微波特性研究实验报告

微波特性研究 实验报告

一、实验目的与实验仪器

[实验目的]

（1） 了解与学习微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性；

（2） 观测微波干涉、衍射、偏振等实验现象；

（3） 观测模拟晶体的微波布拉格衍射现象；

（4） 通过迈克耳逊实验测量微波波长。

[实验仪器] DHMS-1 型微波光学综合实验仪，包括：X 波段微波信号源、微波发生器、发射喇叭、接收喇叭、微波检波器、检波信号数字显示器、可旋转载物平台和支架，以及实验用附件（反射 板、分束板、单缝板、双缝板、晶体模型、读数机构等）。

二、实验原理

（要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）

一、微波的产生和接收

二、微波光学实验

1、微波的反射实验

微波在传播过程中碰到障碍物会发生反射，且同样遵循和光线一 样的反射定律：即反射线在入射线与法线所决定的平面内，反射角等于入射角。

2、微波的单缝衍射实验

当一平面微波入射到一宽度和微波波长可比拟的一狭缝时，在缝后就要发生如光波一般的衍射现象。

一维衍射情况下，衍射图样强度分布规律为

3、微波的双缝干涉实验

当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上，狭缝就成为次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板的背后面空间中，将产生干涉现象。

干涉加强的角度为： 干涉减弱的角度为：

4、微波的迈克尔逊干涉实验

由于分束板的作用，入射波分为A、B两列频率相同的波，由于相位不同，两列波在接收器中发生干涉。

当两波的相位差为2𝑘𝜋时，干涉加强，当两波的相位差为2(𝑘+1)𝜋时，干涉最弱，相位差可通过调节板间距来调节。

5、微波的偏振实验

线极化电磁波以能量强度𝐼0发射，发射的微波电场强度矢量 E 如在 P1 方向，经接收方向为 P2 的接收器后（发射器与接收器类似起偏器和检偏器），其强度为

6、模拟晶体的布拉格衍射实验

当如同光波的微波入射到该模拟晶体结构的三维空间点阵时，因为每一个晶面相当于一个镜面，入射微波遵守反射定律，反射角等于入射角。而从间距为 d 的相邻两个晶面反射的两束波的程差为2d sin，其中为入射波与晶面的夹角。当满足

时出现干涉极大。

三、实验步骤

（要求与提示：限400字以内）

1. 微波的反射实验

安装金属板，板平面法线与载物小平台0°一致，并使固定、接收臂指针指向90°。顺时针旋转小平台寻找信号数值最大值时小平台对应刻度，即反射角。

2. 微波的单缝衍射实验

调节单缝衍射板缝宽。让板与载物圆台90°一致，固定臂指针在180°，活动臂于0°。调整微波发生器功率，在0°线两侧每1°~3°读取数据。

3. 微波的双缝衍射实验

调节双缝衍射板缝宽。与单缝衍射实验步骤一致。

4. 微波的偏振干涉实验

调整喇叭口面相互平行正对共轴。调整信号，旋转接收喇叭短波导轴承环，每5°记录读数，直至90°。

5. 迈克尔逊干涉实验

微波前进方向放置玻璃板，使之与载物圆台45°线在同一面上。安装反射板和实验装置。 移动旋转读数机构手柄，使可移反射板移动，测出 n+1 个微波极小值，并同时从读数机构上

