中南大学信息科学与工程学院

实验一 电磁波反射实验

一 实验目的

1. 掌握微波分光仪的基本使用方法；

2. 了解3cm 信号源的产生、传输及基本特性；

3. 验证电磁波反射定律。

二 预习内容

电磁波的反射定律

三 实验原理

微波与其它波段的无线电波相比具有：波长极短，频率很高，振荡周期极短

的特点。微波传输具有似光特性，其传播为直线传播。电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射。本实验以一块大的金属板作为障碍物来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律，即：反射电磁波位于入射电磁波和通过入射点的法线所决定的平面上反射电磁波和入射电磁波分别位于法线两侧；反射角θr 等于入射角θi 。原理如图1.1所示。

图1.1

四 实验内容与步骤

1. 调整微波分光仪的两喇叭口面使其互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的0-180 刻度处。将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座，拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。

2. 将反射全属板放到支座上，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的90-90 这对刻线一致，这时小平台上的0 刻度就与金属板的法线方向一致。将金属板与发射、接收喇叭锁定，以保证实验稳定可靠。

3. 打开信号源开关，将三厘米固态信号源设置在:“电压”和“等幅”档。

4. 调节可变衰减器，使得活动臂上微安表的读数为满量程的80%左右。

5. 转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在刻度为30 度处，这个角度数就是入射角度数，然后转动活动臂，使得表头指示最大，此时活动臂上指针所指的刻度就是反射角度数，记下该角度读数。如果此时表头指示太大或太小，应调整微波分光仪中的可变衰减器或晶体检波器，使表头指示接近满量程的80%做此项实验。

6. 然后分别将固定臂指针指在刻度为40 度、45 度、50 度、60 度、80 度处，重复上述操作，并记下相应的反射角读数以及最大电流读数。

五 实验数据记录及处理

当f = 9.00GHz时

当f = 9.37GHz时

六 实验注意事项

如果表头指示太大或太小，应调整微波分光仪微波系统中的可变衰减器，使表头指示

接近满量程的80%做此项实验。

七 实验思考题

周围环境哪些因素会影响到本次实验结果的精度？

1．仪器误差：发射天线和接收天线不能调到绝对的水平和垂直，因此也得不到绝对的水平极化波和垂直极化波；反射金属板不是绝对的平面，也影响入射角和反射角的大小。

2．人为操作误差：操作仪器时，读数时都会存在一定误差

3．周围仪器发射电磁波影响误差：影响电流表示数，也就影响电流极大是的反射角大小。

4．由于误差较小，在允许范围内。

心得与体会

   相对来说，此电磁波反射实验是一个对周围环境因素要求较高的实验，这就在无形中提高了在实验过程中对实验者各个方面的要求指标。实验过程是对我们课本中的理论知识进行验证的过程，所以我们必须认认真真、仔仔细细的对待实验。实验是建立在理论的基础上的对知识的升华，是对已有知识的一种实践，我们每个人都应给予其相应的重视，粗心大意、马虎不得。还有，实验难点在于重温习电磁波的反射定理，其次主要是熟悉S426型分光仪的使用。另在本实验实验组之间的相互干扰严重，实验仪器误差较大，应该认真的操作，细心的观察。

实验二 单缝衍射实验

一 实验目的

1．了解微波分光仪的结构，学会调整它并能用它进行实验。

2．进一步认识电磁波的波动性，测量并验证单缝衍射现象的规律。

二 预习内容

电磁波的特性和衍射原理

三 实验原理

图2.1 单缝衍射原理

如图2.1，当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。在缝后面出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最宽。在中央的两侧衍射波强度迅速减小，直至出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角为sin 1? λ = min φ ，其中λ 是波长，a 是狭缝宽度。两者取同一长度单位，然后，随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角度为：

