电磁场与电磁波实验报告2

电磁场与电磁波实验报告2

实验一电磁场参量的测量实验目的11、在学习均匀平面电磁波特性的基础上，观察电磁波传播特性互相垂直。

22、熟悉并利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长，并确定电磁波的相位常数和波速实验原理两束等幅、同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内从相同（或相反）

方向传播时，由于初始相位不同发生干涉现象，在传播路径上可形成驻波场分布。本实验正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由空间内电磁波波长的值，再由2

，f得到电磁波的主要参量：

Lr3Lri；2

2L「2L“2LM

2LLr3L2

；其中LL2LLi|。

又因为为定值，L2则随可动板位移而变化。当Pr2移动LL值，使Pr3有零指示输出时，必有EM与Er2反相。故可采用改变Pr2的位置，使尺3输出最大或零指示重复出现。从而测出电磁波的波长和相位常数。下面用数学式来表达测定波长的关系式。

在Pr3处的相干波合成为ErEM

E「2ej1

ej2

j12/或写成Er

2RT0TcE0i

cos2e2

（11--22）

式中12

2L为了测量准确，一般采用P3零指示法，即cos2

0或（2n1）

，n=0,1,2……这里nn表示相干波合成驻波场的波节点（Er0）数。同时，除0n=0以外的nn值，又表示相干波合成驻波的半波长数。故把0n=0时Er0驻波节点为参考节点的位置L。

2又因2—L（11--33）

2故2n12—L或4L（2n1）

（11--44）

）

由（11--44）式可知，只要确定驻波节点位置及波节数，就可以确定波长的值。当0n=0的节点处L。

作为第一个波节点，对其他NN值则有：

nn=1,4L4L1L02,,对应第二个波节点，或第一个半波长数。

n=1，4L4L2L!2,,对应第三个波节点，或第二个半波长数。

n=n,4L4LnLni2,,对应第1n+1个波节点，或第nn个半波长数。

把以上各式相加，取波长的平均值得2LnL。

n代入得到电磁波的参量，，等值。

三、实验步骤(1)

整体机械调整：调整发射喇叭Pro，接收喇叭Pr3，使其处于同种极化状态。

(2)安装反射板，半透射板：注意反射板用与pr2轴向成090度角，半透射板轴向与nPn轴向成545度角，并注意反射板Pri与F>2的法向分别与Pr3,Pr0轴向重合。

(3)将所有调整到位部分用螺钉锁紧，调整发射端的衰减器以控制信号电平，使Pr3表头指示为80。

(4)

旋转游标使可移动反射板PPr2的起始位置在最右侧(或最左侧)，用旋转手柄移动Pr2使所有节点位置处，Pr3表头指示都为0.此时说明整个系统调整到位。

(5)测量：用旋转手柄使反射板移动，从表头上测出1n+1个零点，同时从读数机构上得到所有节点位置L。

到Ln，并记录。

(6)

连续测量33次，用公式(11--55)计算波长，并将33次波长求平均值，取33或44即可。

(7)用所测波长计算，值。

(1--55)

四、实验数据试验次数n1234微安表零指示(mm)11.34226.45843.03958.692

五、实验结果整理，误差分析43.03958.69211.34226.458

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15.983(mm)2431.966mm；f9.3787GHZc理论上31.987(mm)误差=31.98731.966

100%0.0657%31.987误差分析：原因可能有：

⑴系统误差。由某些固定不变的因素引起的。在相同条件下进行多次测量，其误差数值的大小和正负保持恒定，或误差随条件改变按一定规律变化。

⑵随机误差由某些不易控制的因素造成的。在相同条件下作多次测量，其误差数值和符号是不确定的，即时大时小，时正时负，无固定大小和偏向。随机误差服从统计规律，其误差与测量次数有关。随着测量次数的增加，平均值的随机误差可以减小，但不会消除。

例如：微安表读数存在一定的误差；装置摆放多靠目测，难以保证垂直、对准、水平等条件严格满足，如两个喇叭口不水平；⑶粗大误差与实际明显不符的误差，主要是由于实验人员粗心大意，如读数错误，记录错误或操作失败所致。这类误差往往与正常值相差很大，应在整理数据时依据常用的准则加以剔除。

