山东理工大学：《电磁场》课程教学资源（实验指导）电磁场与电磁波实验指导书

电磁场与电磁波实验 指导书 刘万强主编 山东理工大学电气与电子工程学院 电磁场与电磁波实验室 2020.10

电磁场与电磁波实验 指导书 刘万强 主编 山东理工大学电气与电子工程学院 电磁场与电磁波实验室 2020.10

电磁场与电磁波实验守则 1、学生必须按时到指定实验室做实验，不迟到、不早退，不喧哗，不乱扔杂物：爱护公物， 严禁在实验桌面上乱刻、乱画。保持实验室良好的实验环境。 2、实验前学生必须对所做的实验进行充分预习，并写出预习报告。实验前应认真了解所用 仪器、设备、仪表的使用方法与注意事项。在启动设备之前，需经指导教师检查认可。 3、实验时，要严肃认真，正确操作，仔细观察，真实记录实验数据的结果。实验中严禁违 章操作，遇到仪器设备故障要及时报告，不得自行拆卸。不得做与实验无关的事情，不得动与实 验无关的设备，不得进入与实验无关的场所。 4、实验中，如发现仪器设备损坏或丢失，应及时报告，查明原因。凡属违反操作规程导致 设备损坏或自行丢失仪表工具的，要追究责任，照章赔偿。 5、若发生事故，不要惊慌，必须立即切断电源，要保持现场并报告老师，以便查明情况， 酌情处理。 6、实验完毕后，要按要求整理好试验设备、器材和工具等，关断电源。经指导教师检查数 据并签字后，方可离开实验室。 7、学生需做开放性实验时，应事先与有关实验室（中心）联系，报告自己的实验目的、内 容。实验结束后应整理好实验现场。 8、学生必须认真做好实验报告，在规定时间内交给指导教师批阅

1 电磁场与电磁波实验守则 1、学生必须按时到指定实验室做实验，不迟到、不早退，不喧哗，不乱扔杂物；爱护公物， 严禁在实验桌面上乱刻、乱画。保持实验室良好的实验环境。 2、实验前学生必须对所做的实验进行充分预习，并写出预习报告。实验前应认真了解所用 仪器、设备、仪表的使用方法与注意事项。在启动设备之前，需经指导教师检查认可。 3、实验时，要严肃认真，正确操作，仔细观察，真实记录实验数据的结果。实验中严禁违 章操作，遇到仪器设备故障要及时报告，不得自行拆卸。不得做与实验无关的事情，不得动与实 验无关的设备，不得进入与实验无关的场所。 4、实验中，如发现仪器设备损坏或丢失，应及时报告，查明原因。凡属违反操作规程导致 设备损坏或自行丢失仪表工具的，要追究责任，照章赔偿。 5、若发生事故，不要惊慌，必须立即切断电源，要保持现场并报告老师，以便查明情况， 酌情处理。 6、实验完毕后，要按要求整理好试验设备、器材和工具等，关断电源。经指导教师检查数 据并签字后，方可离开实验室。 7、学生需做开放性实验时，应事先与有关实验室（中心）联系，报告自己的实验目的、内 容。实验结束后应整理好实验现场。 8、学生必须认真做好实验报告，在规定时间内交给指导教师批阅

令 录 实验一 电磁波感应器的设计与制作.3 实验二电磁波传播特性实验 .7 实验三电磁波的极化实验.10 实验四天线方向图测量实验.13 附录实验演示视频.17

2 目 录 实验一 电磁波感应器的设计与制作 . 3 实验二 电磁波传播特性实验 . 7 实验三 电磁波的极化实验 . 10 实验四 天线方向图测量实验 . 13 附 录 实验演示视频 . 17

实验一电磁波感应器的设计与制作 一、预习要求 1、什么是法拉第电磁感应定律？ 2、什么是电偶极子？ 3、了解线天线基本结构及其特性。 二、实验目的 1、认识时变电磁场，理解电磁感应的原理和作用。 2、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。 3、理解电磁波辐射原理 三、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。 微带天线 信号源 图1电磁感应装置 如果将另一付天线置于电磁波中，就能在天线体上感生高频电流，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。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，如 图1所示。 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、螺旋天线等，如图2所示。 本实验重点介绍其中的一种一—半波天线。 3

3 实验一 电磁波感应器的设计与制作 一、预习要求 1、什么是法拉第电磁感应定律？ 2、什么是电偶极子？ 3、了解线天线基本结构及其特性。 二、实验目的 1、认识时变电磁场，理解电磁感应的原理和作用。 2、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。 3、理解电磁波辐射原理。 三、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。 图 1 电磁感应装置 如果将另一付天线置于电磁波中，就能在天线体上感生高频电流，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。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，如 图 1 所示。 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、螺旋天线等，如图 2 所示。 本实验重点介绍其中的一种─—半波天线

