8院《电磁场》实验指导书(新版本)

《电磁场》实验指导书

（2011年版）

廖欣编

信息与通信学院

电子科学与技术系

目录

实验守则2实验一波的干涉、极化现象的观察4实验二矩形波导（同轴线）中导行电磁波的观测9实验三微波阻抗的测量与匹配15

实验守则

电磁场实验是《电磁场》课程的重要组成部分，也是培养学生作风和实际工作能力的重要手段，因此，每个学生必须严肃认真地完成。

１．预习

实验前必须认真阅读实验指导书，写好预习报告（即实验报告内容中①、②），复习有关课程内容；做好实验前准备工作。未预习者不得上机操作。

2．实验

实验开始时要注意正确连接线路，并经实验指导老师检查后方可开始实验。

实验过程中要集中精力，要胆大心细。坚持科学态度，发现数据不合理时，应及时分析原因，必要时重测，切不可擅自修改数据。

实验完毕，将原始数据交指导老师检查，经允许后方可拆除系统。

3．实验报告

实验报告的一般内容为：

①目的要求；

②原理简述、线路（或方框图），包含主要仪器的型号、规格等；

③数据处理，包括原始数据、运算结果与误差分析，数据应尽可能整理成表格形式；

④曲线图；

⑤问题讨论、心得体会及建议等。

4．人身安全

实验中所有电子仪器绝大多数都带有高压，因此必须注意下列事项：

①实验者双手要保持干燥，鞋子要有一定绝缘性能；

②不要用手（或身体其它部位）触及带电部分；

③不准擅自打开机壳或盖板；

④一旦发生事故，要立即切断电源，采取应急措施并及时报告。

5．仪器设备

微波仪器设备和元器件价格昂贵，在使用中要多加爱护。

①使用仪器前必须了解其规格、量程和操作规程。注意不能随便玩弄和扳动仪表上的各种开关。

②挪动元器件时要轻拿轻放，不要用手接触其内表面。在调节可调元、部件（如波长计、测量线、可变衰减器等）和连接测试系统时，要平稳可靠，切不可强扭硬拧。

③仪器工作时必须有人在场。实验中随时（尤其是开机时）要注意各种仪表上的指示器及其易损部分有无异常现象，一旦发现应立即切断电源，保持现场并迅速报告。

6．注意维护实验场地的清洁。实验结束后，协同搞好卫生方可离开实验室。

实验一波的干涉、极化的观察

一、实验目的和要求

1．通过对半波振子的方向图的测试，体会电磁波的干涉现象；2．观察波的极化情况；

3．观察波沿铅垂方向的驻波分布。

二、实验原理

1．一般地说，振幅、相位、频率不相同的几个波在空间上叠加时，在某些位置上振动始终加强，而在另一些位置上，振动始终减弱，甚至完全抵消，这种现象称为波的干涉现象。

所谓半波振子天线是指全长为λ/2的对称振子。半波振子天线的方向图函数为：

θ

θπ

θsin )

cos 2cos()(=

f 它与基本振子的辐射方向图（θθsin )(=f ）显然不同，但两者的最大辐射方向和零辐射方向是一致的。

我们来分析一下两者方向图不同的原因：

如果将半波天线振子分成无数小段，每一小段看成一个基本振子，这样，半波振子在远区各点上的辐射场强，是各基本振子在该点的辐射场强的叠加。也就是说，半波振子方向图不同的原因，是由于半波振子上各基本振子辐射的电磁波相互干涉所致。

此时，各基本振子电流大小虽然不同（半波振子上的电流分布为中心向两端呈余弦分布），但相位是相同的。在θ=90°方向上，各基本振子所辐射的电磁波到点P 所经过的路径无波程差，所以，各基本振子辐射的电磁波在该点总是同相位的。同相加强，所以在θ=90°方向上半波振子的辐射最强。在其它方向上，由于各基本振子辐射的电磁波到P 点所经过的路径都有波程差，因此，其辐射到该点的电磁波相位不同，辐射总比θ=90°方向弱，在θ=0°的方向上辐射为零。

