电磁场与电磁波实验报告

一、实验目的要求

1． 理解物理模拟法的实验原理和应用条件。

2． 学习用物理模拟法研究静电场。

3． 加深对静电场场强和电位的理解。

二、实验内容

1． 了解装置电路及实验原理。

2． 描绘矩形水槽薄水层中两个点电极产生的二维静电场。

三、实验仪器与软件

矩形水槽、坐标纸两张、稳压电源和电压表，模拟电极、导线、固定支架。

四、实验原理

理论上讲，如果知道了电荷的分布，就可以确定静电场的分布。电场既可以用电场强度（电力线）来描述，又可以用电势U（等势面、线）来描述。由于标量的测量和计算比矢量简便，因此，人们更愿意用电势来描述电场。在给定条件下，确定系统静电场分布的方法，一般有解析法﹑数值模拟法和物理模拟法。解析法只能求解一些简单的问题；数值模拟法，也就是数值计算方法，它能解决一些复杂的问题，虽计算量很大，但在计算机的帮助下，目前已经得到长足的发展，应用很广，数值模拟也有不足之处，对于一些形状比较复杂的带电体或电极周围静电场的分布，求解也非常困难。模拟法作为一种重要的实验研究方法，它本质上是用一种易于实现﹑便于测量的物理状态或过程来模拟另一种不易实现﹑不便测量的物理状态或过程。其条件是两种状态或过程有两组一一对应的物理量，并且满足相同形式的数学规律。

由于静电场中不存在电流，一般磁电式仪表，在有电流时才会有反应，因此难以确定静电场的等势线。由于在一定条件下电介质中的稳恒电流场与静电场服从相同的数学规律，可以用恒定电流的电场模拟静电场。如接到直流电源两端的小圆柱形电极之间形成的恒定电场，可以用来模拟等量异种电荷之间的静电场。

静电场与稳恒电流场的对应关系为

根据上表中的对应关系可知，要想在实验上用稳恒电流场来模拟静电场，需要满足下面三个条件：

⑴电极系统与导体几何形状相同或相似；

⑵导电质与电介质分布规律相同或相似；

⑶电极的电导率远大于导电质的电导率，以保证电极表面为等势面。

实验中确定等势点的根据是：当两点电势相等时，连接该两点间的导线上无电流通过，否则将有电流从高电势点流向低电势点。

五、实验步骤

1． 将坐标纸压在盛有薄水层的透明水槽下面,如图一所示；

2． 根据各组的情况，确定供电电极A（正极，电位为U₀）,B（负极电位为零）的坐标，然后按图一的方式，接好电路。为了接触良好，供电电极A,B也要固定好。电压表的两支表笔(红表笔为M,黑表笔为N)用作探针，用于测量等位线。

 

3、测量AB之间的电压U₀  = 20V。测量以下电位的等值线：8V,10V,12V,14V,16V。

4、黑表笔N极接B极，红表笔M极轻轻在薄水层上滑动，当电压表的读数为8V时, 将红表笔M极固定，并读出水槽下面坐标纸上的坐标, 记录在另一张坐标纸上。

5、再让黑表笔N极轻轻在薄水层上滑动，当电压表的读数为0时，每隔0.5~3cm的间距，读出水槽下面坐标纸上的坐标,并将这些点的位置标在另一张坐标纸上，就可记录下8V的等位线。

