电磁场与电磁波实验指导书.doc

静电场边值问题实验 对于复杂边界的静电场边值问题，用解析法求解很困难，甚至是不也许的。在实际求解过程中，直接求出静电场的分布或电位又很困难，其精度也难以保证。本实验根据静电场与恒定电流场的相似性用碳素导电纸中形成的恒定电流场来模拟无源区域的二维静电场，从而测出边界比较复杂的无源区域静电场分布。一、 实验目的：1、 学习用模拟法测量静电场的方法。2、 了解影响实验精度的因素。二、 实验原理：在静电场的无源区域中，电场强度电位移矢量及电位、满足下列方程： 、= 0 = 0 =、 、= - 、 （1）式中为静电场的介电常数。在恒定电流场中，电场强度E、电流密度J及电位满足下列方程： = 0 = 0 = = （2）式中为恒定电流场中导电媒质的电导率。由于方程组（1）与方程组（2）在形式上完全相似，所以、（静电场中的电位分布函数）与（恒定电流场中的电位分布函数）应满足同样形式的微分方程。由方程组（1）和方程组（2）很容易求得： （、）= 0 （3）（）= 0 （4） 式中与处在相应的位置，它们为对偶量。若与在所讨论区域为均匀分布（即其值与坐标无关），则方程（3）、（4）均可简化为拉普拉斯方程： = 0 电位场解的唯一定理可知：满足相同微分方程的两个电位场，它们具有相同的边界电位值，因此，在保证边界电位值不变的情况下，我们可以用恒定电流场的模型来模拟无源区域的静电场，当静电场中媒质为均匀媒质时，其导电媒质也应为均匀媒质，这样测得的恒定电流场的电位分布就是被模拟的静电场的电位分布，不需要任何改动。三、 实验内容及实验装置：1、被测模型有两个：一个用来模拟无边沿效应的平行板电容器中的电位分布；另一个用来模拟有金属盖的无限长接地槽形导体内电位分布，被模拟的平行板电容器，加盖槽形导体及它们相应的模型如图1所示。被测模型是在碳素导电纸上按所需的几何形状，尺寸制成如图1所示的金属“电极”。在金属“电极”上加所需的电压（本实验所需电压约为10伏），以保证所需的边界电位值。2、自制“网格板”：为保证各被测点位置，采用“网格板”来定位。该“网格板”是用透明塑料薄板，板上沿X、Y坐标轴每一厘米打一个小孔，这样就形成了一个正方形网格阵，如图2。测量时使用万用表逐点测量各点电位值，并记录。3、按图2连接好电路，先测稳压源输出电压，估算三用表测量误差。四、测量数据：平行板电容器：u = (v)一二三四五六七八九十12345678910加盖槽形导体：u = (v)一二三四五六七八九十12345678910五、 几个问题：本实验方法很简朴，但是一个工程上很有效的一种方法。因此，除测出所需点电位分布外，还要进一步理解有关的一些问题。在做实验报告时除一般规定内容数据外，还要回答下列问题：a) 将平行板电容器的被测模型所测的数据画出距离电位图象，与平行板电容器理论上的电位距离比较，并解释为什么在Y=0及Y=10厘米附近（“电极”附近）电位有急剧变化。b) 若要模拟有边沿效应的情况，其被测模型应如何改变？c) 根据所测得的边界条件数据，编程算出加盖模型空间内X=3、Y=7（厘米）点电场的近似值E（3、7）=？若要精确求出各点电场值，实验应当如何改善？d) 导致本实验误差的因素有哪些？应如何克服？e) 假如想要模拟三维边值型静电场，你认为可以采用什么方法？ 平面电磁波的反射和干涉实验一、 实验目的：运用平面线极化电磁波投射到介质板上产生反射波和投射波的干涉现象来了解平面电磁波传播的一些基本特性。运用干涉条纹（即空间驻波）的分布可以学习一种测量微波波长的方法，观测在介质中电磁波的传播从而测量其相对介电常数。