实验一______电磁波参量的研究

实验一 电磁波参量的研究
1． 实验目的：
（1）在学习均匀平面电磁波特性的基础上，观察电磁波传播特性如E 、H 和S 互相垂直。

（2）熟悉并利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长λ，并确定电磁波的相位常数β和波速υ。

（3）了解电磁波的其他参量，如波阻抗η等。

2.实验原理
两束等幅、同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内以相同（或相反）方向传播时，由于初始相位不同，它们相互干涉的结果，在传播路径上，形成驻波分布。

我们正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由空间电磁波波长λ的值，再由
2π
βλ= （1-3-1）
f υλ==
2πβ 得到电磁波的主要参数：β、υ等
我们用图 1.1来说明自由空间内电磁波波长λ值的测试原理。

设入射波为:0j i i E E e βγ-=
当入射波以入射角1θ向介质板斜投射时，在分界面上产生反射波r E 和折射波i E 。

设入射波为垂直极化波，用R ⊥表示介质板的反射系数，用0T ⊥和T ε⊥表示由空气进入介质板和由介质板进入空气的折射系数。

另外，可动板2r P 和固定板1r P 都是金属板，其电场反射系数为-1，在一次近似的条件下，接受喇叭3r P 处的相干波
分别为：
110j r i E R T T E e φε-⊥⊥⊥=- 1131()r r L L L φββ=+=
220j r i E R T T E e φε-⊥⊥⊥=- 22331
()()r r r r L L L L L φββ=+=++ 其中，21L L L ∆=-
又因1L 是固定值，2L 则随可动板位移L 而变化。

当2r P 移动L 值时，使3r P 具有最大输出指示时，则有1r E 和2r E 为同相叠加；当2r P 移动L 值，使3r P 具有零值输出指示时，必有1r E
和2r E 反相。

故可采用改变2r P 的位置，使3r P 输出最大或零指示重复出现。

从而
测出电磁波的波长λ和相位常数β。

下面用数学式来表达测定波长的关系式。

在3r P 处的相干波合成 121210()i i r r r i E E E RT T E e
e φφε--⊥⊥=+=-+ 或写成 12()122102cos(
)2j r i E R T T E e φφεφφ+-⊥⊥-=- 式中12L
φφφβ=-=（1-3-2） 为测准入值，一般采用 3r P 零指示办法 ，即
cos()02φ=或(21)22n φπ
=+ n=0.1.2….. 这里n 表示相干波合成驻波场的波节点（0r E =）处。

同时，除n=0以外的n 值，又表示相干波合成驻波的半波长数。

将n=0时0r E =的驻波节点作为参考位置0l 又因2π
φλλ= （1-3-3）
故2(21)n L ππλ
+=或2(1)l n λ∆=+（1-3-4） 有式（1-3-4）可知，只要]确定驻波节点位置及波节数，就可方便地确定λ值。

相干波1r E 与2r E 的分布如图1-3-2所示，图中n=0的节点处0l 作为第一个波
节点，对其他n 值则有n=1,1022()l l l λ∆=-=,对应第二个波节点，或第一个半波长数。

n=2, 2122()l l l λ∆=-=,对应第三个波节点，或第二个半波长数。

n=3, 3222()l l l λ∆=-=,对应第四个波节点，或第三个半波长数。

n=n ，122()n n l l l λ-∆=-=,对应第n+1个波节点，或第n 个半波长数。

把以上各项相加，取波长数的平均值得02()n l l n λ-=即02()n l l n
λ-=（1-3-5） 把式（1-3-5）代入式（1-3-1）就可得到被测电磁波的参量λ、β、υ等值。

事实上，可动板移动时，不可能出现无限多个驻波节点。

测试时，一般取n=4已足够，它表示在5个波节点距离内，（4l -0l ）相应于4个半波长。

从而测得该距离内波长平均值。

从理论上讲，n 值越大，测出λ值的精度应越高。

由于3r P 所测得的合成驻波场，处于进区场分布的范围内，因此，2r P 的移动，不仅影响驻波节点位置均匀分布，而且驻波幅度也有起伏。

（PS ：由于测试仪工作于进场范围内，所以Pr2在移动中会影响接受喇叭驻
波场的位置及振幅分布。

其中“近场”的踢法要注意在教材中“近区”的区别，从“近区”的定义，这里是在“远区”，但是从喇叭天线测量场地来看，可以看作是在“近场区”。

）
3.实验步骤及注意事项
（1）按图1-1，就爱那个DH9268型微波分光仪合成测博城、相移常数的状态。

【要点】在集合关系上一定要保证，使DH9268型微波分光仪的来年哥哥喇叭天线（Pr0、Pr3）的轴线（天线口面）互为90度；半透射玻璃板（Pr4）与两喇叭泰纳线的轴线成45度垂直投切，移动云台通过它本身上带有的两个底脚螺旋入底座上相应的旋孔中，使其固定在底座上，然后在移动雨胎和平台（Pr0）正对的支杆上分别插入金属反射板，确保所固定的金属反射板（Pr1）的法线与接收喇叭天线的轴线一致，可移动云台上的全反射板与发射喇叭天线轴线一直，参见图1-3。

图1-3
上述几何条件直影响到测量准确度，是保障实验数据准确的必要条件。

（2）移动云台带有一“读数机构”，由直尺及手摇柄上的分度盘构成百分尺，可精确的读取云梯所携载的金属反射板的相对位置。

测量过程中，将移动云台的读数机构从刻度10一端向刻度70一端均匀移动，旋转读数机构上的手柄是为了消除机械回程误差，一定要做单向匀速移动。

（3）波特征点（波节点）的获取，为了保障测量精度，必须采用“交叉读数取中值”方法（参见【实验用到的几个重要概念之一】）
4.实验内容及要求
（1）了解相干波测量波长的原理和方法。

（2）熟悉电磁波测试平台（微波分光仪）的特点和使用方法。

（3）用手动方式，采用“交叉读数法”测量3个连续的波节点（d1,d2,d3），
λ，β和v
并分别计算得到两个半波长2/
（4）测量过程中，首先将移动云台的读数机构调至刻度10一端，然后移动云台测出一个极小的的幅度点（波节点）的位置（注意在移动过程中是通过微安表观察极小点的），以便接下来向刻度70一端匀速移动，能测得更多的极小幅度（波节点）的位置，旋转读数机构上的手柄，使可移动的全反射板随之匀速移动。

同时，转动时要小心，防止读数机构上的全反射板抖动造成误差。

为了消除机械回程误差，一定要做单向匀速移动。

【注意】所有测量的波节点必须用交叉读数法获得。

λ），要求测得（5）认真做好实验原始数据记录，计算出所测的两个半波长（2/
的两个半波长之间的误差不得大于0.5mm
4.实验报告内容与要求
（1）按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告；
（2）完成数据运算及整理，计算出电磁波波长；
（3）对实验中的现象分析讨论，并对实验误差产生的原因进行分析。

90，将思考题：用相干波测电磁波波长时，图1-3-1中的介质板放置位置若转0
出现什么现象？这是能否测准λ值？为什么？。