000000000 图2接收天线 半波天线又称半波振子，是对称天线的一种最简单的模式。对称天线（或称对称振子）可以 看成是由一段末端开路的双线传输线形成的。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， 半波振子因其一臂长度为1/4，全长为半波长而得名。其福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=九/4)的远区场强有以下关系式： 0 o)0 sin 式中，。为方向性函数，对称振子归一化方向性函数为： sin 其中fm是e的最大值。 由上式可画出半波振子的方向图如图3所示。 图3半波振子的方向图 半波振子方向函数与中无关，故在H面上的方向图是以振子为中心的一个圆，即为全方向 性的方向图。在E面的方向图为8字形，最大辐射方向为日=π/2，且只要一臂长度不超过 0.625入，辐射的最大值始终在日=π/2方向上：若继续增大L,辐射的最大方向将偏离日=π/2 方向

4 图 2 接收天线 半波天线又称半波振子，是对称天线的一种最简单的模式。对称天线（或称对称振子）可以 看成是由一段末端开路的双线传输线形成的。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。 半波振子因其一臂长度为  /4 ，全长为半波长而得名。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 =  / 4 ）的远区场强有以下关系式： ( ) cos( cos ) sin I I E f r r     = = 60 60 2 式中， ( ) f  为方向性函数，对称振子归一化方向性函数为： ( ) ( ) max cos( cos ) sin f F f      = = 2 其中 max f 是 ( ) f  的最大值。 由上式可画出半波振子的方向图如图 3 所示。  =0 =0 图 3 半波振子的方向图 半波振子方向函数与  无关，故在 H 面上的方向图是以振子为中心的一个圆，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

四、实验内容与步骤 1、打开功率信号发生器电源开关，Signal信号灯亮，说明机器工作正常。按下Tx按钮， 观察功率指示表有一定偏转，此时Standby待机灯亮，说明发射正常。将电缆线连接到发射天线 的水平线极化端口（最左端接口），其余端口用铜相封闭。 2、用金属丝制作天线体，用螺丝周定于感应灯板（或电流表检波板）两端，并安放到测试 支架上，调节感应板的角度，使其与发射天线的极化方向一致。调节测试支架滑块到最右端，按 下功率信号发生器上Tx按钮，同时移动测试支架滑块，靠近发射天线，直到小灯刚刚发光时， 记录下滑块与发射天线的距离。 3、改变天线振子的长度，重复步骤2，记录数据填入下表。 4、选用其它天线形式制作感应器，重复步骤2，记录数据填入表1。 表1接收天战数据测量 次数 天线形式 天线长度 接收距离 1 2 五、注意事项 1、按下Tx按钮时，若红色告警灯亮，应立即停止发射，检查电缆线与发射天线端口是否旋 紧，其余端口是否用封闭帽盖上，输出接口与电缆是否接好，避免损坏机器。 2、测试白炽灯感应器时，不能将感应灯靠近发射天线的距离太小，否则会烧毁感应灯。（置 于20cm以外，或视感应灯亮度而定)。 3、尽量减少按下Tx按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性 4、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。 六、报告要求 1、制作两种以上天线（每种天线用不同导线长度），观察接收效果。画出天线形状，测量 天线长度，记录接收距离。 2、对实验中的现象分析讨论，哪种天线形式接收效果最好？ 3、简述常用电子设备的工作原理，如校园卡、公交卡、微波炉、电磁炉、手机等。 4、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告，按签名单序号排序，一周内收齐交到实 验办公室

5 四、实验内容与步骤 1、打开功率信号发生器电源开关，Signal 信号灯亮，说明机器工作正常。按下 Tx 按钮， 观察功率指示表有一定偏转，此时 Standby 待机灯亮，说明发射正常。将电缆线连接到发射天线 的水平线极化端口（最左端接口），其余端口用铜帽封闭。 2、用金属丝制作天线体，用螺丝固定于感应灯板（或电流表检波板）两端，并安放到测试 支架上，调节感应板的角度，使其与发射天线的极化方向一致。调节测试支架滑块到最右端，按 下功率信号发生器上 Tx 按钮，同时移动测试支架滑块，靠近发射天线，直到小灯刚刚发光时， 记录下滑块与发射天线的距离。 3、改变天线振子的长度，重复步骤 2，记录数据填入下表。 4、选用其它天线形式制作感应器，重复步骤 2，记录数据填入表 1。 表 1 接收天线数据测量 次数 天线形式 天线长度 接收距离 1 2 3 4 五、注意事项 1、按下 Tx 按钮时，若红色告警灯亮，应立即停止发射，检查电缆线与发射天线端口是否旋 紧，其余端口是否用封闭帽盖上，输出接口与电缆是否接好，避免损坏机器。 2、测试白炽灯感应器时，不能将感应灯靠近发射天线的距离太小，否则会烧毁感应灯。（置 于 20cm 以外，或视感应灯亮度而定）。 3、尽量减少按下 Tx 按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。 4、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。 六、报告要求 1、制作两种以上天线（每种天线用不同导线长度），观察接收效果。画出天线形状，测量 天线长度，记录接收距离。 2、对实验中的现象分析讨论，哪种天线形式接收效果最好？ 3、简述常用电子设备的工作原理，如校园卡、公交卡、微波炉、电磁炉、手机等。 4、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告，按签名单序号排序，一周内收齐交到实 验办公室

