1 电 磁 场 与 微 波 技 术 电 磁 场 与 微 波 技 术 实验指导书实验指导书 付 琴 编写 武汉理工大学信息工程学院 通信工程教研室 2017.3 武汉理工大学信息工程学院 通信工程教研室 2017.3 2 注意事项注意事项 一、 实验前应完成各项预习任务。 二、 开启仪器前先熟悉实验仪器的使用方法。 三、 实验过程中应仔细观察实验现象，认真做好实验结果记录。 四、 培养踏实、严谨、实事求是的科学作风。自主完成实验和报告。 五、爱护公共财产，当发生仪器设备损坏时，必须认真检查原因并按规 定处理。 六、保持实验室内安静、整洁和良好的秩序，实验后应切断所用仪器的 电源 ,并将仪器整理好。 协助保持实验室清洁卫生, 带出自己所产 生的赃物。 七、不迟到，不早退，不无故缺席，按时交实验报告。 八、实验报告中应包括： 1、实验名称。 2、实验目的。 3、实验内容、步骤，实验数据记录和处理。 4、实验中实际使用的仪器型号、数量等。 5、实验结果与讨论，并得出结论，也可提出存在问题。 6、思考题。 3 目 录 目 录 实验仪器介绍 . 1 实验一 电磁波感应器的设计与制作 . 4 实验二 电磁波传播特性实验 . 8 实验三 电磁波的极化实验 . 12 实验四 天线方向图测量实验 . 16 实验五 八木天线设计与方向图测量实验 . 20 1 实验仪器介绍实验仪器介绍 JMXJY002 电磁波综合实验仪 JMXJY002 电磁波综合实验仪 一、概述一、概述 电磁波综合实验仪， 提供了一种融验证与设计为一体的电磁波实验的新方法和装置。 它能使学生通过应用本发明方法和装置进行电磁场与电磁波实验， 透彻地了解法拉第电磁感应定律、 电偶极子、天线基本结构及其特性等重要知识点，使学生直观形象地认识时谐电磁场，深刻理解电磁感应的原理和作用， 深刻理解电偶极子和电磁波辐射原理， 掌握电磁场和电磁波测量技术的原理和方法，帮助学生建立电磁波的形象化思维方式，加深和加强学生对电磁波产生、发射、传输和接收过程及相关特性的认识， 培养学生对电磁波分析和电磁波应用的创新能力。 JMX-JY-002电磁波综合实验仪在 001 型基础上，添加了对天线不同极化角度的测量，学生通过测量，可绘制不同极化天线的方向图，使得学生对电磁波的感受更加深刻。 二、特点二、特点 1、理论与实践结合性强 2、直接面向电磁场与波的课程建设与改革需要，紧密配合教学大纲，使课堂环节与实验环节紧密结合。 3、针对重要知识点“电磁场与电磁波”课堂教学环节长期存在难于直观表达的困难，形象地体验抽象的知识。 4、实验内容的设置，融综合性、设计性与验证性与一体，帮助学生建立一套电磁波的形象化思维方式，加深和加强对电磁波产生、发射、传输、接收过程及相关特性的认识。 5、培养学生对电磁波分析和电磁波应用的创新能力。 三、系统配置及工作原理三、系统配置及工作原理 （1）系统配置）系统配置 1、 JMX-JY-002 电磁波教学综合实验仪主机控制系统： 通过常规控制仪表与微波功率信号发生器、 功率信号放大器构成电磁波教学综合实验仪主机控制系统， 实现了对被控电磁场与波信号发射控制。 2、测试支架平台：包括支撑臂、测试滑动导轨、测量尺、天线连接杆件、感应器连接杆件、反射板连接杆件、微安表等组件。 3、测试套件：包括多极化天线（垂直极化、水平极化、左右螺旋极化）、射频连接电缆套件、感应器、感应器连接电缆、极化尺、标准测试天线板、反射板等构成测试套件。 （2）工作原理）工作原理 2 实验仪主机控制系统的微波信号源产生微波信号，经由微波功率放大器放大后输出至OUTPUT 端口，通过射频电缆将输出信号传送给发射天线向空间发射电磁波信号作为实验测试信号，通过信号接收单元上的感应器，可测量或直观观察到反映电磁波的波幅、波节以及极化等特征。 四、性能指标 四、性能指标 1、工作频率范围：800MHz1GHz 2、整机功耗：50W 3、标尺精度：1mm 4、长度量程：1m 5、旋转测量精度：1 6、极化测量量程：180 7、电源电压：AC220V10 8、工作环境温度范围：040C 五、基本操作 1. 接通电源之前 五、基本操作 1. 接通电源之前 用 50 欧同轴电缆将信号源端口与发射天线连接，信号源输出端口不能开路，否则易导致信号源损坏。 选择四极化天线的四个输入端口之一连接同轴电缆，其余三个端口接 50 欧匹配负载，端口开路或者匹配器有故障将导致天线发出的极化波不正常。 接收天线采用灯泡指示时，应注意使安装接收天线的支架离开发射天线一定距离。 接收天线采用电流表指示时，也应注意使安装接收天线的支架离开发射天线一定距离。 3 2. 打开电源 2. 打开电源 连接电源，打开电源（POWER）开关,电源开关指示灯亮。 按下 TX 按钮，开始发射信号，信号指示灯亮，表明发射正常。若 ALM 红灯亮，应立即停止发射，检查发射天线是否连接好。红色告警指示灯亮时，表明发射信号输出通道反射过强，仍然持续发射会造成仪器损坏。 