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1、电磁波传播特性摘要：本文使用电磁波综合测试仪，通过边克尔逊干涉的方法，测量了实验所采用的电磁波的波长。此外，本文还使用综合测试仪验证了电磁波的反射定律。关键词：电磁波综合测试仪：边克尔逊干涉；反射定律4实验目的1）了解电磁波综合测试仪的结构，掌握其工作原理；2）利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长入，确定电磁波的相位常数K和波速V：3）研究电磁波在良导体表面的反射。2.实验仪器1）三厘米固态信号发生器1台三厘米固态信号发生器由振荡器、隔离器和主机组成，主机而板如图2所示。体效应管装在工作于TE】oi模的波导谐振腔中，调节振荡器的螺旋测微器，可改变调谐杆伸入波导腔的深度，从而连续平滑地改变微
2、波谐振频率。调节位于波导腔前而法兰盘中心处的调配螺钉，町使波导腔与外电路实现最佳耦合。隔离器保证振荡器与负载间的匹配与隔离，使微波输出和功率更加稳定。图2三厘米固态信号发生器主要技术指标：频率范围：频率误差：5MHz；输岀功率：不小于20mWo（实验中所使用的电磁波频率为9.37GHz）2）电磁波综合测试仪2套电磁波综合测试仪如图1所示图1电磁波综合测试仪（1）系统简介：固定臂。活动臂，可以自由转动。转台，可以在水平面内转动,转动的角度町由边缘的刻度读出，左右各180度。固态信号源。衰减器，用于控制发射信号犬小。发射天线，是角锥喇叭天线，可绕水平或垂直轴线转动。接收天线，也是角锥喇叭天线，也可
3、绕水平或垂直轴线转动。振荡器，是一个波导谐振腔，调整调节螺栓可使接收信号发生谐振，从而使接收信号增强。检波器。指示器，是一个微安表头，可以定量指示接收信号人小。（2）仪器的调整：调整底座上的三个螺栓，使转台平面水平，调整时可以使用水平仪。使收、发天线对正：旋转转台，使180度刻线与固定臂上的指针对正，使活动臂上的指针与0度刻线对正。通过目测，使收、发天线对正，收、发天线的上沿都应水平。打开信号源，左右轻微转动收、发天线，使接收信号最人：最后固定收、发天线，系统就调整好了。3）反射板（金属板）2块4）半透射板（玻璃板）2块3实验原理1）自由空间电磁波参量的测量当两束等幅、同频率的均匀平面电磁波，
4、在自由空间内沿相同或相反方向传播时，由于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，求得自由空间中电磁波波长值，再由(K；严(1)(y=Af=CO/K得到电磁波的主要参数K和v等。电磁波参量测试原理如图3所示，Pt和Pr分别表示发射和接收喇叭天线，A和B分别表示固定和可移动的金属反射板，C表示半透射板(有机玻璃板)。由Pt发射平而电磁波，在平面波前进的方向上放置成45。角的半透射板，由于该板的作用，将入射波分成两束波，一束向板A方向传播，另一束向板B方向传播。由于A和B为金属全反射板，两列波就再次返回到半透射板并达到接收喇叭天线Pr处
5、。于是Pr收到两束同频率，振动方向一致的两个波。如果这两个波的相位差为的71偶数倍，则干涉加强；如果相位差为的兀奇数倍，则干涉减弱。移动反射板B,当Pr的表头指示从一次极小变到又一次极小时，则反射板B就移动了X/2的距离，由这个距离就可以求得平面波的波长。图3电磁波参量测试原理图设入射波为垂直极化波Et=Eoe当入射波以入射角e丄向介质板c斜入射时，在分界面上产生反射波卸和折射波巨。设c板的反射系数为&%为由空气进入介质板的折射系数,人为由介质板进入空气的折射系数。固定板4和可移动板B都是金属板，反射系数均为4。在一次近似的条件下，接收喇叭天线PR处的相干波分别为Erl=-RTQTcEoeEr
6、2=-RTQTcEoej这里01=K(h+13)=KLi02=K(2+I3)=K(S+$+AL)=KL2其中，L=Ll-L2B板移动距离，而与扇2传播的路程差为2山。由于知与耳2的相位差为=俱一血=2KU,因此，当2厶满足2AL=nA=0,1,2.)(2)亘1和瓦2同相相加，接收指示为最大。当2厶满足2AL=(2n+l)A/2(n=0,1,2.)(3)巨和卸2反相抵消，接收指示为最小。这里，n表示相干波合成驻波场的波节点数。沿一个方向改变反射板B的位置，使PR输出重复出现最大指示，或重复出现零指示即可测出电磁波波长九为测准九值，一般采用PR零指示方法。相干波卸1和卸2的分布如图4所示，图中n=
