电磁场与电磁波实验报告

      实验项目： 有限差分法   

一、实验目的及要求

  1、学习有限差分法的原理与计算步骤；

  2、学习用有限差分法解静电场中简单的二维静电场边值问题；

  3、学习用Matlab语言描述电磁场与电磁波中内容，用matlab求解问题并用图形表示出了，学习matlab语言在电磁波与电磁场中的编程思路。

二、实验内容

   理论学习：学习静电场中边值问题的数值法中的优先差分法的求解知识；

   实践学习：学习用matlab语言编写有限差分法计算二维静电场边值问题；

三、实验仪器或软件

   Matlab7.0

电脑

四、实验原理

有限差分法的基本思想

将计算场域划分成网格，把求解场域内连续的场分布用求解网格节点上的离散数值解来代替；即用网格节点的差分方程近似代替场域内的偏微分方程来求解。

简单迭代法

先对场域内的节点赋予初始值 ，这里上标（0）表示第0次近似值，即初始值。然后再按照：

进行反复迭代。若当第N次迭代结束后，所有内节点相邻两次迭代值之间的绝对误差小于事先给定的精度，则迭代停止。

注意：

初始值的赋予是任意的；

赋予初始值后，请按“从左到右、从下到上”的固定顺序依次计算各节点值；

当所有节点都算完一遍后，再用它们的新值代替旧值，即完成一次迭代。

五、实验步骤

复习理论知识；

编写matlab程序；

六、结果分析与问题讨论

1、程序：

clear

X=[0,0,0,0,0;0,25,25,25,0;0,50,50,50,0;0,75,75,75,0;100,100,100,100,100]

Pot=[0,0];

for i=2:4

    for j=2:4

        PotX(i-1,j-1)=(X(i-1,j)+X(i,j-1)+X(i+1,j)+X(i,j+1))/4

        Pot(1)=abs(PotX(i-1,j-1)-X(i,j));

        Pot(2)=max(Pot)

    end  

end

X(2:4,2:4)=PotX

num=1;

while(max(1000.*Pot)>1)

    Pot(2)=0;

    for i=2:4

        for j=2:4

            PotX(i-1,j-1)=(X(i-1,j)+X(i,j-1)+X(i+1,j)+X(i,j+1))/4

            Pot(1)=abs(PotX(i-1,j-1)-X(i,j));

            Pot(2)=max(Pot)

        end

    end

    X(2:4,2:4)=PotX

    num=num+1

end

surf([0:4],[0:4],X);

shading interp

colorbar('horiz')

title('有限差分法计算电位图');

2、运行结果

X =

     0     0     0     0     0

     0    25    25    25     0

     0    50    50    50     0

     0    75    75    75     0

   100   100   100   100   100

%%第一次迭代

PotX =

   18.7500

Pot =

    6.2500    6.2500

PotX =

    7.1440    9.8230    7.1440

   18.7515   25.0023   18.7515

   42.8583   52.6801   42.8583

Pot =

  1.0e-003 *

    0.3815    0.7629

%%第28次迭代

X =

         0         0         0         0         0

         0    7.1440    9.8230    7.1440         0

         0   18.7515   25.0023   18.7515         0

         0   42.8583   52.6801   42.8583         0

  100.0000  100.0000  100.0000  100.0000  100.0000

num =

    28

3、波形图

matlab软件在使用有限差分法研究静电场边值问题中有着重要的作用，它能够快捷有效并且准确的解决边值问题，是解决计算相对复杂问题的有效工具。由于很久没有用过matlab程序，忘记了matlab的函数使用和初值定义方法等，导致实验的进度十分缓慢。对于编程思路，理清了有限差分法的概念就使之变得容易很多，所以我复习了优先差分法的求解方法，并自己做了一遍题，思路就有了，后期编程就是要知道运用什么函数就可以了。

 

第二篇：电磁场与电磁波实验系统

电磁场电磁波及天线测试系统

HD-CB-III型

一、系统简介

电磁场电磁波及天线技术是通信工程、电子工程、电磁场与电磁波、微波技术、天线技术类专业必不可少的一门实验课程，本系统包含功率测试、频率测试、方波信号产生，电磁波产生器、功率放大器、选频放大器等，具有电磁波极化特性测试，天线方向图测试、静电场中位移电流测试等多种功能，加深学生对电磁波产生、（调制）、发射、传输和接收、（检波）过程及终端设备相关特性的认识，培养学生对电磁场电磁波及天线应用的创新能力。

