电磁场与电磁波实验指导书 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
电磁场与电磁波实验指导书 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
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
2 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
目 录 实验一电磁波感应器的设计与制作 实验二 电磁波传播特性实验 实验三电磁波的极化实验 实验四天线方向图测量实验
3 目 录 实验一 电磁波感应器的设计与制作 实验二 电磁波传播特性实验 实验三 电磁波的极化实验 实验四 天线方向图测量实验
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 兴 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
4 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
半波天线 肉 环形天线 肉 螺旋天线 图2接收天线 本实验重点介绍其中的一种一一半波天线。 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入/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=入/4)的远区场强有以下关系式： lE=6010s7cs8) 2 60 r sin fe 式中，「为方向性函数，对称振子归一化方向性函数为： cos(cos0) 2 sine 其中fmx是fe的最大值。 由上式可画出半波振子的方向图如图3所示。 90' 90 E面 面 8=0 Ψ=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0=π/2，且只要一臂长度不超过 0.625入，辐射的最大值始终在0=π/2方向上：若继续增大L,辐射的最大方向将偏离0=π/2 方向。 5
5 图 2 接收天线 本实验重点介绍其中的一种─—半波天线。 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。 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 l、打开功率信号发生器电源开关，Signal信号灯亮，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。 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，重复上面过程，记录数据。 4、选用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 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接口与电缆是否接好，或请老师检查。否则会 损坏机器。 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、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告。 2、制作两种以上天线，观察接收效果。画出天线形状，记录接收距离。 3、对实验中的现象分析讨论。 4、提出改进意见及建议。 七、接收天线参考形状 6
6 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，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。 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，重复上面过程，记录数据。 4、选用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 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 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 接口与电缆是否接好，或请老师检查。否则会 损坏机器。 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、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告。 2、制作两种以上天线，观察接收效果。画出天线形状，记录接收距离。 3、对实验中的现象分析讨论。 4、提出改进意见及建议。 七、接收天线参考形状
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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。 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(@t+kz+6) 其中6=Bz是因波程差而造成的相位差。 则当相位差6=Bz1=1r(n=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6=Bz2=(2n+1)π/2(n=0,1,2.)时，合成波的振幅最大，22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/B=nA/2
8 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。 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： z2=(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=元/4 即： 元=4△ 可见，测得了可动金属板移动的距离△山，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。 反射板 发射板 电磁波教学实验仪 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30cm、35cm、40cm刻度处。 2、开启电磁波教学综合实验仪开关(Powr),按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（波 腹)的出现。 先将天线固定于位置1，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），其距离即为入/2。再将天线固定于位置2，重复上述过程。最后将天线固定于位 置3，重复上述过程。将测量数记入下表：
9 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 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（波 腹）的出现。 先将天线固定于位置 1，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，重复上述过程。最后将天线固定于位 置 3，重复上述过程。将测量数记入下表：
次数 天线位置 波腹点1 波腹点2 波长(cm) 平均波长 频率(Hz) (cm) (cm) (cm) (cm) 1 2 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、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告。 2、用自制的接收天线，分别用白炽灯和电流表测量电磁波的波长，并计算出电磁波的频率。 3、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。 4、提出改进意见及建议。 o
10 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 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、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告。 2、用自制的接收天线，分别用白炽灯和电流表测量电磁波的波长，并计算出电磁波的频率。 3、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。 4、提出改进意见及建议