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电磁场与电磁波实验讲义信息学院电子系目录一、概述二、系统成套性三、机械结构的安装与调整四、使用方法1．反射实验2．极化波的产生/检测3．圆极化波左旋/右旋五、附录一、概述DH926AD型数据采集仪是专为配合DH926B型微波分光仪使用的计算机采集测试仪器。
数据采集仪根据微波、电磁场检波原理，采用微电流放大系统，检波信号经过全波整流电路后输出直流信号送A/D。
A/D为通用型8通道12位，A/D接收检波后的直流信号，经过多通道选择电路送内置采样保持放大器，使信号在转换期间内保持不变。
由光电传感器提供的场地址定位计数脉冲，同样送A/D由软件控制计数，按照工业标准完成12位模/数转换。
二、系统成套性DH926U型微波分光仪自动测试系统主要包含DH926B型微波分光仪、DH926AD型数据采集仪及DH1121B型三厘米固态信号源三部分。
下面分述每部分仪器的成套性：其中，DH1121B型三厘米固态信号源的三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长（出厂时信号调在λ=32.02mm上），这种微波信号就相当于光学实验中要求的单色光束。
DH926B型微波分光仪的喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是20°，E面是16°。
当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏损方向是垂直于水平面的；可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大；晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号（当微波信号幅度用低频信号调制时）。
当以上这些元件连接时，各波导端应对齐。
如果连接不正确，则信号传输可能受破坏。
三、机械结构的安装与调整1．DH926B型微波分光仪分度转台的安装与调整：本仪器为了便于运输、包装，出厂包装时将分度转台做了必要的拆卸，用户在使用前需做如下安装与调整。
（l）基座（即喷漆的大圆盘）的安装：（参看图A）。
将Φ40.5的孔向上，将四个支脚按图安置在基座上。
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。
二、实验原理如上图所示,,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)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。
电磁场与电磁波实验报告电磁波反射和折射实验实验目的：1. 探究电磁波在不同介质中的反射和折射规律；2. 学习使用测量工具和观察现象，从实验中深化对电磁波的认知。
实验器材：1. 实验室用的电磁波发生器、接收器和天线；2. 不同介质的板子，如玻璃、塑料、水等；3. 直尺、支架、测角器等测量工具。
实验原理：1. 电磁波反射规律当电磁波从空气传播到介质边界时，如果介质的折射率大于空气，那么电磁波会被反射回来。
反射角等于入射角，即角度相等。
2. 电磁波折射规律当电磁波传播到介质边界时，如果两侧的折射率不同，电磁波会发生折射。
角度满足斯涅尔定律，即入射角和折射角的正弦之比在两个不同介质中是常数，即：sinθ1/sinθ2=n2/n1，其中θ1是入射角，θ2是折射角，n1和n2分别是两个介质的折射率。
实验步骤：1. 将电磁波发生器的天线对准接收器，并调整距离，使得接收器接收到最大强度的信号。
2. 选择一个介质板，将其放置在天线和接收器之间。
记录下入射角和反射角的值。
3. 更换不同的介质板，如玻璃、水、塑料等，重复步骤2。
4. 对于折射实验，将介质板斜放，入射光线从上方斜射入水中，观察折射出来的角度。
5. 测量介质板的厚度，并计算出介质的折射率。
实验结果：1. 反射实验中，记录下了不同介质的入射角和反射角。
通过比较不同介质的反射角可以发现，当折射率越大的时候，反射角越小，反之越大。
2. 折射实验中，记录下了入射角和折射角的值，并计算出了水的折射率。
分析与讨论：通过实验发现，电磁波的反射和折射规律与光学的规律相同，具有相似的物理原理。
另外，实验中需要注意精确度，例如使用测角器来测量角度，要保证角度的精确度，以免影响结果。
此外，实验中不同介质的反射、折射规律的不同也需要谨慎对待。
《电磁场和电磁波》讲义一、什么是电磁场在我们生活的世界中，电磁场是一种无处不在但又常常被我们忽略的存在。
简单来说，电磁场就是由带电粒子的运动所产生的一种物理场。
想象一下，当一个电子在空间中移动时，它的周围就会产生一个电场。
这个电场会对周围的其他带电粒子产生力的作用。
与此同时，如果这个电子在移动的过程中还在不断地改变速度，那么就会产生磁场。
电场和磁场就像是一对好兄弟，它们总是同时出现，相互关联，并且相互影响。
这种相互作用的结果就是我们所说的电磁场。
电磁场的强度和方向可以用数学上的向量来描述。
电场强度用 E 表示，磁场强度用 B 表示。
它们的大小和方向会随着带电粒子的运动状态以及空间位置的变化而变化。
二、电磁场的特性电磁场具有一些非常重要的特性。
首先，电磁场可以在空间中传播。
这就像我们扔一块石头到水里，会产生一圈圈的水波向外扩散一样，电磁场也能以电磁波的形式在空间中传播能量和信息。
其次，电磁场遵循一定的规律。
比如，库仑定律描述了两个静止点电荷之间的电场力作用；安培定律则描述了电流与磁场之间的关系。
再者，电磁场具有能量。
当电磁场发生变化时，能量会在电场和磁场之间相互转换。
这也是电磁波能够传播的一个重要原因。
三、电磁波的产生电磁波的产生通常需要一个源，比如一个加速运动的电荷或者一个变化的电流。
