工程电磁场与电磁波实验指导书

《工程电磁场与电磁波》

实验指导书

微波分光仪简介

一、微波分光仪概述

DH926B型微波分光仪是用来进行有关电磁波的反射、衍射（绕射）、干涉和极化等方面的实验演示及测试的系统。它由分度转台、3cm微波固态信号源、反射板、介质板、喇叭、微安表组成。

二、微波分光仪工作原理

微波虽然有和光波不同的地方，但就电磁波的本质来说，它们具有波动的某些共同特点，如反射、折射、绕射、干涉、偏振以及能量传递等。我们正是充分利用微波的准光特性，模仿光学实验的基本方法，开展了下列几个极有意义的实验，以培养学生的基本技能和加深对电磁波的认识。

三、微波分光仪系统主要组成

DH926B微波分光仪系统主要由DH926B微波分光仪及DH1121B型三厘米固态信号源组成。

1．DH926B型微波分光仪的主要配件

序号 名称 数量

1分度转台 1

2喇叭天线 2

3可变衰减器 1

4晶体检波器 1

5视频电缆 1

6金属反射板 2

7单缝板 1

8双缝板 1

9半透射板 1

10模拟晶体（模拟晶体及支架） 1

11读数机构 1

12支座 1

13支柱 4

14模片 1

15技术说明书 1

3．DH1121B型三厘米微波固态信号源的主要配件

序号 名称 数量

1主机电源 1

2振荡器/隔离器单元 1

3技术说明书 1

4保险丝管（0.5A，1A） 各1

5电源线 1

6技术说明书 1

其中，DH1121B型的三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长（出厂时信号调在32mm

λ=上），这种微波信号就相当于光学实验中要求的单色光束。三厘米固态振荡器上的调节千分尺是用来调节振荡器的频率的。

DH926B型微波分光仪的喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是20°，E面是16°。当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏振方向是垂直于水平面的；可变衰减器用来调节微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大；晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号（当微波信号幅度用低频信号调制时）。

安装于分光仪旋转臂上的微安表是用来显示晶体检波器的检波电流的，一般情况下，由于微波功率很小，检波器的检波电流与接收喇叭所接收的功率成正比，及与接收电场幅值的平方成正比，也就是满足平方律检波。

注意：当以上这些元件连接时，各波导端口应对齐。如果连接不正确，则信号传输可能受到影响。

四、机械结构的安装与调整

本DH926B型微波分光仪分度转台的安装与调整已经完成，并放置在实验桌上，请同学们自行熟悉仪器，不要随意改动设置。

DH1121B型三厘米固态信号源的安装在DH926B型微波分光仪喇叭天线和可变衰减器后面。如要改变频率（或波长）参数，请参照波长表设定。

五、3cm固态信号源的基本操作规程

(1)开机前先不要连接振荡器的连线（取下“输出”）插座（？），打开电源，状态选“等幅”，电压表应指示12V，检查电流应接近于零。符号===è表示电源工作正常。为了防止意外，如需重新连线，应先关断电源，连好后再打开电源，此时信号源可以正常工作。

(2)每次开机前将衰减器调节至衰减最大（即将衰减器上的千分尺顺时针调节至极限），这是出于保护微安表的考虑。

(3)通过调节衰减器来控制发射喇叭天线的辐射功率，这可以通过与接收喇叭相连的晶体检波器的检波电流的大小来表示，一般情况下为了保证测量的精

μ左右；

度，检波电流指示控制在80A

(4)每次实验完毕，关断电源，并将检波器衰减调节至衰减最大。

实验一 电磁波反射实验

1．

实验目的

通过实验观察测量电磁波在传播方向上遇到金属或其它媒质，所产生的反射现象及规律。

2． 实验原理

x

图1 电磁波的反射

反射平面（图1）上半空间入射波与反射波的合成电场为

(,)jβξjβξE x z E e E e ′+???=+

在直角坐标系下

sin cos ξx θz θ=+ sin cos ξx θz θ′′′=?

