北邮-电磁场电磁波实验报告合集版.doc

北京邮电大学电磁场与微波测量实验报告学院：电子工程学院班级：组员： 实验一 微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量一、 实验目的：（1）学习微波的基本知识；（2）了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术；（3）学习用微波作为观测手段来研究物理现象。二、 实验原理：本实验接触到的基本仪器室驻波测量线系统，用于驻波中电磁场分布情况的测量。该系统由以下九个部分组成：1.波导测量线装置2.晶体检波器微波测量中，为指示波导（或同轴线）中电磁场强度的大小，是将它经过晶体二极管检波变成低频信号或直流电流，用直流电流表的电流I来读数的。3.波导管本实验所使用的波导管型号为BJ-100。4.隔离器位于磁场中的某些铁氧化体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性，隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输的作用。5.衰减器把一片能吸微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率从以及去耦合的作用。6.谐振式频率计（波长表）电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本不影响波导中波的传输。当电磁波的频率计满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。7.匹配负载波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。8.环形器它是使微波能量按一定顺序传输的铁氧体器件。主要结构为波导Y型接头，在接头中心放一铁氧体圆柱（或三角形铁氧体块），在接头外面有“U”形永磁铁，它提供恒定磁场H0。9.单螺调配器插入矩形波导中的一个深度可以调节的螺钉，并沿着矩形波导宽壁中心的无辐射缝作纵向移动，通过调节探针的位置使负载与传输线达到匹配状态。调匹配过程的实质，就是使调配器产生一个反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射而达到匹配。10.微波源提供所需微波信号，频率范围在8.6-9.6GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。11.选频放大器用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。三、实验方法和步骤：1.观察测量系统的微波仪器连接装置，衰减器，波长计，波导测量线的结构形式。2.熟悉信号源的使用先将信号源的工作方式选为：等幅位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；再将信号源的工作方式选为：方波位置，将衰减至于较大位置，输出端接相应指示器，观察输出；3.熟悉选聘放大器的使用；4.熟悉谐振腔波长计的使用方法；微波的频率测量是微波测量的基本内容之一。其测量方法有两种：（1）谐振腔法；（2）频率比较法。本实验采用谐振腔法。由于波长和平率直接满足关系，所以频率和波长的测量是等效的。吸收式波长计的谐振腔，其只有一个输入端和能量传输线路相连，调谐过程可以从能量传输线路接收端指示器读数的降低可以判断出来；本实验采用了吸收式波长计测量信号源频率从，为了确定谐振频率，用波长表测出微波信号源的频率。具体做法是：旋转波长表的测微头，当波长表与被测频率谐振时，将出现波峰。反映在建波指示器上的指示是一跌落点，此时，读出波长表测微头的读数，再从波长表频率与刻度曲线上查出对应的频率；5.按实验书框图连接微波实验系统；6.微调单旋调配器，事腔偏离匹配状态（出于匹配状态时，电流会达到一个最小值），检波电流计上有一定示数（大于最小值）；7.调节波长计使检波电流计再次出现最小值的时候，读出此处波长计的刻度值；8.按照波长计的刻度值去查找“波长计-频率刻度对照表”，就可以得到对应的信号源频率值；9.改变信号频率，从8.6G开始测到9.6G，每隔0.1G测量一次，记录在数据表格中。四、实验结果与分析:表格数据结果如下图所示：信号源频率值/GHZ波长表读数查表得到频率信号源误差误差（%）8.612.618.5970.0030.0358.711.248.6930.0070.0808.810.038.7890.0110.1258.98.888.8900.010.1129.07.898.9860.0140.1569.16.9859.0820.0180.1979.26.0659.1880.0120.1309.35.089.3120.0120.1299.44.489.3930.0070.0749.53.719.5070.0070.0749.63.099.6030.0030.031误差分析：1.f0为信号源频率值；f1为查表得到频率；f=|f0-f1|为信号源误差。本实验的数据如表格中所示：f=|f0-f1|的误差很小在可控范围0.0030.018内，所以认为实验成功。