7、0的节点处Mo作为第一个波节点(参考点)，对于nHO的各值则有n=l,2A厶1=护，对应第二个波节点，或第一个半波长数。n=2,2AL2=|A,对应第三个波节点，或第二个半波长数。n=N,24以=巴异入，对应第N+1个波节点，或第N个半波长数。由此可知，两个相邻波节点（接收零值）间的距离为ALn-ALn+1=A/2,n+1个波节点之间共有n个半波长，即ALn-AL0=W2,可得波长的平均值为A=2（ALn-AL0）/n（4）再把式（4）代入式（1）,可以得到被测电磁波的K和v等参量。实验中可移动板B移动时不可能岀现无限多个驻波节点，测试中一般取24己足够，它相当于5个驻波节点，这时被测电磁波波
8、长的平均值为A=2（AL4-ALo）/4（5）2）2电磁波入射到两种不同介质分界面上的反射遵循反射定律，即Oi=（6）当微波波段的电磁波入射到良导体表面时，无透射，所有电磁波均反射。4实验内容1）自由空间电磁波参量的测量（1）整体机械调整（见附录一），使Pt、Pr相向，轴线在同一水平而线上，调整信号电平，使PR表头指示接近满刻度。（2）安装反射板A和B半透射板C,如图1-1所示，注意A、B轴向成90度角，C板法向与A板法向成45。角，并注意反射板A、B的法向分别与Pt、Pr的轴向重合。（3）固定A板，用旋转手柄移动B板，使Pr表头指示接近零，记下零指示的起始位置。（4）用旋转手柄使B板移动，再
9、从表头上测出11个极小值，同时从读数机构上得到相应于（3）的起始零指示位置求得反射板移动的距离（皿-皿），连续测三次，求平均值，取n=3或4即可。（5）根据测得的（ALn-ALo）ffl,计算九、K和V值。2）电磁波的反射（1）调试实验装置首先使两个喇叭天线相互对正，它们的轴线应在一条直线上。具体方法如下：旋转工作平台使0度刻线与固定臂上的指针对正，再转活动臂使活动臂上的指针对正工作平台上的180度刻线，然后锁定活动臂。打开固态信号源开关，连接在接收喇叭天线上的微安表将有指示，分别微调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就相互对正了。（2）电磁波入射到良
10、导体表而的反射特性首先不加反射板，使发射天线与接收天线相互对正，调整固态信号源，测出入射波电场5（可使微安表指示60gA）,然后把良导体反射板放在转台上，使导体板平而对准转台上的90度刻线，这时转台上的0度刻线与导体板的法线方向一致，转动转台改变入射角兔，测量相应的反射角以及相应的反射波场强ei（仍用微安表指示的电流表示），记录实验数据。5实验数据及处理1）自由空间电磁波参量的测量实验次数12微安表零指示次数n+144可移动板位移（ALn-ALo）/mm49.27448.657波长入=2(ALnALo)/n/mm32.84932.438波长平均值入=（俎+12+右）/3/mm32.644实验中
11、，固态信号发生器发射的电磁波为频率为9.37GHz的微波，故波长的理论值应为A=c/f=32.017mm实验测量值与理论值基本一致，相对误差约为1.96%.2）电磁波的反射入射角弘203040506(T7080反射角儿2133。4349606883。入射场强耳（pA）63.063.063.063.063.063.063.0反射场强（gA）59.058.759.060.061.061.085.06误差分析及讨论1）自由空间电磁波参量的测量对于电磁波波长的测量结果与理论值符合较好，相对误差在2%以卞，除偶然因素外，主要的误差应该是有干涉过程中两列波没有完全相干造成的。由于相干的不完全，导致波强的最
12、小值对应的AL不是一个精确的点，此距离可在一定范围内变化，造成了测量的误差。而相干不完全的主要原因则有以下两点：第一，由于本实验中对于光路的调节相对比较粗糙,精确度不足，可能导致两束相干波不完全平行；第二，本实验中使用的波源所发射的电磁波并不是平面波，且实验中干涉仪的臂长相对于电磁波的波长而言也无法构成远场条件。2）电磁波的反射对于反射定律验证的实验所得到的数据相对而言有着较人的误差，特别是当电磁波以大角度入射时（例如当入射角为80时），反射场强甚至超过了入射场强。造成这些误差的主要原因也是由于实验中所使用的固态信号发生器所发射的电磁波并不是平面波，而反射定律是只对于平面波才成立的。本实验中电磁波的传播实际上是一个更为复杂的问题，当入射波以人角度入射时，金属板所起的作用事实上已经不是反射，而是产生了一种类似于汇聚的效应，所以才会出现反射场强超过了入射场强的情况7参考文献【门黄润生，近代物理实验（第二版），南京大学出版社附录自由空间电磁波参量测量实验的原始数据微安表零指示次数n+11234AL/mm（第一次实验）7.45224.79640.12956.726AL/mm（第二次实验）7.95823.60539.10756.615