在0z =的理想导体平面上，电场的切向分量应该为零，即(,0)0x E x =

sin sin (,0)cos cos 0jβx θjβx θx E x E θe E θe +???′=?=

要使上式成立，只有θθ′=，E E +?=。

3． 系统构建

(1) 将两个矩形角锥喇叭分别安装于分光仪的固定臂和旋转臂上，调节喇叭保证它们的口径面相互对准，即两个喇叭位置的指针分别指在工作台900刻度线处。或利用辐射电磁波进行调整，转动活动臂使微安表指示最大的位置，一般就表明两个喇叭口面对准了；

(2) 安装金属反射板，使反射板与支座上的一对刻度线平行，此时小平台上00刻度就与金属反射板的法线方向一致。

图2 反射实验系统

4． 实验步骤

(1) 按照信号源操作规程接通电源；

(2) 安装反射板，使反射板与刻度盘上的090刻度一致，此时刻度盘与反射板的法线方向一致；

(3) 转动工作台使入射角为030（即固定臂指针指向300刻度）； (4) 调节衰减器使微安表的读数大小合适；

(5) 转动活动臂使微安计的指示最大，活动臂上指针所指读数即为反射角，这时调节衰减器使微安表读数为80A μ；

(6) 重复步骤（3）、（4）、（5）使入射角在003065:之间变化，测出不同情况下的反射角。

5． 实验报告

(1) 整理数据，列表说明； (2) 分析误差存在的原因；

6． 实验前的准备

(1) 到实验室熟悉所用元器件；

(2) 复习与实验内容相关的课堂教学内容。

实验二 单缝衍射

1．

实验目的

通过实验了解电磁波的衍射（绕射）现象，掌握衍射规律。

2． 实验原理

如图2所示，电磁波入射到缝隙上，

在缝隙上产生等效磁流，该等效磁流与入射场的幅度成正比，金属板背面的电磁场可以等效为该等效磁流的辐射，辐射幅度的大小与角度?的关系为

sin[(sin )/2]E ka φ∝

当

sin[(sin )/2]0ka φ=

即

(sin )2ka φnπ=，sin 22

λ

a φ=时衍射场出现一级极小值 当

sin[(sin )/2]1ka φ=

即

(sin )(22πka φn =+ sin (22

λ

a φn =+时衍射场出现一级极大值。

3．实验系统构建

(1) 发射和接收喇叭的安装与实验一相同；

(2) 调节单缝铝板，使缝的宽度为32mm ，或64mm ；

(3) 将单缝板安装到支座上，使铝板平面与小圆盘上的某一对刻度线一致，

图2 单缝衍射

z

90刻度的一对线一致；

此刻度线应与工作台上的0

180处，此时小平台的00就是

(4) 转动小平台使固定臂的指针指向小平台的0

缝隙平面的法线方向

图4 单缝衍射实验系统及单缝板

3．实验步骤

(1) 按照信号源操作规程接通电源；

(2) 调节衰减器使微安表的读数指示合适（如80μA）；

(3) 从衍射角00开始，每改变01读取一次表头读数，并记录下来。做完

实验后关闭电源，将衰减器的衰减调至最大。

4．实验报告

(1) 整理数据，绘出曲线。

(2)标注一级极小，一级极大的角度。

(3)对实验现象的分析和讨论。

实验三 双缝干涉

1、实验目的

通过实验观察并测量双缝干涉的现象及特性。

2、实验原理

如图3所示，在一块金属板上相隔b 有两个宽度同为a 的缝隙，当电磁波垂直入射到该金属板时，在两个缝上均产生感应磁流，这两个缝隙可以看成为两个天线，金属板背面的场是这两个缝隙辐射场的叠加（干涉的结果）。

当b 的值较大时，即忽略两个缝隙之间的相互影响，则金属背面的场为

12E E E =+w v v

其中1E v 和2E v

分别为两个缝隙辐射的场，因为金属板与入射线垂直，则两个缝

隙上的感应磁流相同，即

121111

[()sin ]()sin 1111[()sin ]/2

1{}[1] 2sin[()sin ]