支架平台设有两个可滑动的支架滑块，根据不同实验要求安装测试天线（感应器）或反射板。 按下 TX 按钮发射电磁波信号时，接收装置会产生效果，即灯泡会亮或电流表会偏转。 3. 极化尺和刻度盘座 3. 极化尺和刻度盘座 将被测天线或感应器用螺丝紧固在极化尺上， 再将极化尺固定于支撑杆并整体套在刻度盘座中心圆柱上。 支撑杆可以在刻度盘座上 360 度范围进行水平旋转。 极化尺可以在支撑杆上 90 度范围内进行极化旋转。 刻度盘座可以在测试平台上水平滑动。 4.反射板 4.反射板 使用反射板时，将反射板附有的支撑杆插在移动滑块的圆柱洞上。 调整反射板至需要的反射角度，并轻轻旋紧圆柱洞的螺丝 用滑块带动反射板在测试平台上滑动。 六、注意事项 六、注意事项 1、按下 TX 按钮时，若 ALM 红色告警灯亮，应立即停止发射，检查高频头是否对应连接牢固，发射天线是否接好，或请老师检查。否则会损坏机仪器。 2、 测试感应器时， 不能将感应灯靠近发射天线的距离太小， 否则会烧毁感应灯。 （置于 15cm以外，或视感应灯亮度而定） 3、尽量减少按下 TX 按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。 4、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。 4 实验一实验一 电磁波感应器的设计与制作电磁波感应器的设计与制作 一、预习要求一、预习要求 1、什么是法拉第电磁感应定律？ 2、什么是电偶极子？ 3、了解天线基本结构及其特性。 二、实验目的二、实验目的 1、认识时变电磁场，理解电磁感应的原理和作用。 2、通过电磁感应装置的设计，初步了解天线的特性及基本结构。 3、理解电磁波辐射原理。 三、实验原理三、实验原理 随时间变化的电场要在空间产生磁场，同样，随时间变化的磁场也要在空间产生电场。电场和磁场构成了统一的电磁场的两个不可分割的部分。 能够辐射电磁波的装置称为天线， 用功率信号发生器作为发射源，通过发射天线产生电磁波。 如果将金属导体置于电磁波中， 就能在导体上感生高频电流， 这个金属导体可以称之为接收天线，接收天线离发射天线越近，电磁波功率密度越大，感应电动势越大。如果用小功率的白炽灯泡接入天线馈电点， 能量足够时就可使白炽灯发光。 接收天线和白炽灯构成一个完整的电磁波感应器。如图 1 所示。 5 信号源微带天线图图 1 电磁感应实验框图装置电磁感应实验框图装置 电偶极子是一种基本的辐射单元， 它是一段长度远小于波长的直线电流元， 线上的电流均匀同相，一个作时谐振荡的电流元可以辐射电磁波，故又称为元天线，元天线是最基本的天线。电磁感应装置的接收天线可采用多种天线形式，相对而言性能优良，但又容易制作，成本低廉的有半波天线、环形天线、螺旋天线等，如图 2 所示。 图图 2 感应天线的形式感应天线的形式 本实验重点介绍其中的一种天线半波天线。 半波天线又称半波振子，是对称天线的一种最简单的模式。对称天线（或称对称振子）可以看成是由一段末端开路的双线传输线形成的。 这种天线是最通用的天线型式之一， 又称为偶极子天线。而半波天线是对称天线中应用最为广泛的一种天线，它具有结构简单和馈电方便等优点。 半波振子因其一臂长度为/4，全长为半波长而得名。其辐射场可由两根单线驻波天线的辐射场相加得到，于是可得半波振子（/ 2L ）的远区场强有以下关系式： 6 ( )cos(cos )sinIIEfrr 60602式中，( )f 为方向性函数，对称振子归一化方向性函数为： maxcos(cos )( )( )sin2fFf 其中maxf是( )f 的最大值。 由上式可画出半波振子的方向图如图 3 所示。 图 3 半波振子的方向图 半波振子方向函数与 无关，故在 H 面上的方向图是以振子为中心的一个圆，即为全方向性的方向图。在 E 面的方向图为 8 字形，最大辐射方向为/ 2，且只要一臂长度不超过. 0 625， 辐射的最大值始终在/ 2方向上； 若继续增大 L， 辐射的最大方向将偏离/ 2方向。 四、实验内容与步骤四、实验内容与步骤 1、打开功率信号发生器电源开关，Signal 灯亮，机器工作正常，按下 Tx 按钮，观察功率指示表有一定偏转，此时 Standby 灯亮，说明发射正常。 2、用铜丝制作天线体（注意：准备的铜丝为 0.85mm 漆包线，外表有绝缘层，与螺丝固定处的端口需要除掉绝缘层），用螺丝固定于感应灯板（或电流表检波板）两端，并安放到测试支架上，调节感应板的角度，使接收天线的最大极化方向对准发射天线。，使接收天线的最大极化方向对准发射天线。 a. 估计测试频率，对称振子天线的长度/ 2L ，则天线的谐振频率/2fccL 。注意仪器的发射频率范围为 800MHz1000MHz，故对称振子天线的长度范围最好在15.5cm17.5cm 之间。（对称振子天线的缩短因子大概 0.95） b. 测试谐振频率：调节测试