二、 实验原理：与光学麦克尔逊干涉仪基本原理相同，只是采用微波（厘米级）代替光波（微米级）而已。如图示： B A 微波源 由发射喇叭发射的平面线极化电磁波，射向与电磁波传播方向成45度的半透明介质板P，其中一部分电磁波被P反射，向活动金属板A方向传播，而另一部分电磁波透射过P板向固定金属板B方向传播。此电磁波被分为极化方向一致而传播方向垂直的两束电磁波。因此半透明反射板也被称为分束板。为使得入射的电磁波被分为振幅近似相等的两束波，以提高实验效果，故将反射介质板采用两层介质板构成。如图31所示，被分束后的两束电磁波各自碰到金属板发射回分束板，再经反射或透射后有一部份分别进入接受喇叭天线。由于第和第两束波所通过的途径各不相同，而分束板对两路信号的作用是相同的。因此接受喇叭天线所接受的信号值与A、B两板的位置和其途径中有无其他材料有关。当两束波经不同途径所引起的相位差为2的整数倍时，两波相迭加干涉加强。当其相位为的整齐次倍时，两波相干涉减弱，假如入射波波长为，两波之波程差为。当 =K K=0，1，2，时接受天线检波后电流表有极大指示。当 = K=1，2，3 时接受天线检波后电流表有极小指示。假如B板固定不变，从端点移动A板来改变波程差 ，当出现电流表指示极小时，A板位置在某处（由千分尺读出），再同方向继续移动A板又再次出现电流表指示极小时，A板的移动位置改变恰好为/2。继续同方向移动A板，当其指示的m+1个极小点时移动距离就为m/2个波长，由此可测出微波源的波长。在实验时也可以测量其极大值点，但通常测极小点比极大点准确。相对介电常数的测量原理如下：在图31中，固定反射板B前插入一块介电常数为的介质板。这时在这一路经中电磁波传播的波程改变了，由于插有介质板的这一路电磁波波程增长了。 =2d（-1）这样必然改变了本来两束波相干的极小点位置。如将可移动金属板A向后移动，使得=则回到本来同级的极小点。测得与介质板厚度d后可由下列公式求出 。=d（-1）三、实验内容：实验装置如图31所示，微波源与各透射板、反射板有足够的距离以保证近似为平面波。分束板应与入射电磁波成，与两反射板也成，A、B两反射板互相垂直。1、分别调整微波源的发射角度和仰角，使接受天线和发射天线在同一平面。并注意接受与发射有相同的极化面。2、 好移动反射板A，观测接受信号强弱变化，要使其相干加强时尽也许的电表指示最大，相抵消时尽也许的指示最小。（通常使其电表最大指示与最小指示之比在10比1以上）3、调节可移动反射板A，测出电流表指示极小点时A板的位置S0、S1、S2、S3、。，后求出电磁波的波长。4、小心在固定反射板前插入介质板后相应的同级极小点相应位置及移动距离，用千分尺测出介质板厚度d。求出数值。注：公式=d（-1）是在忽略介质板表面反射时得出的。测极小值A板位置时有时感到不够锋利，可以测量极小点两边变化较灵敏的点然后再解决。四、实验数据：A板位置 S0 S1 S2 S3 S4千分尺 = d= = = 四、心得收获：电磁波的极化实验一、 实验目的：1、 学习电磁波极化的测量方法2、 学会判读线极化波，园极化波的方法二、 实验原理：平面电磁波沿轴线前进没有分量，一般具有分量和分量，假如分量为零，只有分量我们称其为X方向线极化。假如只有分量而没有分量我们称其为Y方向线极化。在一般情况下， 和 都存在，在接受此电磁波时，将得到包含水平与垂直两个分量的电磁波。假如此两个分量的电磁波的振幅和相位不同时，可以得到各种不同极化形式的电磁波。1、假如此电磁波的 分量为：=cos（t+-kz） 其中 分量为：=cos（t+-kz）、为初相位，K=。