根据参加干涉的基本振子的多少和其上电流的相位关系，可以得到不同长度对程振子天线的辐射方向图函数。

通常在方向图测试时，以最大辐射方向为0°（θ=0°），相应地零辐射方向为

θ=90°。

2．对称振子与地面平行架设时，其辐射场的电场分量只有与地面平行的分量，此时，称天线为水平极化天线；二天线与地面垂直架设时，其辐射场的电场分量均位于与地面垂直的平面（子午面）上，这样的天线成为垂直极化天线。

接收天线正常情况下，极化形式一般与发射天线相同，此时，接收天线上感应电动势最大；如果收、发天线极化方向正交时，感应电动势为零，接收天线将收不到信号，系统不能正常工作。

3．当将地面看成导体（ωε

σ＞100）时，斜入射（以入射角为θ）向地面的平面

将被全部反射回去，如图1-1所示。在地面以上的空间里，由于入射波与反射波相

互干涉，合成波将不再是TEM 波，而是TE 波或者TM 波。合成场的各场分量如下：对于水平极化波：

θλθsin 0)cos sin(2jkx y e kz jE E ??=θλθθηsin 00

)cos cos cos 2jkx x e kz E E ??

=θ

λθθηsin 0

0)cos sin(sin 2jkx z e kz E

j E ??=对于垂直极化波：

θ

λθθsin 0)cos sin(cos 2jkx x e kz E j E ??=

θλθθsin 0)cos cos sin 2jkx z e kz E E ??=θλθηsin 0

)cos cos(2jkx y e kz E E ?=

由上式可见，合成波沿铅垂方向（即与地面垂直的方向）上具有驻波特性，即合成波在与地面垂直的方向上呈现驻波分布。实际上，这个驻波的形成是由于入射波和反射波在上半空间的相互干涉形成的，如果两束波在z=z ′相位相同，则两束波在这一平面上同相相加，得到驻波最大值，在这一平面上电场振幅最大；相反，如果两束波在z=z ″相位相反，则两束波在这一平面上反相相减，得到驻波波节点平面，在这一平面上电场振幅为零。相邻两个驻波相位相同点（如相邻两个驻波波节点或者相邻两个驻波最大值）平面之间的距离为驻波波长。

从场分量表示式中，我们可以求得驻波波长λs 。由驻波波长的定义可知，当kz cos

θ=2π时，z=λs ，所以有：

θ

λθπ

λcos cos 20

==

k s 因此通过测量驻波波长，就可以体会到驻波分布，从而体会到波的干涉现象。

三、实验线路及天线架设

1．实验线路

实验线路连接如图1-2。

图中，指示器为50μA 的直流电流表，放大器开关打在260MHz 档。2．天线架设

接收天线和发射天线水平等高架设，距地面2米，收、发天线间距大于10米。

四、实验步骤

1．半波振子天线方向图测量

①按要求架设天线，并按图1-2连接收、发部分电路（发射部分由实验指导老

接收天线

师完成连接）。

②开启信号源HP8684的电源（由实验老师完成），将工作频率调整到260MHz，功率13dBm(20mV)。

③接通放大器电源（注意：红色接正极、黑色接负极！！），转动接收天线，使电表指示最大。记下此最大值，该方向为最大辐射方向（θ＇=0°）。

④从θ＇=0°起，顺时针转动接收天线，每隔5°记下电表指示，直到θ＇=90°为止。

⑤将天线转回θ＇=0°起，此时，电表指示应与③中的最大值一致。然后逆时针转动天线，每隔5°记下电表指示，直到θ＇=90°为止。

2．波的极化的观察

①转动天线，使电表指示最大，记下此最大值。

②将发射天线沿与地面垂直方向旋转90°（即使之与地面垂直），记下此时电表指示。

3．观察波沿铅垂方向上的驻波分布

①将发射天线重新水平架设，转动接收天线，使电表指示最大。

②将接收天线保持与地面水平地上下垂直移动，找到相邻的两个波节点（即电表指示为最小处），记下波节点处天线距离地面的高度h1和h2。

五、数据表格和作图

1．半波振子方向图（示意表格）

θ′（+）单位：°0510 (90)