二、系统特点

3、电磁场电磁波及天线测试技术系统内置1KHz方波可调信号源、选频放大器，在完成对电磁波PIN调制功能的同时，可用于对天线方向图的测试,而无需选配其他实验装置。

4、本装置电磁波发射可选大功率或低功率两路输出，方便做不同实验时的自由切换，输出端口均为标准的N型接头。

5、电磁场电磁波及天线技术测试系统自带频率计及功率计，用于对发射电磁波频率功率的测试及校准。

6、完成电磁波的迈克尔逊干涉，天线极化特性测试、场电流的测试及终端天线增益的测试功能。

7、通过实验现象可观测入射电磁波及反射电磁波叠加形成的驻波现象，测试电磁波的波长及频率。

8、该测试系统融基础性、验证性与设计性于一体，由浅入深的引导学生完成电磁场电磁波及天线相关知识的学习，将抽象的理论知识通过实验现象反映出来，同时通过计算加以分析。

三、系统性能指标

1、工作频率范围： 800MHz-1200MHz

2、发射功率： <33dBm

3、整机功耗： <40W

4、标尺精度： 0.01mm

5、长度量程： 100CM

6、旋转测量精度： 1°

7、极化测量量程： 180°

四、系统主要部件参数

(一)基础部件参数

1．电磁波发射器

工作频率：800MHz-1200MHz，幅度频率均定制； 电平值：<33dBm； 频率稳定度：±5ppm

2.方波发生器

1

工作频率：1KHz可调； 幅度：0.1V-4V可调

3．电磁波功率计

频率测试范围：输入信号频率5MHz-8GHz； 功率测试范围：-30dBm-10dBm； 显示：数码管显示

4．电磁波频率计

频率测试范围：450MHz-3GHz； 显示：数码管显示

5.多极化天线（SMA接头）

参数：包含水平极化，垂直极化和圆极化（选配）三种极化方式

6.选频放大器

输入信号频率：1KHz； 灵敏度：0.1mv； 增益：0-60dB可调（兼具微调功能）

7.电流微安表

参数：测试范围：0.1uA-10uA

8.PIN调制器

射频输入：300MHz-3GHz； 方波输入：800Hz-1.2KHz

(二)“同轴测量线”参数

1．同轴测量线

频率范围：700MHz-1.6GHz； 阻抗：50Ω； 耐功率：≥100W

2、电流微安表

参数：测试范围：0.1uA-10uA

3、耦合器

工作频段：800MHz -1000MHz； 藕合度：6 DB -7DB； 驻波：1.1； 隔离度：12DB

4、同轴隔离器

工作频段: 700MHz -1000MHz； 功率:2W； 隔离度：大于15DB； 插损:小于0.5DB

五、实验内容

（一）电磁场电磁波模拟真空中测试

● 静电场的模拟测绘实验

掌握恒定电流法描绘等势线，模拟静电场的方法。

●麦克斯韦电磁场理论的验证

了解电磁感应的原理及作用，掌握电磁波辐射的原理，电场与磁场的相互关系，通过制作感应器作为接收装置来验证电磁场的存在。

● 电磁波感应器（天线）的制作

通过计算，学生通过计算自主设计半波天线，V型天线，环形天线等简单的感应装置，并了解其特性。 ● 电磁波的PIN调制特性

了解PIN调制的特性，用示波器测试调制波形及检波后的波形。

2

● 电磁波的麦克尔逊干涉实验

了解电磁波在传输过程中的干涉现象和驻波现象的形成，及这些现象形成的条件，观测电磁波传输过程中波节点与波幅点的产生。

● 电磁波反射，穿透性实验

了解电磁波传输过程中经金属良导体的反射，及非金属材料的穿透性实验。

● 位移电流的测试及计算

了解位移电流的定义，定性体验电磁场中感应电流的存在，定量测试感应电流的大小。

● 天线增益的测试

了解天线增益的定义，通过测试完成对标准天线如：八木天线等天线的增益测试。

● 电磁波波长的测试

通过电磁波波幅及波节现象的测试，通过公式计算出电磁波的波长。

● 电磁波的极化特性测试

了解极化的定义，通过改变天线的极化方式，了解天线的极化特性，并加以分析。

● 电磁波波节、波幅、驻波的测试

通过测量了解电磁波的波长及波幅，记录参数，并进行计算。

● 天线方向图的测试

了解天线方向图的定义，通过1KHz方波调制，完成对八木天线等的方向图的测试。

● 电磁波的频率测试

● 电磁波的功率测试

● 天线在空间某点处感应电信号的大小

测试空间某点电场强度的大小，同时改变测试环境，观察电场强度的变化，总结影响电场强度的因素。

（二）同轴线导体内测试

● 同轴线方式测量驻波

驻波比测试实验；

驻波相位L的测量；

反射系数的测试实验；

输入阻抗的测试实验；

电磁波波长（频率）的测试实验；

开路，短路，失配，匹配负载四种状态测试；

同轴定向耦合器实验；

同轴隔离器实验；

3