假如等于，或 与相位差为2n时，其合成电场为线极化波，其幅度为：=cos（t-kz+）电场分量与X轴的夹角为：tg=常数 2、假如与相差或相角，则：=cos（t-kz+）=cos（t-kz+）合成电磁场为：=常数它的方向是：tg=tg(t-kz+)=t-kz+表达合成场振幅不随时间变化，其方向是随时间而旋转的圆极化波。 3、 假如其相位不为，也不是、时，合成波为椭圆极化波。三、实验内容及装置： 实验装置如图2-1所示： 1，微波源 2，隔离器 3，负载 4，可变衰减器 5，T接头 6，喇叭 7，喇叭 8，可变相移器 9，喇叭 10，检波器 11，指示电表 T型接头用以将传来的微波功率提成等强度的两束波。 衰减器用以调节此支路中的功率强弱。 相移器用以调节此支路中的初相位，从而产生相位的变化。 一方面用金属板挡住喇叭6，转动接受喇叭9测出喇叭7的辐射图（线极化）。 2，用金属板挡住喇叭7，运用接受喇叭9测出喇叭6的辐射图（线极化） 3，喇叭6和喇叭7同时辐射，使喇叭9在水平方向和垂直方向指示相同（不同时可调节衰减器改变两束波的振幅使其相等）测其合成幅图，再调节相移器测出园极化和不同的移量时的椭圆极化图像。四、说明： 将实验测量所得的图形与教材上所示结果对比，说明两者不同的因素，并将此说明写在实验报告上。 图二，理论极化图与相应实测极化图像。其中如图二所示A为椭圆长轴，B为椭圆短轴。其所测图像中A为椭圆长轴，B为椭圆短轴。当B等于零时为线极化波，B等于A时为园极化波。五、实验数据： 线极化：010203040506070809010011012013014015016017018067 圆极化： 0102030405060708090100110120130140150160170180六、 作业：双导线传输线阻抗测量与阻抗匹配实验 一、 实验目的：熟悉双导线传输线上的三种工作状态；学会双导线测量与单枝节匹配。二、 实验内容：1、 观测双导线传输线接不同负载时传输线上工作状态。2、 测量双导线传输线的负载阻抗。3、 用单枝节对负载阻抗进行阻抗匹配。三、 实验设备：米波信号源、长线盒、驻波表、单枝节匹配器、天线、短路片、240电阻。四、 实验环节：1、 负载端短路（接短路片），从负载端开始，用驻波表每10CM测一个值（测前先调节驻波表后面电位器，使驻波表沿线最大指示电流大约为80A，），共测12个点，填入下表： 驻波表位置（A）找两个相邻的电压波节点，运用支柱法测信号源波长： =（）（）= Cm短路点 2、负载端开路，用驻波表测量驻波电压沿线分布，从开路端开始，用驻波表每10CM测一个值，共测12个点，填入下表：驻波表位置（A）3、 负载端接240电阻，用驻波表测量驻波电压沿线分布，从负载端开始，用驻波表每10CM测一个值，共测12个点，填入下表：驻波表位置（A）4、负载端接天线，用驻波表测量最大电压与最小电压，求出驻波系数： = 用圆图读出天线的负载阻抗=方法：用驻波表从天线端开始，找到第一个电压波节点的位置，在长线盒上读出到天线的距离d，换算为电长度d/，由电压波节点开始，向负载方向转d/电长度，到A点（天线）。连接OA与圆交于点，则：= （）5、 单枝节对进行阻抗匹配：方法：在圆上找相应与的导纳点，延长连线与电长度圆交于1点，由点向源方向转动，与匹配圆（）交于D、E两点，连接圆心与E并延长到2点，1到2的电长度为，则枝节位置d=；过E点得虚部+jB，找与其相应的虚部jB，相应电长度点为3。由短路点到3的电长度为，枝节长度，将枝节长度调节为，插入距离天线d的位置上，此时用驻波表测最大电压和最小电压，算出驻波系数。（规定.2）五、 实验报告：1、 三种工作状态驻波波形。2、 测天线，；枝节匹配的d、值。3、 实验心得。