 0o刻线与金属板法线方向一致。5.1.2 转动小平台，使固定臂的指针在某角度处，该角的读数就是入射角。然后转动活动臂，在表头找一最大指示，调可变衰减器使表头最大指示接近满刻度，此时活动臂上所指的刻度就是入射角。注意：做此实验，入射角最好取 3065 o之间，因为入射角太大，接收喇叭有可能直接接收入射波。5.2 无损耗介质表面斜入射电磁波折射的测试5.2.1 换下金属板按上述方式把无损耗介质板(长玻璃板)置于测试位置，并调整介质板板面，使其处于和喇叭天线垂直的位置。5.2.2 转动收发转角 90o，使其产生水平极化波，记下入射波场强 E5.2.3 改变玻璃
6、板转角，使收到的折射波场 Eto=Eio从而得到斜入射时产生的全折射的入射角 p及折射角 ，把测得的数据与计算值进行比较。电磁场与波实验指导书 第 3 页 入射场(微安数) Ei0=入射角 i 30o 35o 40o 45o 50o 55o 60o 65o反射角 反射场 E06 实验报告要求6.1 列出实验数据表，并对数据进行分析。6.2 对比电磁波斜入射时良导体及良好介质表面的差别。6.3 实验中，入射波是平行极化波，若为垂直极化波能否产生全折射？为什么？入射场强 Ei0测试值p计算值（ = ）21sin反射场强 E0折射场强 Et0计算值t值（ t= ）P2测试值执笔人：聂翔、贾建科、韩团
7、军电磁场与波实验指导书 第 4 页 实验二 电磁波参量的研究(验证实验 2 学时)1 实验目的1.1 观察均匀平面波在自由空间的传播,了解电磁波的相干。1.2 测定自由空间电磁波长 0(即信号源工作波长)并确定相位常数 k 。2 实验原理平面电磁波于自由空间传播时是无衰减的等幅传播；且符合 ;传播速度HESVp= =3 10m/s；波阻抗 Z0= ；相位常数 ko= ;若在传播途中o137o o2遇到一介质板，则入射波在空气与介质分界面上会产生反射波与折射波。如图 2-1 所示：当振荡器产生的入射波以入射角 li=45o方向投射到介质板上时，入射波分成两束波：一束反射到固定金属 A 板，另一束
8、折射到可移动金属板 B，当电磁波投射到良导体表面时产生全反射，所以两束波再次返回介质板中，略去二次以上反射及折射，于是接收喇叭收到频率相同、振荡方向一致的两束波，它们的行程相位差为: =k 0(L1-L2)当两波行程相位差为的偶数倍时,两波同相: =k(L 1-L2)=2n 即干涉加强当行程相位差为的奇数倍时，两波反相: =k(L 1-L2)=2(n+1) 即干涉减弱为实现干涉，可改变两路电磁波的行程相位差。为此，只要改变可动板 B，即改变L 就可使两波的行程相位差改变，当它们向相时，干涉加强，表头指示最大，当它们反向时，干涉减弱，表头指示最小，两相邻最小点之间的距离即为电磁波的半波长 ，这就
9、是利用等幅同频率两个相干波，改变其行程差可以得到电磁波波长。 ，n 值越大，测试精度就较高。波长测出后，可由 k0= 求得该电磁波2的相位常数。3 实验仪器同实验一，另加一块金属板和读数机构波长计。4 实验内容及方法4.1 同实验一，调整好收发系统。4.2 转动活动臂，使两个喇叭口面互成 90o，安于支座上的介质板放在小平台上，旋转小平台使介质板板面与喇叭轴线互成 45o。4.3 将读数机构通过它本身带有的两个螺栓旋入底座上，使其固定在支座上，再插上反射板。使测定反射板的法线与接收喇叭轴线一致，可移反射板 B 的法线与发射喇叭一致。这时两反射板与介质板的夹角均应为 45o。电磁场与波实验指导书
10、 第 5 页 4.4 按实验一的方法：接通振荡器的电源。移动可动板 B，使表头读数最大，调可变衰减器，使最大值接近于满刻度。4.5 将可移动反射板 B 移到读数机构一端，在此附近测出一个极小值位置，可适当微动金属板位置，使最小输出指示接近于零。4.6 摇动读数机构手柄，找出第一个零指示位置 Lo，然后继续摇动手柄，使可移动反射板 B 在不同位置处，微安表读数由零最大零。由 L 到 Lo共(n+1)个零点。即相干波有(n+1)个波节点输出。同时在读数机构上读得相应的位移读数。则行程差为L=L n-Lo，因为每两相邻最小值之间为 ，2on+1 点之间有 n 个半波长，所以 o)(24.7 用波长计