七、接收天线参考形状 。8☒o o☒o 。80 686 00000 00000 00000.800000 &甲 -00000 6 6

6 七、接收天线参考形状

实验二电磁波传播特性实验 一、预习要求 1、什么是迈克尔逊干涉原理？它在实验中有哪些应用？ 2、驻波的产生原理及其特性。 二、实验目的 1、学习了解电磁波的空间传播特性。 2、通过对电磁波波长、波幅、波节、驻波的测量，进一步认识和了解电磁波。 三、实验原理 变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波。几列不同频率的电磁波在同一媒质中传播时， 几列波可以保持各自的特点（波长、波幅、频率、传播方向等），在同时通过媒质时，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振动的合成。而当两个频率相同、 振动方向相同、相位差恒定的波源所发出的波叠加时，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。这也称为迈克尔逊干涉原理。 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 射到金属板，被金属板反射回来，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 示为： E.=E cos(@t-kz) E =E cos(at+kz+6) 其中6=Bz是因波程差而造成的相位差 则当相位差8=P%,=r(n=0,12)时，合成波的振幅最小，乙1的位置为合成波的 波节：相位差6=z,=(2n+1)π/2(n=0,1,2)时，合成波的振幅最大，2的位置为 合成波的波腹。 实际上到达电磁感应器的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波波腹振幅值不是二倍单列 波的振幅值，合成波的波节值也不是恰好为零。 根据以上分析，若固定感应器，只移动金属板，即只改变第二列波的波程，让驻波得以形成， 当合成波振幅最小（波节）时： 3=nr/B=n2/2 7

7 实验二 电磁波传播特性实验 一、预习要求 1、什么是迈克尔逊干涉原理？它在实验中有哪些应用？ 2、驻波的产生原理及其特性。 二、实验目的 1、学习了解电磁波的空间传播特性。 2、通过对电磁波波长、波幅、波节、驻波的测量，进一步认识和了解电磁波。 三、实验原理 变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波。几列不同频率的电磁波在同一媒质中传播时， 几列波可以保持各自的特点（波长、波幅、频率、传播方向等），在同时通过媒质时，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振动的合成。而当两个频率相同、 振动方向相同、相位差恒定的波源所发出的波叠加时，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。这也称为迈克尔逊干涉原理。 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 射到金属板，被金属板反射回来，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 示为： cos( ) E E t kz x m = −  = + + cos( ) E E t kz y m   其中   = z 是因波程差而造成的相位差。 则当相位差    = = = z n n( , , ) 1 0 1 2 时，合成波的振幅最小，z1 的位置为合成波的 波节；相位差    = = + = z n n ( ) / ( , , ) 2 2 1 2 0 1 2 时，合成波的振幅最大， z2 的位置为 合成波的波腹。 实际上到达电磁感应器的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波波腹振幅值不是二倍单列 波的振幅值，合成波的波节值也不是恰好为零。 根据以上分析，若固定感应器，只移动金属板，即只改变第二列波的波程，让驻波得以形成， 当合成波振幅最小（波节）时： z n n = =    / / 1 2