实验仪器布置如图2.2，仪器连接时，预先接需要调整单缝衍射板的缝宽，当该板放到支座上时，应使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致，此刻线应与工作平台上的90刻度的一对线一致。转动小平台使固定臂的指针在小平台的180°处，此时小平台的0刻度就是狭缝平面的法线方向。这时调整信号电平使表头指示接近满度。然后从衍射角0°开始，在单缝的两侧使衍射角每改变2°读取一次表头读数，并记录下来，这时就可画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，并根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角，并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。此实验曲线的中央较平，甚至还有稍许的凹陷，这可能是由于衍射板还不够大之故。

图2.2 单缝衍射仪器配置

四 测量方法与步骤

1．打开DH1121B 的电源；

2．将单缝衍射板的缝宽a 调整为70mm 左右，将其安放在刻度盘上，衍射板的边线与刻度盘上两个90对齐；°

3．调整发射天线使其和接收天线对正。转动刻度盘使其180°的位置正对固定臂（发射天线）的指针，转动可动臂（接收天线）使其指针指着刻度盘的0°处，使发射天线喇叭与接收天线喇叭对正；

4．依次微调发射喇叭、衍射板、接收喇叭，使衍射强度分布的中央极大位于0°，调节发射和接收衰减器，使中央极大值的信号电平处于80—90μΑ；在± 500 的范围内转动接收天线，观察衍射强度分布，认为分布合理后开始测量。

5．将微波分光仪的活动臂转到衍射角为－50°后开始读数，衍射角每改变2°读取一次微安表的读数并作好记录，一直读到衍射角为＋50°。

6． 作出单缝衍射的相对强度与衍射角的关系曲线（以衍射角? 为横轴，电流值P I 为纵轴），确定出极大和极小衍射角的实验值。

五 实验数据记录及处理

1.单缝衍射

单缝宽a = 70mm，微波波长λ = 32mm

2、由实验数据绘制I～? 曲线

3、从上面的曲线可以读出一级极小和一级极大值（度），并同理论值进行比较

六 实验注意事项

1．衰减器调整要适当，太小则观察不便，太大则可能使电流表指针满偏。

2．单缝衍射实验时每隔2记录一次。°

3．为保证实验结果能与理论结果进行比较，开始测量前要反复调整仪器、观察衍射强

度分布，尽可能将中央极大值的位置调整在0处。°

七 实验思考题

周围环境哪些因素会影响到本次实验结果的精度。

⑴   系统误差：某些固定不变的因素所引起。相同条件下进行多次测量，其误差数值的大小和正负保持恒定，或误差随条件改变按一定规律变化。

⑵   随机误差：某些不易控制的因素所造成。相同条件下作多次测量，其误差数值和符号是不确定的，即时大时小，时正时负，无固定大小和偏向。随机误差服从统计规律，其误差与测量次数有关。随着测量次数的增加，平均值的随机误差可以减小，但不会消除。

⑶   粗心所致误差，与实际预期结果明显不符的误差，主要是由于实验人员粗心大意，如读数错误，记录错误或操作失败所致。这类误差往往与正常值相差很大，应在整理数据时依据常用的准则加以剔除。

⑷  仪器误差，操作误差，周围电磁波影响误差等。

心得与体会

实验难点在于重温习电磁波的衍射定理，其次主要是熟悉S426型分光仪的使用。另在本实验实验组之间的相互干扰严重，实验仪器误差较大，应该认真的操作，细心的观察。电磁波实验不像别的实验，电磁波实验仪器比较简单，操作起来上手很容易。但是电磁波实验的原理探究却一点也不简单，没有深厚扎实的物理基础是很难分析透彻的。所以这次实验让我们能把理论与实际更好的结合。

实验三 自由空间中电磁波参量的测量

一 实验目的

1. 了解电磁波的空间传播特性；

2. 通过对电磁波波长、波幅、波节的测量进一步认识和了解电磁波。

二 预习内容

1. 电磁波的干涉原理

2. 电磁波的反射和透射特性

三 实验原理

    变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波，几列电磁波同时在同一媒质中传播时，几列波可以保持各自的特点（波长、波幅、频率、传播方向等）同时通过媒质，在几列波相遇或叠加的区域内，任一点的振动为各个波单独在该点产生的振动的合成。而当两个频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波源所发出的波叠加时，在空间总会有一些点的振动始终加强，而另一些点的振动始终减弱或完全抵消，因而形成干涉现象。

