一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1）了解電磁場(chǎng)電磁波空間傳播特性；
2）通過對(duì)電磁波長(zhǎng)、波幅、波節(jié)、駐波的測(cè)量進(jìn)一步認(rèn)識(shí)電磁波；
3）利用相干波原理測(cè)量波長(zhǎng)；
4）了解電磁波在傳輸過程中的干涉和駐波的形成，及形成的條件。
5）觀測(cè)電磁波傳輸過程中波節(jié)點(diǎn)與波幅點(diǎn)的產(chǎn)生。
二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1）垂直極化波反射合成與行駐波特性；
2）水平極化波反射合成與行駐波特性實(shí)驗(yàn)；
3）左旋圓極化波反射合成與行駐波特性；
三、實(shí)驗(yàn)原理
垂直或水平極化波垂直入射到導(dǎo)體平面的合成波與駐波特性；通過縱向移動(dòng)接收天線，測(cè)試LED明暗測(cè)量工作波長(zhǎng)。左旋或右旋圓極化波垂直入射到導(dǎo)體平面的合成波與駐波特性；
圖1電磁波垂直入射理想導(dǎo)體平面
變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)在空間的傳播稱為電磁波，幾種電磁波在同一種介質(zhì)中傳播時(shí)，幾種波可以保持各自的特點(diǎn)（波長(zhǎng)、頻率、幅度、傳播方向）同時(shí)通過介質(zhì)，在幾種波相遇或疊加的區(qū)域內(nèi)，是各個(gè)波單獨(dú)在該點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)的合成。當(dāng)兩個(gè)頻率相同、極化相同、相位相差恒定的波源所發(fā)出的波的疊加時(shí)，在空間總會(huì)有點(diǎn)振動(dòng)加強(qiáng)。而另一些點(diǎn)振動(dòng)減弱或完全抵消，因而形成干涉現(xiàn)象。
圖2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)波長(zhǎng)測(cè)量原理圖和電磁波垂直入射模型
設(shè)有線極化的均勻平面電磁波從理想介質(zhì)中垂直入射到理想導(dǎo)體的平面表面上，如圖所示。入射電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度為
磁場(chǎng)強(qiáng)度為
電磁波不能進(jìn)入理想導(dǎo)體，所以在理想導(dǎo)電平面上，入射的電磁波必然會(huì)被反射。反射波與入射波在相反的方向上傳播，設(shè)反射波的電場(chǎng)強(qiáng)度為
反射波的磁場(chǎng)強(qiáng)度為
，在中z≤0的空間中的電磁波是入射波和反射波的迭加，總的電場(chǎng)強(qiáng)度為
總的磁場(chǎng)強(qiáng)度為
反射波電場(chǎng)強(qiáng)度由理想導(dǎo)體表面上的電磁場(chǎng)邊界條件決定。在理想介質(zhì)和理想導(dǎo)電體的分界面，z=0平面上，由邊界條件得合成波的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)為零。
定義z=0平面上反射波電場(chǎng)強(qiáng)度與入射波的電場(chǎng)強(qiáng)度之比為反射系數(shù)用G表示。在理想導(dǎo)電體表面，垂直入射波的反射系數(shù)則為
可以得到z≤0，區(qū)域合成波的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度為
合成波電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的為
由上式可以看到，z≤0空間中的合成波具有如下特點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅不再是常量，沿波的傳播方向按正弦函數(shù)或余弦函數(shù)分布，即在kz=-np，也就
的點(diǎn)上，電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅為零。這些點(diǎn)稱為電場(chǎng)強(qiáng)度的波節(jié)點(diǎn)。在