I…

I′…

'I

'

E=…

θ′（-）单位：°0510 (90)

I…

I′…

'

'I

E=…

表中，I为各θ′时电表的指示值，I′为各θ′时的相对电流值：

max

'I I I =

。

E ′为各θ′的相对场强：''I E =，此处认为晶体按平方律检波。

将以上数据在直角坐标纸上以θ′为横坐标，E ′为纵坐标，画出半波振子天线的相对场强方向图。

2．计算发射天线由水平极化变成垂直极化时，水平极化天线接收天线最大接收方向上场强下降的分贝数。水平发射时I max1垂直发射时

I max2

max

'I I I =

'

'I E =下降的分贝数

20lg E ′

3．λs 的计算

h 1h 2λs =2∣h 2-h 1∣

六、注意事项

在测方向图时要注意：

1．每次转动天线后，要保持电表指示稳定后再读数。

2．为避免对测量人为的影响，在测量过程中，人员的位置、状态应保持相对稳定。3．在θ＇从0°～±90°测量过程中，不能改变信号源输出大小。如果信号不稳定时，应暂停，待稳定后一次完成。4．在绘制方向图时要注意曲线光滑。

实验二矩形波导（同轴线）中导行电磁波的观测

一、实验目的

1．熟悉波导测量线（同轴测量线）的使用方法；

2．观测矩形波导（同轴线）终端三种状态（短路、接任意负载、匹配）时，TE 10（TEM ）波的电场分量沿轴向（半径方向）上的分布。

二、实验原理

本实验有同轴和波导两种不同的系统，见图1-1和图1-2，可任选其中一个系统完成实验。

1．传输线中的三种状态（一）同轴系统

电场基本解为z

j rm z j r e E e a b r V E ββ??==

)

/ln(0

（1）当终端接短路负载时，导行波在终端全反射——纯驻波状态。

z

E e e E E E E r z j z j r r r r βββsin 2)(00'00?=?=+=+?其模值为：z E E r r βsin 20=最大值和最小值分别为：

max

2r r

E E =0

min

=r

E （2）当终端接任意负载时，导行波在终端部分被反射——行驻波状态。

z

E e E E e E e E e E e E e E e E E r z j r r z j r z j r z j r z j r z j r z j r r ββββββββcos 2)()()('0'00'00'00'00+?=++?=+=????+?由此可见，行驻波由一行波与一驻波合成而得。其模值为：

z

E E z E E E ro r ro r r ββ22

'022'0sin )(cos )(?++=可得到最大值和最小值分别为：

'00max

r r r E E E +='0

0min

r r r

E E E ?=（3）当终端接匹配负载时，导行波仅有入射波而无反射波——行波状态。

z

j r r e E E β?=0其模值与坐标z 无关：

r r E E =（二）波导系统

电场的基本解为z

j rm z j r e E e a b r V E ββ??==

)

/ln(0

（1）当终端接短路负载时，导行波在终端全反射——纯驻波状态。

z

j y z j y y y y e x a

E e x a E E E E ββππ+??

+?=+=)sin()sin(00在2

a

x =

处z

E e e E E y z j z j y y βββsin 2)(00?=+=+?其模值为：z E E y y βsin 20=最大值和最小值分别为：

0max

2y y E E =0

min

=y

E （2）当终端接任意负载时，导行波在终端部分被反射——行驻波状态。

z j y z j y y e x a

E e x a E E ββππ)sin(

)sin('

00+=?