11、测出信号源的工作(频率)波长。4.8 改变振荡源频率，重复步骤 5 进行测试，把测得的数据填入下表中。波长表读数 o波检波计零指示次 (n+1)自由空间波长 nl2可移动板总位移 Lo波的相位常数 xk5.实验报告要求5.1 画出干涉电磁波场强与可移动反射板距离的关系曲线。5.2 改变介质板所放的位置( =45 o)是否仍能得，为什么？5.3 比较工作波长 o和自由空间波长之间的差异，分析原因。执笔人：聂翔、贾建科、韩团军电磁场与波实验指导书 第 6 页 实验三 介质中的电磁波传播(验证实验 2 学时)1 实验目的1.1 观察平面电磁波在各种介质中的传播。1.2 测出平面电磁波在各种介质中传播
12、时的相位，从而得出介电常数 及其它一些参量。2 实验原理均匀平面电磁波在理想介质中传播时，仍是无衰减的等幅传播，仅有相位滞后，且符合;传播速度 Vp= =；波阻抗 ；相位常数 由此可HES12k见，平面电磁波的传播特性与介质性质有关，只要知道介质电常数(通常= o)，就可以知道各种介质中平面传播情况。本实验是通过测定平面波在介质中传播时相位的变化(因是等幅传播，所以不考虑幅度变化)来得到介质的介电常数 = ，为此利用相干波原理作说明如下.o2.1 由实验二测出的自由空间内的 o及 ko，如图 3-1 所示，这时检波器指示为最小。各波节点的位置为 lo l1 l2 l3 各点。2.2 把厚度为
13、w，参量为 r的被测介质紧贴在可动反射板 B 上，如图 3-2 所示，由于介质产生的附电磁场与波实验指导书 第 7 页 加相移，使得从 B 反射来的一束电磁波到达检波器时，与从 A 板来的同频电磁波不再反相，因而此时检波器输出的指示回升，不再为最小，此时各波节点的位置右移至 lo、l 1、l 2、l 3点。如图 3-2 所示。2.3 为使检波器输出仍为最小值，将 B 板及介质从 l3移至 13。这样引起一个附加的行程差的相位变化，以补偿由于 r引起的附加相位，最终使波节点由 lo、l 1、l 2、l 3又回到 lo、l 1、l 2、l 3，如图 3-3所示。由移动的L 值，即可得到介质板的参量
14、 )(w及 K=K 0下面就有关确定 r及 K 值做推导如下 (这里用电磁波在不同介质内传播时造成的相移及幅度变化进行运算，而不采用复杂的多次反射).为讨论方便起见，这里仍把辐射的电波在反射范围内看作均匀面波，当它由真空进入介质后，波因子为： eEjkzmr2对于无损耗媒质：K=o=K0r 其中： K0=u00因介质板厚度为 w，且紧贴在 B 反射板上，由入射平面波进入介质板在反射板 B 处全反射，再经过介质板折射进入自由空间，这时介质自进成总相位滞后为： rrwK式中 22000相当于 r不存在时(即在自由空间中)，在 z-w 时的总相移，由此得到 r存在时，仅由介质 r引起的附加相位为：
15、w)1(0为实现相干波零指示接收，必须使反射板 B 转向介质板向左移动l，使 l3、至 l3 。这样引起一个附加的行程差相位值。以补偿由 r 值造成的相位滞后，由此得到l 的附加行程差相移与相等，这里附加行程差相移 lK20以及 即 lwr)1(0所以 l或 2)(r由所测得的l 即得到 r及相应的 K 值 r03 实验仪器同实验二，增加三块介质板4 实验内容4.1 同实验一，调整好收发系统4.2 同实验二，在不加介质时，测出 B 板左臂位置和电磁波长 0、K 0，此时检波器输出指示为最小。电磁场与波实验指导书 第 8 页 4.3 用长尺测出介质板厚度 w1(两种不同，或相同介质的不同 w)4