也就是
的點(diǎn)上，電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅值達(dá)到最大值2Ei0，它是入射波電場(chǎng)強(qiáng)度振幅值Ei0的2倍，這些點(diǎn)稱為電場(chǎng)強(qiáng)度的波腹點(diǎn)。在這些點(diǎn)上，磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅為零。這些點(diǎn)是磁場(chǎng)強(qiáng)度的波節(jié)點(diǎn)。在其它點(diǎn)上，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振幅介于零和最大值2Ei0或2Ei0/h之間。相鄰的兩個(gè)波節(jié)點(diǎn)或波腹點(diǎn)之間的距離是半個(gè)波長(zhǎng)；而相鄰的波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)之間的距離是1/4波長(zhǎng)。電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)之間的距離是1/4波長(zhǎng)。電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)的位置不隨時(shí)間改變。干涉是電磁波的一種重要特性，利用干涉原理科對(duì)電磁波傳播特性進(jìn)行很好的探索，在同一媒質(zhì)中兩種振幅相同的相干波，在同一直線上反向傳播時(shí)就疊加形成駐波。由發(fā)射天線發(fā)出的電磁波，在空間傳播過程中可以近視看成均勻平面波，此平面波垂直入射到金屬板，被金屬反射回來，到達(dá)電磁波感應(yīng)器，直射波也可以到達(dá)電磁波感應(yīng)器，這兩種波將形成駐波，電磁波的波程差滿足一定的關(guān)系時(shí)，在接收天線處產(chǎn)生波腹和波節(jié)。
根據(jù)以上的分析，若固定感應(yīng)器，只移動(dòng)金屬板，即只改變第二波的波程，使駐波得以形成，當(dāng)合成波振幅最大時(shí)
，當(dāng)合成波振幅最小時(shí)
，此時(shí)合成波振幅最大到振幅最小的波程差是
，若此時(shí)移動(dòng)金屬板的距離
，即
，可見測(cè)得金屬板移動(dòng)的距離，代入公式可求出電波的波長(zhǎng)。變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間的傳播稱為電磁波，幾列電磁波同時(shí)在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，幾列波可以保持各自的特點(diǎn)(波長(zhǎng)、振幅、頻率、傳播方向等) ，同時(shí)通過媒質(zhì)，在幾列波相遇或疊加的區(qū)域內(nèi)，任一點(diǎn)的振動(dòng)為各個(gè)波單獨(dú)在該點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)的合成。而當(dāng)兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的波源所發(fā)出的波的疊加時(shí)在空間總會(huì)有一些點(diǎn)振動(dòng)始終加強(qiáng)，而另一些點(diǎn)振動(dòng)始終減弱或完全抵消，因而形成干涉現(xiàn)象，而駐波是干涉的特例。在同一介質(zhì)中兩列振幅相同的相干波，在同一直線上反向傳播時(shí)就疊加形成駐波。此平面波垂直入射到金屬板，被金屬板反射回來，到達(dá)電磁波感應(yīng)器；直射波也可直接到達(dá)電磁波感應(yīng)器。這兩列波將形成駐波，兩列電磁波的波程差滿足一定關(guān)系時(shí)，在感應(yīng)器位置可以產(chǎn)生波腹或波節(jié)。
圖3電磁波駐波示意圖
駐波：頻率和振幅均相同、振動(dòng)方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形 成的波。設(shè)到達(dá)電磁感應(yīng)器的兩列平面波的振幅相同，只是因波程不同而有一定的相位差，電場(chǎng)可表示為：