在2

a x =处

z

E e E E e E e E e E e E e E e E E y z j y y z

j y z j y z j y z j y z j y z j y y ββββββββcos 2)()()()'

0'00'0'0'00'00+?=++?=+=?????+?由此可见，与同轴系统一样，行驻波由一行波与一驻波合成而得。其模值为：

()

z

E E z E E

E y y y y y ββsin )(cos 2

'0022

'00

?++=

其最大值和最小值分别为：'0

0max

y y y E E E +='0

0min

y y y

E E E ?=（3）当终端接匹配负载时，导行波仅有入射波而无反射波——行波状态。

z

j y y e E E β?=0其模值为：0

y y E E =由上述两种系统的对比可知，虽然同轴系统和波导系统内的场的表达式不同，但却具有相似的形式，以下场量一一对应：

波导系统

同轴系统

统一符号

y

E r

E E

'0

y E '0r E '0E 0

y E 0

r E 0

E 所以在下面的讨论中，将下标y 和r 去掉，写成统一的形式。

由上述可知，在测量线的终端分别接上短路器、任意负载和匹配负载时，移动探针位置，都可以观测到测量线中不同位置的电场强度（复振幅大小）对应的电流指示读数。

2．由测量线的基本工作原理可知，指示器的读数I 是探针所在处|E |对应的检波电流。

任一位置处|E |与I 的对应关系应视检波晶体二极管的检波特性而定。一般，这种关系可通过对二极管的定标来确定。在我们实验中所使用的功率电平范围内，一般可近似地认为是平方律检波，即：

'

C I

E =

式中，C′为比例系数，采用归一化表示为：

I

E ='（1-1）

3．当测量线的探针插入波导时，在波导中会引入不均匀性，从而影响系统的工作状态。

探针在开槽线中与电场耦合，其效果相当于在等效传输线上并联了一个探针支路，即探针等效为一个导纳p p p jb g y ?=。其中，p g 反映探针吸收功率的大小，p b 表示在波动中产生反射的影响。在信号和测量系统匹配的条件下，由于p g 的分流作用，驻波波腹点的位置发生偏移；但当终端断路时，波节点不偏移。可见，p g 和p b 将造成误差。为了减小测量误差，必须减小或者消除p g 和p b 的影响。减小p g 的影响，可以适当减小探针插入的深度；消除p b 的影响要依靠调谐来达到。

探针的调整办法：

①在信号源有足够输出和检波指示器有足够灵敏度的条件下，应尽量取较小的探针插入深度；

②在测量系统短路时，将探针移至相邻两个波节之间正中位置（即波腹点上），调节探针的调谐活塞，直至输出指示最大。此时p b 已达到最小。

需要指出的是，当信号源的频率或探针插入深度改变时，必须重新对探针进行调整。

三、实验仪器及线路图

实验仪器和线路连接如图1-3所示。

四、实验内容与步骤

1．调整测量线

①开启信号源。注意对同轴系统的XB7信号源操作时，应先开“低压”开关，使信号源预热约20分钟后，才能打开“高压”开关；对波导系统的XB9A 信号源

操作时，直接打开电源开关即可，经过20分钟左右信号输出稳定。

②按图1-3连接实验线路图（测量线接短路器）。

③调节探针位置，使指示器读数为最大（此时探针位于波腹点）。

④调节探针插入深度，同时调整调谐活塞，使指示器读数最大，且达到满刻度的2/3量程以上。2．测量波长

用交叉读数法测量波导波长g λ，如图1-4所示。

3．测绘终端三种负载时|E ′|的分布

①测量线终端接短路器：在大约1.5个波长范围内，每半个波长范围取大约10个点，依次将探针移到这些位置上并读取测量线标尺刻度i D 与相应的指示器读数

i I ；

②测量线终端接任意负载，重复步骤①；③测量线终端接匹配负载，重复步骤①；

五、数据处理与表格

1．波导波长g λ的计算

)

()(22

2''2min '2min ''1min '1min '