jkr jkr jkr jk r a b jkr jk a b jkr j k a b E E e E e E e e E e e jE e

e

k a b ??θθ?????+?+?+=+=+=+=+

则总场的幅度为

12sin[()sin E E k a b θ=+

因此当

sin[()sin ]/21k a b θ+=

即

[()sin ]/2(21)/2k a b n θπ+=+，

121sin 2n a b

λ

??+=+

图5 双缝干涉

时，总场（干涉场）出现加强） 当

sin[()sin ]/20k a b θ+=

即

[()sin ]/2k a b n θπ+=，

1sin [a b

λ

??=+

时，总场（干涉场）出现减弱。

3、实验系统构建

(1) 发射、接收喇叭安装同实验一，取工作波长32mm λ=； (2) 调节双缝铝板，使缝的宽度为40a mm =，130b mm =；

(3) 将双缝板安装到支座上，使铝板平面与小圆盘上的某一对刻度线一致，此刻度线应与工作台上的090刻度的一对线一致；

(4) 转动小平台使固定臂的指针指向小平台的0180处，此时小平台的00就是缝隙平面的法线方向；

图6 双缝干涉实验系统及双缝板

4、实验步骤

(1) 按照信号源操作规程接通电源；

(2) 调节衰减器使微安表的读数指到合适位置（80μA）；

(3) 从衍射角00开始，每改变01读取一次表头读数，并记录下来。做完实验后关闭电源，将衰减器的衰减调至最大。

5、实验报告

(1) 整理数据，绘出曲线。

(2) 标注一级极小，一级极大的角度。

(3)对实验现象的分析和讨论。

实验四迈克尔逊干涉

1、实验目的

通过实验观察迈克尔逊干涉现象，掌握利用迈克尔逊干涉测量波长的方法。

2、实验原理

图7 迈克尔逊干涉

45夹角的低损如图7所示，在平面电磁波前进的方向放置一块与传播方向成0

耗介质板（实验中用玻璃板），由于该介质板的作用，将入射的电磁波分成为两束，一束穿透介质板继续前进，向反射板B方向传播,另外一束被介质板反射后向反射板A方向传播。到达可移动反射板B的波，被反射板B反射后，又到达介质板，其中一部分被介质板反射后到达接收喇叭；而到达反射板A的波，被反射板A反射后，又到达介质板，其中一部分穿过介质板也到达接收喇叭，因此接收喇叭接收到的是这两束电磁波的和，当两束电磁波的传播路程相同，或相差波长的整数倍时，接收喇叭接收的信号最强，当它们传播的路程相差为半波长的奇数倍时，接收喇叭接收到的信号最弱。通过移动反射板B，可以改变这两束电磁波的传播路程，使得接收喇叭接收到的信号由弱变强，或由强变弱，测得两个相邻最强或最弱时反射板所移动的距离L，就可以得到电磁波的波长，即λ=

2L

3、实验系统构建

(1) 发射、接收喇叭安装与前边实验相同；

(2) 使两个喇叭位置互成900；

(3) 介质板与两个喇叭的轴线互成450；

(4) 安装读数机构，将其固定在底座上，并插上金属反射板。

图8 迈克尔逊干涉实验系统

5、实验步骤

(1) 按照信号源操作规程接通电源；

(4)调节衰减器使微安表的读数指示合适（如80μA）；

(3)操作传动机构，使反射板移动，若微安表指示最小时，记录下读数机构的读数，再缓慢移动反射板到下一个最小值，……。

6、实验报告

整理数据，计算波长并讨论实验现象。

实验五 偏振（极化）（一）

1、实验目的

通过实验观察、测量电磁波的偏振（极化）特性。

2、实验原理

平面电磁波是横波，它的电场强度矢量E 和波的传播方向垂直。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。在光学中也叫线偏振波。电磁场沿某一方向的能量有2sin φ的关系。这就是光学中的马吕斯(Malus)定律：20cos I I φ=，式中0I 为初始偏振光的强度，I 为偏振光的强度，φ是I 与0I 间的夹角。

图9 收发喇叭天线的极化

如图9所示，矩形角锥喇叭天线所发射出来的电磁波属于线极化波，极化方向与矩形喇叭宽边垂直，同时矩形角锥喇叭天线也只能接收与其宽边垂直的电磁波，如果两个喇叭之间有一个夹角?，则接收喇叭所接收到的电磁波的电场为