其中
是因波程差而造成的相位差；b＝d
(n=0,1,2......) 時(shí)，合成波的振幅最大，Z1的位置為合成波的波腹；相位差
則當(dāng)；(n= 0,1,2......) 時(shí)，合成波的振幅最小，Z2的位置為合成波的波節(jié)。實(shí)際上到達(dá)電磁感應(yīng)器的兩列波的振幅不可能完全相同，故合成波波腹振幅值不是二倍單列波的振幅值，合成波的波節(jié)值也不是恰好為零。根據(jù)以上分析,若固定感應(yīng)器，只移動(dòng)金屬板，即只改變第二列波的波程，讓駐波得以形成；
當(dāng)合成波振幅最大(波腹)時(shí)：
當(dāng)合成波振幅最小(波節(jié))時(shí)：
此時(shí)合成波振幅最大到振幅最小(波腹到波節(jié)) 的最短波程差為l/4,則: 2D1，若此時(shí)可移動(dòng)金屬板移動(dòng)的距離為DL, 2DL=l/2 , 即：l=4L，代入式中便確定電波波長(zhǎng)。
電磁波波長(zhǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，主要是根據(jù)電磁場(chǎng)線極化波在傳播過程中遇到金屬反射板，反射回來的波與發(fā)射波疊加形成駐波的原理，通過測(cè)量駐波能量的波節(jié)點(diǎn)計(jì)算波長(zhǎng)的方案。
圖4 金屬反射板測(cè)試工作波長(zhǎng)
然后將天線按照發(fā)射天線的極化方式，調(diào)整相應(yīng)的擺放方向，調(diào)整天線與電場(chǎng)的關(guān)系，使得電場(chǎng)在天線上激起較強(qiáng)的感應(yīng)電流，繼而通過電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上通過不斷調(diào)整感應(yīng)裝置的位置，觀察檢測(cè)電壓的變化規(guī)律，通過尋找極大值和極小值的方式測(cè)量極值之間的距離，通過預(yù)設(shè)電磁波頻率推算出相應(yīng)的波長(zhǎng)的理論值與測(cè)試值作對(duì)比，來驗(yàn)證理論和實(shí)驗(yàn)的一致性。
四、 實(shí)驗(yàn)步驟
1、頻率合成器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波信號(hào)，通過放大模塊將信號(hào)加載到發(fā)射天線的線極化端口。
2、用SMA連接電纜RF與極化天線口，將電磁波信號(hào)輸送到極化天線上。系統(tǒng)上電以后，測(cè)試感應(yīng)裝置接收到的極化天線輻射出來的電磁波，里面的二極管檢波電路將功率信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。
3、將八木天線安裝到旋轉(zhuǎn)支架上，將其垂直放置，移動(dòng)到距離發(fā)射天線50～60cm處。按下發(fā)射開關(guān)，此時(shí)電磁波發(fā)射出來，LED燈被點(diǎn)亮（暗亮程度不一樣）。
4、移動(dòng)反射板，觀察LED燈是否有明暗的變化，如果不亮可以將接收天線向發(fā)射天線移動(dòng)，可以測(cè)試不同顏色的LED燈被點(diǎn)亮的距離。
5、將反射板放置在接收天線的一端，從遠(yuǎn)而近移動(dòng)反射板，使LED燈明暗變化，判斷波節(jié)波腹出現(xiàn)的位置，由近而遠(yuǎn)移動(dòng)反射板，讀取最初LED燈最亮?xí)r反射板位置的坐標(biāo)
，及LED燈最暗時(shí)反射板位置的坐標(biāo)
，最暗到最亮，最亮到最暗如此反復(fù)，
，根據(jù)極點(diǎn)的距離差值計(jì)算出相應(yīng)不同頻點(diǎn)下的電磁波的波長(zhǎng)。也可換上檢波裝置，這是可以觀察到指針來回?cái)[動(dòng)，記錄下指針最大時(shí)的位置和最小時(shí)的位置。6、將金屬板換成玻璃板，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
五、 注意事項(xiàng)