当合成波振幅最大（波腹）时： =(n+1/2)x/B=(2n+1)2/4 此时合成波振幅最大到合成波振幅最小（波腹到波节）的最短波程差为入/4，若此时可动 金属板移动的距离为△L,则： △L=/4 即： 2=4△L 可见，测得了可动金属板移动的距离△L,代入式中便确定电磁波波长。 四、实验内容及步骤 实验装置如图4所示。 T T 电磁被教学实验仪 图4电磁波教学综合实殷仪 1、将设计制作的电磁波感应器（天线）安装在可旋转支臂上，调节其角度与发射天线的极 化方向一致，再将支臂滑块移到距离发射天线分别为30cm、35cm、40cm刻度处。 2、开启电磁波教学综合实验仪开关(Powr),按下Tx按钮，观察发射天线板是否有电磁 波发射出来。 3、移动反射板，观察天线上的灯是否有明暗变化。如果没有，检查天线角度是否与发射天 线极化方向一致：如果还没有明暗变化，再将支臂滑块移到距离发射天线近一点。 4、如系统正常工作，从远而近移动反射板，使灯泡明暗变化。以灯泡明暗度判断波节和波 腹的出现。 先将天线周定于位置1(30cm)，由远而近移动反射板，记录下灯泡两个相邻最亮时反射板 位置的坐标（波腹点），其距离即为1/2。再将天线固定于位置2(35cm),重复上述过程。最 后将天线固定于位置3(40cm),重复上述过程。将测量数据记入表2

8 当合成波振幅最大（波腹）时： z n n 2 = + = + ( / ) / ( ) / 1 2 2 1 4    此时合成波振幅最大到合成波振幅最小（波腹到波节）的最短波程差为  /4 ，若此时可动 金属板移动的距离为 L，则：  = L  / 4 即：  = 4 L 可见，测得了可动金属板移动的距离 L，代入式中便确定电磁波波长。 四、实验内容及步骤 实验装置如图 4 所示。 图 4 电磁波教学综合实验仪 1、将设计制作的电磁波感应器（天线）安装在可旋转支臂上，调节其角度与发射天线的极 化方向一致，再将支臂滑块移到距离发射天线分别为 30 cm、35cm、40cm 刻度处。 2、开启电磁波教学综合实验仪开关（Power），按下 Tx 按钮，观察发射天线板是否有电磁 波发射出来。 3、移动反射板，观察天线上的灯是否有明暗变化。如果没有，检查天线角度是否与发射天 线极化方向一致；如果还没有明暗变化，再将支臂滑块移到距离发射天线近一点。 4、如系统正常工作，从远而近移动反射板，使灯泡明暗变化。以灯泡明暗度判断波节和波 腹的出现。 先将天线固定于位置 1（30cm），由远而近移动反射板，记录下灯泡两个相邻最亮时反射板 位置的坐标（波腹点），其距离即为  /2 。再将天线固定于位置 2（35cm），重复上述过程。最 后将天线固定于位置 3（40cm），重复上述过程。将测量数据记入表 2

表2半波天线测量电藏波波长 次数 天线位置 波腹点1 波腹点2波长(cm) 平均波长频率() (cm) (cm) (cm) (cm) 3 五、注意事项 1、按下Tx按钮时，若Alarm红色告警灯亮，应立即停止发射，检查电缆线与发射天线接口 是否旋紧，其余接口是否用封闭帽盖上，Output输出接口与电缆是否接好，或请老师检查。否 则会损坏仪器。 2、测试感应器时，不能将感应灯靠近发射天线的距离太小，否则会烧毁感应灯。（置于20℃ 以外，或视感应灯亮度而定)。 3、尽量减少按下Tx按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。 4、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。 六、报告要求 1、用自制的接收天线，用白炽灯或电流表测量电磁波的波长，并计算出电磁波的频率。 2、对实验中的现象分析讨论，并对实验误差产生的原因进行分析。 3、描述行波和驻波的特点。什么是波腹点和波节点？如何测量行波的频率？ 4、按照标准实验报告纸的格式和内容完成实验报告，按签名单序号排序，一周内收齐交到 实验办公室

9 表 2 半波天线测量电磁波波长 次数 天线位置 （cm） 波腹点 1 （cm） 波腹点 2 （cm） 波长（cm） 平均波长 （cm） 频率（Hz） 1 2 3 五、注意事项 1、按下 Tx 按钮时，若 Alarm 红色告警灯亮，应立即停止发射，检查电缆线与发射天线接口 是否旋紧，其余接口是否用封闭帽盖上，Output 输出接口与电缆是否接好，或请老师检查。否 则会损坏仪器。 2、测试感应器时，不能将感应灯靠近发射天线的距离太小，否则会烧毁感应灯。（置于 20cm 以外，或视感应灯亮度而定）。 3、尽量减少按下 Tx 按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。 4、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。 六、报告要求 1、用自制的接收天线，用白炽灯或电流表测量电磁波的波长，并计算出电磁波的频率。 2、对实验中的现象分析讨论，并对实验误差产生的原因进行分析。 3、描述行波和驻波的特点。什么是波腹点和波节点？如何测量行波的频率？ 4、按照标准实验报告纸的格式和内容完成实验报告，按签名单序号排序，一周内收齐交到 实验办公室