干涉是电磁波的一个重要特性，利用干涉原理可对电磁波传播特性进行很好的探索。利用迈克尔逊干涉原理测量电磁波波长的原理图如图3.1所示

 

图3.1 迈克尔逊干涉原理

  由发射喇叭发射出的电磁波，在空间传播过程中，可以把它近似看成为均匀平面波。在平面波传播的方向上放置一块成45度角的半透明板，由于该板的作用，将入射波分成两列波，一列经介质板反射后垂直入射到金属板A，被A板反射回来，再经介质板折射后到达接收喇叭；另一列波经介质板折射后垂直入射到可动金属板B，被金属板B反射回来，也到达接收喇叭。接收喇叭收到两束同频率，振动方向一致的两列波。两列到达接收喇叭的电磁波若波程差满足一定的关系，那么这两列波将发生干涉。

设到达接收喇叭的两列平面电磁波的振幅相同，只是由于波程不同而在相位上有所差别，其电场可以表示为：

 

其中是因波程差而造成的相位差。

其合成场强为：

所以，合成波的电场振幅为，

当时，合成波振幅最大（为）；当时，合成波振幅最小（为0）

实际上到达接收喇叭的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波最大振幅不是正好为，合成波振幅最小值也不是为0。

根据以上分析，若固定金属板A，移动金属板B，只改变第二列波的波程，让两列波发生干涉，当合成波振幅最大时，可得：

 

当合成波振幅最小时，可得：

由最大振幅到最小振幅的最短波程差为：

若移动金属板的距离为，则：

实验中，为了提高测量波长的精确度，测量多个极小值的位置，设为第一个极小值的位置，为第（n+1）个极小值的位置，，则波长        。

 四 实验步骤

1. 实验仪器布置如图3.2所示

图3.2

图3.3

2.调节天线的位置，使两喇叭口面互成90度，并使半透射板与两侧喇叭轴线互成45度，将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上相应的旋孔，使其固定在底座上。在读数机构和平台上分别插上全反射板，使固定全反射板的法线与接收喇叭的轴线一致，可移动全反射板的法线与发射喇叭轴线一致。如图3.3所示

3. 接通微波发射源，并使其处于正常工作状态。将可移动全反射板移到读数机构的20刻度一端，在此附近测出一个极小幅度的位置So，然后朝读数机构70刻度的一端旋转读数机构上的手柄使可移动全反射板随之匀速移动，从表头上测出个幅度极小值，同时从读数机构上得到相应的位移读数Sn，从而求得可移动全反射板的移动距离为，根据上述实验原理，求得波长。

五 实验数据记录与处理

1.  根据实验测得数据，计算信号源波长。

 L1=|S1- S0|=|29.3-13.1|=16.2mm，  λ 1 =  2 L1/1=32.4mm

 L2=|S2- S0|=|42.889-8.265|=32.7mm,   λ 2=  2 L2/2=32.7mm L3=|S3-S0|=|59.431-8.265|= 47.4mm,  λ 3=  2 L3/3=31.6mm

λ=(λ 1+λ 2+λ 3)/3=32.2mm

2. 由相关公式计算出信号源的其它参数，如相位常数、波速、频率等。

相位常数      k=2π/λ=195.13

波速        V=fλ=9.37*10⁹*0.0322≈3.0*10⁸

频率        f=9.37x10⁹

六 实验思考题

对实验中的现象分析讨论，说明误差产生的原因有哪些？如何减小这些测试误差？

⑴   系统误差：某些固定不变的因素所引起。相同条件下进行多次测量，其误差数值的大小和正负保持恒定，或误差随条件改变按一定规律变化。这些是实验中不可避免的误差。

⑵   随机误差：某些不易控制的因素所造成。相同条件下进行多次测量，其误差数值和符号是不确定的，即时大时小，时正时负，无固定大小和偏向。随机误差服从统计规律，其误差与测量次数有关。随着测量次数的增加，平均值的随机误差可以减小，但不会消除。