减小误差：

（11）选定合适的实验仪器。工欲善其事，必先利其器，需要仔细考虑。

（22）严格按照实验步骤、方法操作。

（33）熟练掌握各种测量器具的使用方法，准确读数。

（44）创新，直接改进测量方法

六、思考题用相干波测电磁波波长时，如图若介质板放置位置转90度，将出现什么现象？这时能否测准答：原测量方法时？为什么？Er1=--RnTnOTnEie--i1Er2=--RnTnOTnEie--i2转后Er1=--RnEie---1Er2=--RnTnOTnEie---i2这将使得由nTnOTn所产生的幅度相位

变化也计入两相的和中，因此很可能无法产生明显的驻波分布。因此不能准确测量入值

七、心得体会本实验初步研究学习了电磁波基本参量的测量方法，从直观上得到了电磁波作为一种非机械波但仍具备波的基本特性的结论。

本次实验进行得较为顺利，期间得到的结果也比较理想。我和我的搭档在进行第一次实验就得到了理想的结果，误差在十分微小，这主要是我们开始调节装置时就非常到位，就像老师在课上所说的“欲速则不达”的道理。

这次实验是第一次做电磁场与电磁波实验，在熟悉了电磁波参量的测量手段和仪器的使用方法的基础上，从很多方面学习和加深了对理论知识的理解。

实验二均匀无耗媒质参量的测量实验目的（11）

应用相干波节点位移法，来研究均匀无损耗媒质参量r的测试。

（22）

了解均匀无损耗媒质中电磁波参量，，与自由空间内电磁波参量0,o,c的差别。

（33）

熟悉均匀无损耗媒质分界面对电磁波的反射和折射的特性。

实验原理媒质参量一般应包括介电常数和磁导率两个量。它们由媒质方程 DE和BH来表征。要确定，，总是要和EE,HH联系在一起，对于损耗媒质来说，和为复数，而且与频率有关。本实验仅对均匀无损耗电介质的介电常数进行讨论（r1），最终以测定相对介电常数r/。来了解媒质的特性和参量。

用相干波原理和测驻波节点的方法可以确定自由空间内电磁波参量0,o,C。对于具有r（r1）的均匀无耗媒质，无法直接测得媒质中的,,值，不能得到媒质参量值。但是我们利用类似相干波原理装置如图所示

在Pr2前，根据对r板放置前后引起驻波节点位置变化的方法，测得相对变化值，进而测得媒质r的值。首先固定Pri，移动P2使Pr3出现零指示，此时Pr2的位置在L3处，由于r板的引入使得巳指示不再为零。

我们把喇叭辐射的电磁波近似地看作平面波。设接收喇叭处的平面波表达式为Er2Eor2ejZ

由于F>2处存在厚为的r媒质板（非磁性材料的媒质r1）使Pr3处的曰，

巴2之间具有相位差（因「板为无损耗，可认为Erl与Er2幅度近似相等）。

这里相当于板不存在时，相应距离所引起的相位滞后，因此得到时媒质板内总的相位滞后值为”02.1(22--11)为了再次使实现相干波零指示接收，必须把连同板向前推进，造成一个相位增量，其值是(2--22)从而补偿了板的相位滞后，使整理上述式子得2r11

—

(22--33)(22--44)(2--55)(2--66)根据测得的值，还可以确定该媒质与空气分界面上的反射系数和折射系数TT。当平面波垂直投射到空气与媒质分界面时，利用边界条件得RR，Ro(2--77)(2--88)当平面电磁波由媒质向自由空间垂直投射时，相应的反射系数和折射系数为(2--99)00r1r1Ro(2--10)由表达式可看出，当测出的值时，也可确定相应材料的的值。

三、实验步骤(1)整体机械调整，并测出r板的平均厚度(2)根据图安装反射板、透射板，固定Pn移动Pr2、使Pr3表头指示为零,记下Pr3处LL的位置。

(3)

将具有厚度为待测r介质板放在PP2，必须紧贴r，同时注意在放进板r之后，P2仍处于波节点LL的位置。此时指示Pr3不再为零。

(4)

将PPr2和r共同移动，使PPr2由LL移到L”处时巳再次零指示，得到LLL”。

(5)