16、.4 被测介质板紧贴在反射板 B 上，向左移动 B 板，使检波器输出指示最小，测出 B 板左臂的位置，得到：l=l3-l34.5 更换介质板，重复步骤 4将所测结果填入下表中。B 总位移 L=l 3-l0l02Kl=l3-l3 2)1(wlrK0r12rbTW w1 w2 w3注：R o、T o是介质与空气分界面的反射、折射系数。5 实验报告分析实验数据,并说明不同介质对同频率电磁波传播的影响。思考题：对于无损耗介质的电磁参量 r r，本实验在电介质板 r=1 时，利用本设备测试 r值，对于磁介质板( r=1)，则在 r=1 时，能否利用本实验设备测出磁介常数 ，试说明之。执笔人：聂翔、贾建科
17、、韩团军电磁场与波实验指导书 第 9 页 实验四 电磁波的极化及其合成(综合实验 4 学时)1 实验目的1.1 研究线极化波的产生和特点；1.2 研究圆极化波的产生和特点；1.3 研究椭圆极化波的产生和特点；1.4 全面理解电磁波的极化属性及其对信号发射接收产生的影响.2 实验任务2.1 熟悉、理解如何用金属网产生线极化波2.2 了解线极化波合成线极化、圆极化和椭圆极化的一般方法。3 预习要求3.1 认真复习教材中关于平面电磁波极化性质及其合成方面的内容;3.2 阅读实验指导书中关于平行极化与垂直极化反射与透射方面的知识,从宏观上理解反射极化波2 次相遇时的合成原理.4.实验原理极化是指平面电
18、磁波在无限大介质中传播时，合成电场强度的矢端随时间而变化的轨迹，根据轨迹形状，有线极化波、圆极化波、椭圆极化波，对圆(或椭圆)极化波又可分右旋与左旋圆(或椭圆)极化波，不管是哪种极化波，皆可看作由两个同频率的线极化组成。当两者的幅度与相位满足不同关系时，则可产生不同的极化波。如沿+Z 方向传播的均匀平面波，由两个分量组成，它们是两个同频率的线极化波，其电磁场强度的复矢量为： EayxEx和 Ey分别为 x 分量和 y 分量的复振幅即 ejm当两个分量的相位 x、 y和振幅 Exm、E ym满足不同关系时， 的极化状态将不同。4.1 为线极化波的条件是： x-y=n即 与 同相或反相。xy4.2
19、 为圆极化波的条件是 Ex-y= Exm=Eym2即 =+j当 =j 时， 为右旋圆极化波xy=-j 时， 为左旋圆极化波E4.3 为椭圆极化波的条件是： Ex=y Exm EymEx超前 Ey， 为右旋椭圆极化波Ex滞后 Ey， 为左旋椭圆极化波电磁场与波实验指导书 第 10 页 椭圆的长轴分别在 x 轴与 y 轴上，这说明两个同频率的线极化波合成的椭圆极化波，也可看作两个同频率、振幅不等的右旋和左旋圆极化波迭加的结果。从以上电磁波极化理论分析可知，在电磁波极化的研究中，只要能在所研究空间的任意一点上，得到两个同频率的正交分量而且这两个正交分量的振幅和相位差如果可以调节的话，我们就能在所研究
20、空间得到线极化波、圆极化波和椭圆极化波。假设一个均匀线极化平面波，其电磁强度振幅为 E0从空气向一个无限大理想介质薄板平面斜入射：如图 4-1 所示，设 O1= ，假设该极化波的极化面可以转动，入射面与极化面之间的夹角为，该线极4化波可以分解为垂直极化波和平行极化波。当该平面波斜入射到理想介质的上平面时，将发生反射和折射，在空气中传播，其折射波以 折 1=2进入理想介质中传播时理想介质的下平面时又要折射一次进入理想介质后面的空气中传播，这第二次折射的折射角 折 2=1 。为了在接收喇叭处得到两个在空气间正交的同频率分量，我们在反射波的传播方向上，平行且等相位处设置一块垂直极化栅使平行极化波能通
21、过，而垂直极化波则全反射，这样在反射波中只有垂直分量，当它到达理想介质上平面时发生折射，折射波到达理想介质下平面时，再一次折射进入理想介质后面的空气中传播，到达接收喇叭处，在忽略二次以上反射折射条件下，在接收喇叭垂直分量振幅为 EL=EcosRLTL1TL2同理，经二次折射进入理想介质后面空气中的平面波，在其传播方向上平行于其等相位面，设置一块平行极化栅，使垂直极化波能够通过，而平行极化波则全反射，这样在反射波中只有平行分量，它以 1向理想介质下平面斜入射，到达介质下平面时再一次发生反射，而向接收喇叭处传播，到接收喇叭时，在忽略二次以上的反射、折射条件下，接收喇叭平行分量的振幅为E/=Esin