2.产生误差原因：仪器测量自身老旧产生的误差；人为误差：在读数据时需要几个人的配合，调节波长表的测微头，观察电流表指针变化是两个人，会使导致数据出现误差，加之在读数上也会有不可避免的人为误差； 五、心得与体会: 本次实验为电磁场与微波测量实验的第一个实验：微波测量系统的使用，这个实验较为简单，主要误差还是出现在读数阶段，本实验我们用到了新的仪器，因而在对仪器的了解与掌握上花了一点时间，不过经过努力，我们完成了实验目标，达到了实验目的，同时对新的实验仪器也有了更好的掌握。总之，这次实验我们受益良多。实验三 电磁波的双缝干涉实验一、实验目的掌握来自双缝的两束中央衍射波相互干涉的影响。二、实验设备S426型分光仪三、实验原理图3.1 双缝干涉如图3.1所示，当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝，则每一条狭键就是次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板的背后面空间中，将产生干涉现象。当然，光通过每个缝也有衍射现象，因此实验将是衍射和干涉两者结合的结果。为了只研究主要是由于来自双缝的两束中央衍射波相互干涉的结果，需令双缝的缝宽接近，例如：，这时单缝的一级极小接近530。因此取较大的，则干涉强度受缝衍射的影响小，当较小时，干涉强度受单缝衍射影响大。 干涉加强的角度为：，式中K=l、2、；干涉减弱的角度为：式中K=l、2、。四、 实验内容及步骤1、 如图3.2连接仪器； 图3.2 双缝干涉实验系统2、调节双缝板，使缝的宽度为合适值。3、将双缝安装到支座上，使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致，此刻线应与工作平台上的900刻度的一对线一致。4、转动小平台使固定臂的指针在小平台的1800处，此时小平台的00就是狭缝平面的法线方向。5、 按信号源操作规程接通电源，调节衰减器使信号电平读数指示接近满度。6、从衍射角00开始，在双缝的两侧使衍射角每改变10读取一次表头读数，并记录下来（注：由于衍射板横向尺寸小，所以当b取得较大时，为了避免接收喇叭直接收到发射喇叭的发射波或通过板的边缘过来的波，活动臂的转动角度应小些。）7、实验结束，关闭电源，将衰减器的衰减调至最大。五、 实验结果及分析（1）双缝干涉实验：角度（）左侧干涉强度（）右侧干涉强度（）09696185952809036579455635314062022710118259241057111815122316133438144246154444164060175562186070196368206566214042222125232016241310255926892710112891029810306631443234333634412 由以上数据可知，实验测得一级极大干涉角在20附近，一级极小干涉角在29附近。 ，代入公式得理论值一级极大干涉角，一级极小干涉角。干涉曲线如理论极大实际极大理论极小实际极小左侧15.472023.5825右侧15.471823.5824 （2）双缝干涉实验：角度（）左侧干涉强度（）右侧干涉强度（）08282164802587834250444365202068107238019001001114412811131620142134152744163650174850185260195062204562214251223235232423241011254326112710280029003011311232123312343335811 由以上数据可知，实验测量得一级极大干涉角在20附近，一级极小干涉角在34附近。 若用理论值计算，代入公式得理论值一级极大干涉角，一级极小干涉角。干涉曲线如下图所示：理论极大实际极大理论极小实际极小左侧18.661828.6928右侧18.662028.6928（3）双缝干涉实验：角度（）左侧干涉强度（）右侧干涉强度（）09090188882808637282468845648064882730788126095401011411131221136014100151811630217388185024196244206058215862226366235270244468253662263250273241283732293730304031314438324250333458342056356503613837020380839224043412442034301由以上数据可知，实验测量得一级极大干涉角在23附近，一级极小干涉角在38附近。 若用理论值计算，代入公式得理论值一级极大干涉角，一级极小干涉角。干涉曲线如下图所示理论极大实际极大理论极小实际极小左侧23.582236.8737右侧23.582336.8739一、 误差分析由实验值与理论值比较可得，第一次实验一级极大与一级极小实验值与理论值都有较大差距，但第二次实验与第三次实验一级极大与一级极小实验值与理论值差距不大，基本吻合。原因可能是实验过程中隔壁组实验仪器的干扰，周围人员的走动都会对实验结果造成影响，测量造成的误差对实验结果的影响更是不容忽视。 思考题（1）试阐述a、b变化对干涉产生的影响。