计算r、、，VV、RR、T的值。

四、实验数据板的厚度(cm)0.6.000.5780.5780.588平均值(cm)0.586

L0L1L2L（无r）

（cm）

26.45843.03958.692L（有r）（cm）

22.98838.51554.532L|L”L（CM）

3.470

4.5244.160L平均值(cm)4.051r1/2

2.535

3.1402.924r平均值(rad/m)2.866

五、数据处理、误差分析(1)由上次试验o

31.966mm,0

0.1966Xr(mm)20.07718.03918.694的平均值（mm）

18.937ro寸r(rad/m)313.020348.376336.180r的平均值（rad/m）

332.525冷(m/s)1.884108

1.693108

1.754108

V的平均值（m/s）

1.777108

R1少厂-0.228-0.279-0.262R的平均值-0.256T久0.7720.7210.738T的平均值0.744

（22）误差分析：实验存在一定的误差，原因分析：

1.实验中实验台一起摆放可能达不到严格的标准要求；

2.游标卡尺读数存在误差；

3.仪器精度没有达到要求；介质的相对介电常数的测量误差：

1.介质板的厚度不均，导致测出了dd有误差。造成实验的误差。

2.电表的灵敏度造成实验误差。

3.两个喇叭口不水平

4.读数时存在读数误差六、思考题本实验内容用卩r=1,测试均匀无损耗媒质值。可否测卩rr工11的磁介质？试说明原因。

答：本实验的方法不可以。因为本实验的所有推导公式均假设卩rr=11,才能满足非磁性介质材料，，因此不可。若卩「工11,会影响电磁场的原有分布，则需要确

定卩rr=y//卩00,方法更为复杂，无法测得正确的结果七、心得体会本次实验我学习研究了测量均匀无损耗媒质参量的基本方法，更进一步巩固了理论课学习的知识。并且学到了利用间接法测量均匀无损耗媒质参量的方法，加深了对此的认识和理解，熟悉了均匀无损耗媒质分界面对电磁波的反射和折射的特性。

由于这次实验是建立在前一次的基础上，而第一次实验误差比较小，为这次实验打下了很好的基础，熟悉了游标卡尺的使用，总体来说依然比较简单，唯一需要注意的地方就是测量厚度的时候，把介质板夹在装置上的时候,要注意四周夹紧，不要出现缝隙，否则会出现较大的误差。

实验三电磁波反射、折射的研究实验目的(1)研究电磁波在良好导体表面的

(2)研究电磁波在良好介质表面的反射和折射。

(3)研究电磁波发生全反射和全折射的条件。

实验原理1、电磁波斜入射到两种不同媒质分界面上的反射和折射均匀平面波斜入射到两种不同媒质的分界面上发生反射和折射，以平行极化波为例：：

⑴反射定律：匸=匕.

(33--11)

22、平行极化波入射到两种媒质分界面上发生全折射(无反射)的条件⑵折射定律:曲Z厂亠卞心③(3--22)

平行极化波在两种媒质分界面上的反射系数!--1”j■■Jr.t■一分别为: 平行极化波斜入射时发生全反射，即、=0,由上式应有

可以解出全折射时(3--66)二称为布儒斯特角，它表示在TH—

|--■全折射时的入射角平行极化波斜入射到厚度为dd的介质板上，如下图所示：

当—?时，入射波在第一个界面上发生全折射，折射波入射在第二个界面上，仍然满足条件发生全折质，总有：

cos9丰

所以不可能发生全折射。

沿任意方向极化的平面电磁波，以化一入射到两种媒质的分界面上时反射波中只有垂直极化波分量，利用这种方法可以产生垂直极化波。

44、电磁波入射到良导体表面的反射对于良导体，所以匠ff：

<〔丁■-

所以：在良导体表面上斜投射的电磁波，其反射场等于入射场，反射角等于入射角。

三、实验步骤(1)调试实验装置：首先使两个喇叭天线互相对正，他们的轴线应在一条直线上。具体方法如下：旋转工作平台使丁刻线与固定臂上的指针对正，再转动活动臂使活动臂上的指针对正工作平台上的-汇：刻线，然后锁定活动臂。打开固态信号源上的开关，连接在接收喇叭天线上的微安表将有指示，分