⑶   粗心大意所致误差。由实验人员的操作或者读数的失误所引起。实验人员应该认真、仔细进行实验，从而消除这部分误差，使得实验结果更加精确。

减小误差：

    （1）选择精确度更加高的实验仪器。

　　（2）严格按照实验实验指导书所给步骤、方法进行实验操作。

　　（3）熟练掌握各种测量器具的使用方法，并会准确读数。

心得与体会

   电磁波是一门相对于其他学科更加严要求高标准的学科，所以我们需要在平时的锻炼和动手中积累一些经验。而在实验中我们应该更加注意自己的举动，因为可能一个小小的动作就会使得实验结果产生较大的误差，从而导致最后的实验数据出错。所以在这次的实验中，我们小组能够较好地要求自己，细心耐心的完成每一个实验内容。我觉得这是对我们人格和毅力的一个更高阶的提升，而且电磁波是一门很有魅力的学科，在这门学科里我们能够掌握更多和我们生活中一些现象息息相关的知识，并将其运用到我们的生活之中，而实验就是让我们能更加贴近这门学科的重要手段之一。所以我觉得此次实验给我们带来的不仅是知识，更是一份快乐和性格磨砺的收获。

实验四 均匀无耗媒质参量的测量

一 实验目的

1. 利用电磁波的干涉原理，研究均匀无耗媒质参量εr的测量方法；

2. 熟悉均匀无耗媒质分界面对电磁波的反射和透射特性。

二 预习内容

电磁波的反射和透射特性，熟悉相对介电常数的测量方法。

三 实验原理

实验原理图如图 4.1 所示

 

图4.1

对于具有εr的均匀无耗媒质，我们可利用类似干涉原理来测量。在上一个实验的基础

上，在固定反射板前放一块待测介质板，其相对介电常数为εr，厚度为d，这样固定反射板

的电磁波的波程差将会增加，为了得到新的极小点位置，必需将可移动反射板向右移Δl，

在一定的假设条件下，经过数学推导，我们可得到待测介质板的相对介电常数εr与Δl之间

满足：

四 实验步骤

1.在上一个实验的基础上，在固定反射板前，放一块待测介质板，必需紧贴固定反射板并固定好。 

2. 向右调节可移动反射板，使得电表指示读数达到新的最小值，并记录此时最小点位置读数。该读数与未加介质板时的读数相减，得到一个l，连续移动可移动反射板，得到若干个l值，取算术平均值，得到一个较为准确的l。

3.用卡尺测量待测介质板的厚度d

五 实验数据记录

1. 介质板（BL）厚度： d =（3）（mm）

2. 介质板2（SL） 厚度： d =（3 ）（mm）

六 实验思考

介质的相对介电常数的测量误差与哪些因素有关？

1.       介质板的厚度不均，导致测出了d有误差。造成实验的误差。

2.       电表的灵敏度造成实验误差。

3.        两个喇叭口不水平

4.        读数时存在读数误差

七 心得与体会

经过前面几次实验后，我们对于仪器的使用方法已经逐渐地掌握，这意味着我们可以更好结合实际学习理论知识，学的更轻松，更快，接受的也更快。虽然只有一个下午，大家都很珍惜这次机会。我也不例外。去实验室看到实验仪器，和想象的有点不一样。构造比较简单。实验也比较简单。在老师讲解过后就开始了这次的实验。  实验原理清晰，实验步骤明确，实验中没有出现大问题。很快就得到了实验数据。之后就是数据分析了，过程很简单，结果也很明显。

通过实验我们巩固了所学理论知识，而印象更加深刻的是，即使是在有仪器误差较小的现代仪器的帮助下，也不能一定保证得出理想的数据，而在这很久以前发现我们如今现成的定理的那些科学家所付出的心血可想而知。 当然这次实验中也离不开老师和同学的帮助，收获最多的是如何看待问题以及如何解决问题。