0cos E E ?=

20cos P P ?=

其中0E 和0P 为分别为接收喇叭极化相同时所接收到的电场和功率。

3、实验系统构建

(1)喇叭安装同实验一；

(2)保证两个喇叭的轴线与工作台面平行；

(3) 松开平台中心三个十字槽螺钉，取下工作台。

4、实验步骤

(1) 按照信号源操作规程接通电源；

(2)调节衰减器，使微安表的读数指示合适（如80μA）；

(5)旋转接收喇叭（改变接收喇叭的极化方向），并记录每一个角度微安表的读数。

(6)实验结束，将衰减器调节至衰减最大，关闭电源。

5、实验报告

Iφ曲线。

绘出~

对实验现象的分析和讨论。

实验六 偏振（极化）（二）

1、实验目的

通过实验掌握利用极化栅产生圆极化的方法，掌握圆极化的特性及检测技术。

2、实验原理

如图10所示，将发射喇叭旋转450，则发射喇叭辐射的电磁波可以分解为水平极化和垂直极化波。由实验四已知，从发射喇叭发出的电磁波被介质板（此实验为玻璃板）分成两束波，一束为反射波，这部分波到达栅板1，栅板1只能将电场与金属丝平行的电磁波反射，而电场与金属丝垂直的电磁波则顺利穿过极化栅板，被后面的吸波材料吸收，被栅板1反射回来的电磁波，部分透过介质板到达接收喇叭，这部分电磁波为垂直极化波；同理，另一束从发射喇叭发出的电磁波，透过介质板直接传输到栅板2，电场与栅板2金属丝平行的部分被反射，垂直的部分透过金属栅被其后面的吸波材料吸收，反射回来的电磁波，部分被介质板反射到达接收喇叭，这部分电磁波为水平极化波，这样接收喇叭接收到的电磁波分别为栅板1和栅板2反射的电磁波，它们的极化方向相互垂直，幅度相同，再前后移动栅板2或栅板1，可以使它们的相位差达到90度，形成圆极化。

E //

i E i

E X

X

金属丝栅条

图10 圆极化波的产生及检测

3、实验系统构建

(1) 安装喇叭天线，使发射喇叭（固定臂）和接收喇叭（旋转臂）之间互成900，两个喇叭极化方向一致；

(2) 安装极化栅板，一个极化栅板（如板1）为固定安装，另一个则安装于读数器上，读数器安装于分光仪的指定位置，使极化栅板面与两个喇叭的轴线分别垂直，两个极化栅板的金属丝方向互相垂直；

(3) 安装介质板，使介质板与两个喇叭的轴线互成450。

图11 圆极化实验系统

4、实验步骤

(1) 按照信号源操作规程接通电源；

(2)调节衰减器的衰减量，使微安表的读数合适（如80微安）； (3)旋转发射喇叭的极化方向为450；

(4)在00到900之间旋转接收喇叭，将出现在任意角度下αE E ⊥≤（或//E ），这时改变金属栅2的位置，使得//αE E E ⊥==，这样就实现了两个波的相位差为090±，得到圆极化波；

(5)由于测试条件的限制，αE 和E ⊥、//E 不能完全相等，当接收喇叭在

00~360旋转时，总会出现检波电压波动；但当min max /0.93E E ∝≥时，即椭圆度为0.93时，可以认为基本实现了圆极化波；

(6)旋转接收喇叭记下不同角度的检波电流，求出圆极化波的椭圆度； (7)实验结束，将衰减器调节至衰减最大，关闭电源。

5、实验报告

(1) 整理数据，绘出曲线； (2) 分析实验数据，得出结论； (3)对实验现象的分析和讨论。

实验七、左旋/右旋圆极化波

1、实验目的

通过实验观察测试左旋/右旋圆极化电磁波的特性，掌握利用介质片及圆波导产生圆极化波的方法。

2、实验原理

本实验主要使用DH30002型电磁波极化天线（如图12）和DH926B 型微波分光仪。

图12 DH30002型电磁波极化天线

10

11E 介质片

图13 DH30002型电磁波圆极化天线的工作原理

电磁波极化天线DH30002是由方圆波导转换、介质圆波导和圆锥喇叭组成。

介质圆波导可作360o

旋转，并有刻度指示给出转动的角度，当矩形波导中的TE 10

波经方圆波导转换到圆波导口面时，就过渡为圆波导的TE 11波，并可在介质圆波导内分成两个分量的波，即电场垂直于介质片平面的波和电场平行于介质面的波。本系统设计为频率在9370M H z （即32mm λ=）左右，使两个分量的波相位差