'2

min '2min ''1min '1min D D D D D D D D g +?+=×+?+=λ波节点1位置（mm ）

波节点2位置（mm ）

波节点3位置（mm ）

1

g λ（mm ）

2

g λ（mm ）

g

λ（mm ）

'

1min D '

2min D '

3min D ''1

min D ''2

min D ''3

min D 1min D 2min D 3

min D

2．测绘'E 分布

①将1.5个波长内测得的i I 和对应的i D 分别记录在下表中；示意表格终端接测量点

123 (30)

i D i

I '

E ②由式（1-1）分别计算出对应的i

E '值；

③在直角坐标纸上绘出三种状态的i

E '～i D 分布曲线。

实验三微波阻抗的测量与匹配

一、实验目的

1．掌握应用测量线测量微波阻抗的原理与方法，熟悉掌握Smith 圆图的应用；2．掌握利用阻抗调配器进行阻抗匹配的方法和技巧。

二、实验原理

1．阻抗测量

由于微波系统阻抗的概念不是唯一的，所以一般并不进行阻抗绝对值的测量，而是测量其归一化阻抗。

根据Smith 圆图的原理，只要知道了终端接负载阻抗时的线上驻波比S 、线上波导波长和线上从终端到距离其第一个波节点之间的距离1min L 后（如图3-1），就可

以由圆图求得归一化阻抗L

Z ~

。在这三个数据中，由于测量线的结构限制，直接测量终端负载到第一个驻波波节点的距离1min L 是比较困难的，根据驻波分布的半波长的重复性，在实际测量中，往往采用“等效截面法”，其方法如下：

首先将终端短路，沿线的驻波分布如图3-2（a ）所示。用测量线测得其一驻波波节点位置T d ，此位置即为终端的等效位置。当终端接换被测负载时，线上的驻波分布如图3-2（b ）所示，用测量线测得T d 左边（向信号源方向）第一个驻波波节点位置min d 就是离终端负载第一个驻波波节点的位置。所以，有：

T d d L ?=min 1min 。

2．阻抗匹配

阻抗匹配的含义是使微波系统沿线没有反射，它包括对波源的匹配和对负载的

L

~

1

min

匹配。调配的方法也很多，本实验利用E-H双T接头构成的双T调配器（波导系统）和三枝节调配器（同轴系统）对负载进行调配。

调配过程的物理意义是：调节调配器，使它产生一个反射波，抵消“失配负载”在系统中引起的反射。

双T调配器的H臂和E臂内，三枝节调配器的每一个臂内，都装有可调短路器和短路活塞，改变活塞在臂中的位置，即可改变接头处的电抗值。调节这些臂的短路活塞的位置，可以对除纯电抗负载外的任意失配负载阻抗进行调配。

三、线路连接图1．阻抗测量T

min

2．阻抗调配

四、实验步骤

1．测负载阻抗

①按图3-3连接测量线路，并调整测量系统；

②在测量线终端接上短路器，用测量线测出g λ及最靠近短路器的第一个驻波波节点的位置T d ，如图3-5；

③取下短路器，接上被测失配负载，用测量线测出最靠近T d 点的驻波波节点

的位置

d 或'

d ，如图3-5所示；

则终端负载输入端到第一个驻波波节点的距离为

)(min min T d d L ?=或)

('

min 'min d d L T ?=④用测量线测出驻波最大点和最小点的电流max I 和min I ，按下式计算驻波比：

min

max

I I S =

⑤将测量得到的g λ、min L 和S 按下式计算负载阻抗归一化值L

Z ~

。)

tan()tan(1~~min min L j S L jS Z Z c

L ββ??=2．阻抗匹配

按图3-4连接测量线路，用最小点跟踪法进行调配（在调配过程中始终跟踪最

T

min

min

小点的变化），使驻波比S ≤1.1。

五、数据表格

1．阻抗测量

g

λT d min d 或'

min d min L 或'min

L S

L

Z ~2．阻抗匹配

匹配前驻波比S =匹配后驻波比'S =