答：当缝的大小a很大时光线直接穿过双狭缝，出现在屏上的是一亮斑而不是干涉条纹，随着缝的大小a减小，屏上开始慢慢出现了干涉条纹，当缝的大小继续减小时，屏上的图像不单只是干涉图样，还出现了另一种光的相干叠加现象衍射。在单色光照射时，在保持其他参数不变的条件下，只改变双缝间距b，随着 b依次增大时，干涉条纹的缝宽应变窄，条纹变密.（2）假设b趋近于0，实验结果的变化趋势如何？答：若b趋近于0，则干涉现象越来越不明显，如果缝宽足够小，则类似于单缝衍射实验。实验四 迈克尔逊干涉实验一、实验目的掌握电磁波波长的测量方法二，预习内容迈克尔孙干涉现象。三、实验仪器和设备S426型分光仪 1台四、实验原理迈克尔逊干涉实验的基本原理见图1，在平面波前进的方向上放置成450的半透射板。由于该板的作用，将入射波分成两束波，一束向A方向传播，另一束向B方向传播。由于A、B处全反射板的作用，两列波就再次回到半透射板并到达接收喇叭处。于是接收喇叭收到两束同频率，振动方向一致的两个波。如果这两个波的位相差为2的整数倍。则干涉加强；当位相差为的奇数倍则干涉 A(固定反射板) 发射喇叭 接收喇叭 B(可移反射板)图1：迈克尔逊干涉实验减弱。因此在A处放一固定板，让B处的反射板移动，当表头指示从一次极小变到又一次极小时，则 B处的反射板就移动2的距离因此有这个距离就可求得平面波的波长。五、实验内容及步骤1.使两喇叭口面互成900。半透射板与两喇叭轴线互成450。2.将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上，使其固定在底座上。3.插上反射板，使固定反射板的法线与接受喇叭的轴线一致，可移反射板的法钱与发射喇叭轴线一致。4.实验时将可移反射板移到读数机构的一端，在此附近测出一个极小的位置，然后旋转读数机构上的手柄使反射扳移动，从表头上测出（n1）个极小值，并同时从读数机构上得到相应的位移读数，从而求得可移反射板的移动距离L。则波长实验仪器布置如上图。六、实验报告（1）平面波波长：=2*(D4-D1)/31(mm)2(mm)3(mm)D17.8547.5677.866D224.78925.23325.102D341.23442.13942.361D459.21860.10260.145波长/mm34.24335.02334.853波长平均值/mm34.706（2）计算传播常数K=2/=181.04误差分析：理论上波长应为32mm，测出的波长为34.706mm，比理论值大，但考虑到测量误差及周围环境对实验的影响，本实验的实验值还是在误差的允许范围内。思考题：（1）测量波长时，介质板位置如果旋转90度，将会出现什么现象，能否准确测量波长？依然可以产生相互干涉，但是由于第二路径的波的传播路径极长，衰减较大，所以，产生的干涉不是十分的明显。测量可能不够准确。（2）如何测量全折射？将分光仪接受喇叭正对发送喇叭，中间放一玻璃板，不断调整入射角度直至接受喇叭端接受强度开始为零时所对应的入射角即为玻璃板全折射的最大入射角。实验五 极化实验一、实验目的验证电磁波的马吕斯定理二、实验设备S426型分光仪三、实验原理平面电磁波是横波，它的电场强度矢量E和波长的传播方向垂直。如果E在垂直于传播方向的平面内沿着一条固定的直线变化，这样的横电磁波叫线极化波。在光学中也叫偏振波。偏振波电磁场沿某一方向的能量有一定关系。这就是光学中的马吕斯定律：式中I为偏振波的强度，为I与I0间的夹角。四、实验步骤1设计利用S426型分光仪验证电磁波马吕斯定律的方案；方案：将S426型分光仪两喇叭口面互相平行，并与地面垂直，其轴线在一条直线上，由于接收喇叭是和一段旋转短波导连在一起的；在该轴承环的90度范围内，每隔5度有一刻度，接收喇叭课程从此处读取（090，以10度为步长），继而进行验证。2根据设计的方案，布置仪器，验证电磁波的马吕斯定律。实验仪器布置通过调节，使A1取一较大值，方便实验进行。然后，再利用前面推导出的，将仪器按下图布置。A1五、实验数据I（A）0102030405060708090理论值8885.3577.716651.6436.362210.292.650实验值888474604632241030经过数据分析，虽然实验值与理论值存在差距，但实验中存在周围环境干扰及读数误差等影响，实验值的误差在可允许的范围内，因此本实验验证了电磁波的马吕斯定理。六、思考题（1）垂直极化波是否能够发生折射？为什么？给出推导过程。答：不能。垂直极化波反射系数此处 由可知反射系数若要垂直极化波发生全折射，则需反射系数为0故则需，这也说明在实际情况下，垂直极化波无法发生全折射（2）本实验，水平极化和垂直极化可以调节吗?平行极化波如何调节出来，自行设计实验方案,如何验证全折射的原理？答：可以调节。如果喇叭天线窄边平行于地面，则称水平极化，如果喇叭天线宽边垂直于地面，则称垂直极化。验证电磁波全折射原理的实验方案：首先根据以下推导，求出。（相关系数可查书）极化波反射系数 =令，则平行极化波发生全折射即实验总结： 通过这三次实验，我们更加了解S426型分光仪和的使用方法，对电磁波双缝干涉现象、迈克尔逊干涉现象以及电磁波的马吕斯定律有了更加深入的了解，让我们将理论与实验相结合，让我们对电磁波的学习更加透彻与清晰。