别调整发射喇叭天线和接收喇叭天线的方向，使微安表的指示最大，这时发射天线与接收天线互相对正。

(2)测试电磁波入射到良导体表面的反射特性首先不加反射板，使发射天线与接收天线互相对正，调整固态信号源，测出入射波电场(可使微安表指示080亠〔)。然后把良导体反射板放在转台上，使导体板平面对准转台上的T°刻线，这时转台上的丁刻线与导体板的法线方向一致。改变入射角陶，测在反射角寫=广；时的反射波场强二…(仍用微安表指示的电流表示)，最后可把接收天线转到导体板后(.：…「刻线处)，观察有无折射波。

(3)平行极化波斜入射到介质板上的全折射实验

把发射天线和接收天线都转到平行极化波工作状态。首先，测量入玻璃板平面对准转台上的090度刻线。转动转台改变入射角，使”忌.-同时得到斜投射时，反射波场强为零的入射角，这时&.-，把测量数据填入表中。

把发射天线和接收天线都转到垂直极化波工作状态，重复上述实验，观察有无全折射现象。

把发射天线喇叭转到任意方向，使入射角厲一曾，在反射波方向分别测量水平极化波和垂直极化波，记录实验结果，把测量的数据填入表中。

四、实验数据（1）

电磁波入射到良导体表面的反射特性数据入射场EEai

80|iA入射角禹30?40°50<°反射角Oi”

40*50&&

60&&

反射场EE□/80799094

（2）

A、平行极化波的全折射现象全折射现象3P

入射场E01

反射场En/折射场民a测量值计算值8009465°63.4th

B、发射天线喇叭在任意方向（如二亠）

位置入射场EC1

入射场%1反射场岳厂反射场焉』

（水平）

（垂直）

冰平）

（垂直）

顺时针旋转45th

3140028

由垂直极化波的反射系数1使分母为00，则:

五、数据处理、误差分析由数据（11）可以看出：良导体表面上投射的电磁波满足反射定律_:在一定范围内，反射场基本上等于入射场。

由（22）中AA、发射天线和接收天线都在平行极化波工作状态可以看出：平行极化波以..入射到两种媒质分界面上，会发生全折射，无反射场。

BB、发射天线喇叭在任意方向（如■”）

可以看出：沿任意方向极化的平面电磁波入射到两种媒质的分界面上时，反射波只有垂直极化波分量，无水平极化波分量，利用这种方法可以产生垂直极化波。

误差分析：

1…发射喇叭和接收喇叭无法严格控制一条轴线上，存在一定的角度偏移。

2.读数的误差：如微安表和分度盘读数。

3.周围环境因素会影响到本次实验结果的精度，如微小的震动以及光线的干扰都会引起实验的误差，影响精度。

六、思考题在介质板表面，斜投射垂直极化波时能否发生全折射（即无反射），为什么?:不能发生全折射。

COSRRl2i

2「Sin

RN

COS?i

2innircos—sin■

11

所以只有当&22时才成立，所以不可以综上：垂直极化波不能发生全折射。

七、心得体会本次实验我研究了电磁波在良好导体表面的反射，掌握了电磁波发生全反射和全折射的条件，进一步的巩固了理论知识的记忆和理解。本次实验进一步的巩固了实验仪器的操作方法。

总体来说，作为第一次有机会做电磁场与电磁波的实验的我们来说我们很幸运，意味着我们可以更好结合实际学习理论知识，学的更轻松，更快，接受的也更快。虽然只有一个下午，大家都很珍惜这次机会。我也不例外。

去实验室看到实验仪器，和想象的有点不一样。构造比较简单。实验也比较简单。在老师讲解过后就开始了这次的实验。

实验原理清晰，实验步骤明确,实验中没有出现大问题。很快就得到了实验数据。之后就是数据分析了，过程很简单，结果也很明显。电磁场与电磁波是通信专业的重点课程之一，本次试验设计的仪器精度系数比较高，而且仪器之间电磁波干扰不可避免，所以造成此次试验误差偏大，但通过这次实验我们通过实验的方法验证了一系列公式定理，将书本上偏理论的东西。