22、T/1T/2R/0由上分析可知，在入射波和介质参数确定的情况下，两个分量的振幅仅与角有关，改变的大小，即可调整正交分量的振幅大小，若要求 E /=EL可得 tg = R2/1/当 1=45o时， )(rtg(详见附录)当介质是玻璃时，可得 =5060 O除满足一定的振动条件外，要得到要求的极化波，还要能调节两个分量的相位差，这可通过调节两个分量的行程差得到。通过转动入射波的极化面，调节两个分量的振幅，通过调节一个分量的行程差 L 来调节两个分量的相位差 ，从而可以得到各种极化波。实验设备如图 4-1 所示，为消除从栅后漏场的影响测试值可在金属栅后加吸收材料。电磁场与波实验指导书 第 11 页
23、6 实验内容6.1 同实验一，调整收发系统，安装并固定在金属栅网，读数机构。6.2 调 整 幅 度 E r = E r ， 首 先 使 波 的 入 射 角 =45,使 0-Pr3 与 0-Pr1 距 离 相 等 ， 然 后 转 动 发 射 喇叭 转 角 ， 重 复 几 次 ， 最 终 实 现 E r = E r ， 这 里 要 注 意 ： 当 Pr3 接 收 E r 时 ， 接 收 喇 叭 应 处 于 水 平 极化 位 置 ， 当 Pr3 接 收 E r 时 ， 接 收 喇 叭 则 处 于 垂 直 极 化 位 置 。6.3 调 整 相 位 ， 接 收 喇 叭 转 角 =45， 移 动 Pr2
24、位 置 改 变 E r 与 E r 的 行 程 相 位 差 ， 当 E r 与 E r 反 相时 ， 输 出 指 示 为 零 ， 而 在 =135处 接 收 最 大 ， 此 时 即 接 收 一 个 同 幅 反 相 的 两 线 极 化 波 合 成 的 一 个 新 的 线极化 波 。 记 下 此 时 Pr3 位 置 l0。6.4 接收线极化波，把 Pr2由 l0位置向后移（不可向前移） 至 l1处，使l 1- l0= ， 转动 Pr344接收喇叭， 其转 角 =-450-451 35变 化 时 ，输 出 指 示 为 0 最 大 0。从而实现了在 Pr3处合成场是等幅、同相的两个线极化波组成的一个新
25、的线极化波，把测试数据记录于表 4-1 中。6.5 接收圆极化波，在线极化波的基础上，把 Pr3由 l1向前(或后)移至 处，使l 2- l1= ，实88现 Pr3处 Er 与 Er 幅度相等，相差 90的要求，形成圆极化波。这时 Pr3转角 由 0o 90o 180o时输出指示保持不变（幅度变化不超过 5%即认可）把测试数据列于表 4-2 中。6.6 接收椭圆极化波。把 Pr2的位置放在 l1与 lp之间的点处，这时 l 2- l1 至形成 Er 与 Er不再是 90，P r2接收喇叭转角 由 0180转动，Pr2 输出指示由不等于零的最等于 的最大、最小值组成。找出最大最小值输出角度。把测
26、试数据列于表 4-3 中。(注：在进行步骤 1 时，首先确定 。)电磁场与波实验指导书 第 12 页 线性极化测试数据表 4-1 0= l0=Pr2 转角 0 15 30 45 60 75 90Pr3 输出值圆极化波测试数据表 4-2l1= l1-l0=Pr2 转角 0 15 30 45 60 75 90Pr3 输出值椭圆极化波测试数据表 4-3l2=Pr2 转角 0 15 30 45 60 75 90Pr3 输出值7 实验报告绘出各种测试曲线与 的关系曲线。执笔人：聂翔、贾建科、韩团军电磁场与波实验指导书 第 13 页 附录:：综合实验电磁波极化角的推导垂直极化波的反射与透射系数: R = 3132cosszT1 = 22T2 = 1cossz平行极化波的反射与透射系数: R = 23T1 = 11cosszT2 = 2其中 rz2341rcs代入上式可得 tg= TR2/1/)(rtg执笔人：聂翔、贾建科、韩团军