1、測(cè)試波長(zhǎng)與理論推導(dǎo)值，具有明顯的一致性，由于系統(tǒng)極值的判斷存在誤差，極值測(cè)量讀數(shù)存在不穩(wěn)定性，測(cè)試結(jié)果推導(dǎo)出的結(jié)論與理論值存在一定誤差。
2、由于發(fā)射天線并非理想的天線。發(fā)射天線與反射板之間不是理想的行波。測(cè)試過程中電磁環(huán)境受到人為干擾，測(cè)試值精確度不高。
3、由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相比擬，測(cè)試為近場(chǎng)條件，空間功率隨著與天線的距離分布并不均勻，所以在不同測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的極小值差異很大。判斷極值的方式通過人工推移接收架同時(shí)觀察軟件顯示電壓幅值同步來完成。綜合以上幾點(diǎn)，表明新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)拓寬了系統(tǒng)的頻率輸出范圍，給實(shí)驗(yàn)提供了更多可用頻點(diǎn)，提高接收數(shù)據(jù)觀察效率，起到規(guī)劃的作用。
表1電磁波長(zhǎng)、波幅、波節(jié)、駐波的測(cè)量
| 頻率 | 次數(shù) | 振子感應(yīng)器位置（cm) | 波節(jié)1(cm) | 波節(jié)2(cm) | 波節(jié)3(cm) | 波腹2（cm) | 測(cè)試波長(zhǎng)（cm) |
| 2450MHZ | 1 | 70 | |||||
| 2 | |||||||
| 3 | |||||||
| 1 | 80 | ||||||
| 2 | |||||||
| 3 |
實(shí)驗(yàn)4、電磁波反射特性實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1)研究電磁波的反射現(xiàn)象的產(chǎn)生，驗(yàn)證電磁波入射角等于反射角；
2)研究線性極化的反射及其特點(diǎn)
3)通過試驗(yàn)加深對(duì)電磁波極化特性的理解
二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1）垂直或水平極化波斜入射到導(dǎo)體平面的反射波；沿反射角方向LED最亮。
2）左旋圓極化波斜入射到導(dǎo)體平面的反射波；
三、實(shí)驗(yàn)原理
圖1垂直極化波向理想導(dǎo)體界面上斜入射
取坐標(biāo)系如圖。能與上面類似的處理，可得此時(shí)媒質(zhì)1中的合成波的電磁場(chǎng)表示式為
合稱電場(chǎng)
平行于入射面的波向理想導(dǎo)體斜入射合稱電場(chǎng)
圖2垂直極化波反射特性實(shí)驗(yàn)
圖3球面波形成平面波
圖4垂直極化電磁波多經(jīng)干涉實(shí)驗(yàn)
四、實(shí)驗(yàn)步驟
1、 用SMA連接電纜RF與極化天線口，將電磁波信號(hào)輸送到極化天線上。
2、 將八木天線安裝到旋轉(zhuǎn)支架上，將其垂直放置，移動(dòng)到距離發(fā)射天線50～60cm處。
3、 移動(dòng)反射板，如圖所示，將接收八木天線安裝到支架上對(duì)準(zhǔn)反射波來波方向，注意與反射電場(chǎng)極化匹配。
4、 按下發(fā)射開關(guān)，此時(shí)電磁波發(fā)射出來，觀察LED燈是否被點(diǎn)亮，如不亮可以校對(duì)方向。
5、 當(dāng)入射角等于反色角時(shí)LED燈最點(diǎn)亮。
6、 也可將發(fā)射天線換為垂直極化天線，觀察LED燈是否被點(diǎn)亮。
圖5平行于入射面的波向理想導(dǎo)體斜入射
7、將發(fā)射天線為垂直極化天線，如圖3所示，反射板移動(dòng)到位置d處LED燈最亮。
五、注意事項(xiàng)
1.按下按鈕時(shí)，若沒有功率輸出，應(yīng)立即停止發(fā)射，檢查射頻電纜頭與儀器的接頭是否連接牢固，檢查射頻電纜小頭的SMA頭與天線的輸入端口是否牢固連接；用微安表測(cè)量時(shí)輸出接10dB衰減器防止微安表打表。防止空載工作燒壞微波放大器。
2.盡量減少按下按鈕的時(shí)間，以免影響其它小組的測(cè)試準(zhǔn)確性。
3.測(cè)試時(shí)盡量避免人員走動(dòng)，以免人體反射影響測(cè)試結(jié)果。