以天线为例，当电流在天线中快速变化时，就会产生迅速变化的电磁场，并向周围空间发射出去，形成电磁波。
另外，原子内部的电子在不同能级之间跃迁时，也会释放出电磁波。
这种电磁波的频率和能量与电子跃迁的能级差有关。
四、电磁波的性质电磁波具有波动性和粒子性双重性质。
从波动性的角度来看，电磁波和其他波一样，具有波长、频率、振幅等特征。
波长是相邻两个波峰或波谷之间的距离；频率则是单位时间内波振动的次数；振幅表示波的能量大小。
电磁波的频率范围非常广泛，从极低频率的无线电波到高频率的伽马射线。
不同频率的电磁波在性质和应用上有着很大的差异。
北邮电磁场与电磁波演示实验频谱特性测量演示实验1.ESPI 测试接收机所测频率范围为: 9KHz—3GHz2.ESPI 测试接收机的RF输入端口最大射频信号: +30dbm，最大直流:50v3.是否直观的观测到电磁波的存在？（回答是/否）否4.演示实验可以测到的空间信号有哪些，频段分别为:广播：531K~1602KHzGSM900：上行：890~915 MHz 下行：935~960 MHzGSM1800：上行：1710~1755 MHz 下行：1805~1850 MHzWCDMA：上行：1920～1980MHz 下行：2110～2170MHzCDMA2000：上行：1920～1980MHz 下行：2110～2170MHzTD-SCDMA：2010～2025MHz5.课堂演示的模拟电视和数字电视频谱图：如何判断是模拟还是数字电视？模拟信号以残留边带调幅方式频分复用传输,有明确的载波频率,不同频道的图像有不同的载波频率。
模拟信号频谱为:每8MHz带宽即一个频道内,能量集中分布在图像载频上,在该载频附近有一个跳动的峰,为彩色副载波所在,再远一点(在8MHz内)还有一个峰,为伴音副载波的峰。
数字信号：一个数字频道的已调信号像一个抬高了的噪声平台, 均匀地平铺于整个带宽之内, 它的能量是均匀分布在整个限定带宽内的。
6.课堂演示GSM900上下行频谱图，CDMA下行频谱图，3G下行频谱图：GSM900上行：GSM900下行：CDMA下行：3G下行：7.该频谱仪能检测的频谱范围，是否能观察到WIFI、电磁炉、蓝牙等频谱？（请分别说明，并指出其频率）可以该频谱仪能检测的频谱范围为9KHz—3GHz所以，能够观察到：WIFI：2.4G电磁炉：20KHz—30KHz蓝牙：2.4G网络参量测量演示实验1矢量网络分析仪所测频段：300KHz—3GHz2端口最大射频信号: 10DBM3矢量网络分析仪为何要校准：首先，仪器的硬件电路需要校正，即消除仪器分析的系统误差；其次，分析仪的测量精度很大程度上受分析仪外部附件的影响，测试的组成部分如连接电缆和适配器幅度和相位的变化会掩盖被测件的真实响应，必须通过用户校准去除这些附件的影响。
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。
二、实验原理如上图所示,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)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。
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:E x=E xm cos(ωt-Φ1) ……(1) (4)E y=E ym cos(ωt-Φ2) (2)1、线极化波的合成:当E x、E y的相位相同时,即Φ1=Φ2=Φ,合成电场为E=e x E xm cos(ωt-Φ)+e y E ym cos(ωt-Φ)合成电场的大小为:E=[E xm2+E ym2]1/2cos(ωt-Φ) (3)合成电场的方向为(与x轴的夹角):α=tg-1[E y/E x]=tg-1[E ym/E xm]=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E xm=E ym=E m,相位差为900时E x=E m cos(ωt-Φ1)E y=E m cos(ωt-Φ1-π/2)=E m sin(ωt-Φ1)合成电场的大小为: (5) E=E m=常数 (5)合成电场的方向为(与x轴的夹角):α=tg-1[E y/E x]=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E y较E x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E y较E x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E y和E x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E y分量较E x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E y分量较E x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+⊥=E i+sinα......(7) (7) E+∥=E i+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=[I min/I max]1/2来表示, I min是输出指示的最小值, I max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=[I min/I max]1/2, I min是输出指示的最小值,I max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。
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