读出可移反射板移动距离 L。

6. 布拉格衍射实验

安装模拟晶体。顺时针转动载物台𝛼°，入射角为(90 − 𝛼)°，把接收臂顺时针转动(90 − 𝛼)°，使入射角和发射角相等。每隔3°~5°记录一次。

四、数据处理

（要求与提示：对于必要的数据处理过程要贴手算照片）

1.微波反射实验

入射角/° 反射角/° 误差/ °

34 27.9 6.1

36 28.9 7.1

38 31.6 6.4

40 32.2 7.8

42 38.0 4.0

44 40.9 3.1

46 42.5 3.5

48 45.0 3.0

50 47.0 3.0

52 49.1 2.9 54 50.8 3.2

56 53.2 2.8

误差均在8°以内，当入射角度增大，误差下降至3°左右，该误差可能是由于反射金属板板面不平整、发射（接收）喇叭朝向未校准导致。

2、微波单缝衍射实验

𝜑/° 𝐼左/𝜇𝐴 𝐼左/𝜇𝐴

0 47.0 47.0

3 49.0 46.5

6 45.5 49.1

9 43.2 42.9

12 49.1 47.4

15 31.0 49.0

18 44.8 42.1

21 36.5 34.5

24 20.2 27.3

27 30.8 36.1

30 45.0 27.9

33 32.9 28.5

36 6.0 27.1

39 43.2 34.9

42 47.5 18.4

45 4.6 0.9

48 16.3 17.0

51 36.9 20.0

54 16.5 7.1

绘制出𝐼−𝜑图像如下

由图像可得，在𝜑=±45°处出现衍射强度第一极小值，此时缝宽𝛼=5𝑐𝑚，根据公式𝛼𝑠𝑖𝑛𝜑=±𝜆可得波长

𝜆1=3.53𝑐𝑚

此时微波发生器频率为9.5GHz，即波长理论值𝜆𝑡=3.16𝑐𝑚，相对误差

𝜂1=|𝜆1−𝜆𝑡|𝜆𝑡×100%=11.8%

3. 微波的双缝干涉实验

𝜑/° 𝐼左/𝜇𝐴 𝐼左/𝜇𝐴

0 70.0 70.0

3 64.0 68.0

6 54.0 51.0

9 29.2 21.2

12 27.5 29.9

15 33.0 41.0

18 39.1 52.5

21 64.5 63.5

24 77.0 71.9

27 70.0 63.2

30 36.1 41.5

33 35.2 26.9

36 39.8 17.6

39 48.5 27.0

42 52.5 39.0

45 24.0 28.9

48 32.9 26.5 51 65.0 45.1

54 53.0 46.5

57 37.1 33.1

60 34.1 25.0

63 17.5 22.0

66 26.5 21.9

69 24.5 20.5

72 26.1 20.0

绘制出𝐼−𝜑图像如下

由图像可得，在𝜑=±24°处出现第一级干涉极大，此时缝宽𝑎=5𝑐𝑚，缝间距b=6cm，根据公式𝜑=𝑠𝑖𝑛−1(𝑘𝜆𝑎+𝑏)可得波长

𝜆2=3.05𝑐𝑚

此时微波发生器频率为9.5GHz，即波长理论值𝜆𝑡=3.16𝑐𝑚，相对误差

𝜂2=|𝜆2−𝜆𝑡|𝜆𝑡×100%=3.48%

4. 微波的偏振干涉实验

转角/° I/μA

0 28.0

5 27.5

10 27.0

15 26.1

20 25.5

25 24.0 30 23.0

35 20.5

40 19.0

45 16.9

50 14.1

55 11.2

60 9.5

65 7.0

70 5.0

75 3.0

80 1.1

85 0.5

90 0.0

绘制图像并进行拟合得到

拟合结果𝐼=29.32×𝑐𝑜𝑠2𝜑，相关系数𝑅2=0.98091，拟合效果较好，且实在𝜑=90°时强度为零，满足马吕斯定律。

5. 迈克尔逊干涉实验

最大点读数/mm

7.455

24.410

41.080

59.721

绘制图像并进行拟合得到

拟合结果𝑦=17.35𝑛−10.20，相关系数𝑅2=0.99936，拟合效果较好。

则

𝜆3=2×17.35=34.70𝑚𝑚

理论波长𝜆𝑡=32.75𝑚𝑚，相对误差

𝜂3=|𝜆3−𝜆𝑡|𝜆𝑡×100%=5.9%

6. 布拉格衍射实验

入射（反射）角/ ° I/μA 入射（反射）角/ ° I/μA

25 17.4 48 10.5

26 20.2 49 18.1

27 20.9 50 23.0

28 21.1 51 26.1

29 21.0 52 27.0

30 20.5 53 19.0

31 19.8 54 6.0

32 17.5 55 0.0

33 18.0 56 17.0

34 16.0 57 43.0

35 14.0 58 55.9

36 11.0 59 55.0

37 3.0 60 33.1

38 0.1 61 12.0

39 2.9 62 30.1

40 9.0 63 66.2

41 15.8 64 85.0

42 18.0 65 85.6

43 16.9 66 84.0 44 14.0 67 70.1

45 12.5 68 51.5

46 10.0 69 40.0

47 7.0 70 42.0

绘制出𝐼−𝜑图像如下

由图像可得，第一级衍射极大处衍射角为𝜑1 = 65°，第二级衍射极大处衍射角为𝜑2 = 42°

此时𝑑 = 4cm，𝜆 = 3.16𝑐𝑚，由公式2𝑑cos𝛽 = 𝑘𝜆可知，第一级加强点理论值𝛽1 = 66.7°，第二级加强点理论为𝛽2= 37.8°

误差分别为1.7°和4.2°

五、分析讨论

（提示：分析讨论不少于400字）

1.各实验中产生误差的原因

（1）微波反射实验：可能是由于反射金属板板面不平整、发射（接收）喇叭朝向未校准导致。

（2）微波单缝衍射实验：从图像中可以看出，整体图像不是关于纵轴对称，而是向一侧有偏移，这是由于狭缝在安放中无法与入射角为零时的微波发射方向完全垂直，使得在入射角为零刻度处发生偏移。

（3）微波双缝干涉实验：从图像中可以看出，干涉强度在随角度增大逐渐衰减，这与双缝衍射的理论图像不符，说明在双缝干涉中也受到了单缝衍射的影响，当两缝间隔b较小时，受单缝衍射影响较大，当两缝间隔b较大时，受单缝衍射影响较小。

（4）微波布拉格衍射实验：实验装置中的铝球不完全满足规律排列，其间距可能存在微小差异，最终导致微波相互发生干涉，影响最终结果。

2.采用金属反射板的原因

由麦克斯韦方程组边界条件决定，电磁波射入介质后发生指数衰减，指数上系数为介质电导率，金属导体普遍拥有极高的电导率，使得微波在射入金属板后急速衰减，从而提高反射率，保证实验效果。

六、实验结论

1.微波发生反射时，出射角基本与入射角相等，误差在3°左右，基本符合反射定律。

2.由微波单缝衍射、双缝干涉、迈克尔逊干涉实验分别测得微波波长𝜆1=3.53𝑐𝑚、𝜆2=3.05𝑐𝑚、𝜆3=34.70𝑚𝑚，与理论值𝜆𝑡=3.16𝑐𝑚相比，相对误差分别为𝜂1=11.8%、𝜂2=