6、重复4-5的操作，记录U₁,U₂,U₃,……,U_n = 8V,10V,12V,14V,16V的等位线，直到全部测完。

7、关闭电源，根据坐标纸上的点用点划线勾画等值线图。

8、改变AB之间的电压U₀，重复4-7的操作，并观察两种情况下的电位分布是否一

样，分析其原因。

数据记录格式

注意事项

    1．为保证模拟场准确，水层必须薄，否则不能近似为二维问题。

    2．为避免接触电阻对探测的影响，必须确保电极与水层接触良好，且应尽量与坐标纸面垂直。

3．等势点间距离不要太大，一般在0.5～2cm左右，对于等位线曲率较大或靠近供电电极处应多测一些等位点。

六、结果分析问题讨论

1． 用电流场模拟静电场的理论依据是什么？

2． 分析影响探测结果的各种因素？

3． 分析A、B极与水层之间的接触电阻的变化对观测结果的影响，如何避免？

4． 如果要描绘12V的等位线，下面哪一种做法正确？并说明原因。
    a. 黑表笔N极接B极，红表笔M极在水中轻轻滑动，当电压表的读数为12时用力按一下，在坐标纸上记录该点的位置，并将红表笔M极固定；再让黑表笔N极轻轻在薄水层上滑动，当电压表的读数为0时，每隔0.5~2cm的间距在坐标纸上记录这些点的位置，就可记录下12V的等位线。
    b. 黑表笔N极始终接B极，让红表笔M极不断地在水中轻轻滑动，只要电压表的读数为12时，每隔0.5~2cm的间距，在坐标纸上就可记录下12V的等位线。

5． 如果电源电压增加一倍，等位线与电力线的形状是否变化？

6． 与实验一数值模拟的结果进行对比，分析电位等值线图不完全一样的原因。

 

第二篇：电磁场与电磁波天线部分实验报告

 

《电磁场与微波实验》

——天线部分实验报告

 

姓名：王胤鑫

班级：08211108

序号：09

学号：08210224

实验一 网络分析仪测量振子天线输入阻抗

实验目的:

1.     掌握网络分析仪校正方法；

2.     学习网络分析仪测量振子天线输入阻抗的方法；

3.     研究振子天线输入阻抗随振子电径变化的情况。

实验原理：

当双振子天线的一端变为一个无穷大导电平面后，就形成了单振子天线。实际上当导电平面的径向距离大到0.2~0.3λ，就可以近似认为是无穷大导电平面。这时可以采用镜像法来分析。天线臂与其镜像构成一对称振子，则它在上半平面辐射场与自由空间对称振子的辐射场射相同。

由于使用坡印亭矢量法积分求其辐射功率只需对球面上半部分积分，故其辐射功率为等臂长等电流分布的对称振子的一半，其辐射电阻也为对称振子的一半。当h<<λ时，可认为R≈40 。由于天线到地面的单位长度电容比到对称振子另一个臂的单位长度电容大一倍，则天线的平均特征阻抗也为等臂长对称振子天线的一半，为=60[ln(2h/a)-1]。

实验步骤:

1.     设置仪表为频域模式的回损连接模式后，校正网络分析仪;

2.     设置参数并加载被测天线，开始测量输入阻抗;

3.     调整测试频率寻找天线的两个谐振点并记录相应阻抗数据；

4.     更换不同电径（φ1，φ3，φ9）的天线，分析两个谐振点的阻抗变化情况;

设置参数：BF=600，?F=25，EF=2600，n=81；

测量图：

1mm天线的smith圆图

3mm天线的smith圆图

9mm天线的smith圆图

实验结果分析

通过3种不同直径的天线的smith圆图的测量，发现随着天线直径的增大，天线的阻抗特性变化越大，理想状态下天线的smith圆图应该是一个中心在正实轴某处的一个规则的圆，但实验结果发现9mm天线的smith圆图的阻抗特性非常不规则，随着频率的增高，其阻抗特性变化非线性。

被测天线的电径对天线的阻抗是基本不产生影响的，上述三图中阻抗有差别主要是因为三根阵子粗细不同因而对空间电磁场产生了一些影响导致了天线阻抗的变化，本质上是不影响的。

天线的电阻随着频率的变化是不断变化的，频率变化范围为600KHz到2600KHz，变化的趋势为——在前20个点基本不变，后面的点基本随着频率的增加电阻增加。随着频率的增大从负电抗变化到正电抗，每一个都有电抗零点。

心得体会

本次实验让我初步掌握了网络分析仪的使用方法，学会了用网络分析仪测量振子天线输入阻抗，并且了解了振子天线输入阻抗随振子电径的变化。通过本次实验让我了解到了许多知识，让我受益匪浅。

实验二 网络分析仪测试八木天线方向图

实验目的:

1.     掌握网络分析仪辅助测试方法；

2.     学习测量八木天线方向图方法；

3.     研究在不同频率下的八木天线方向图特性。

实验原理：

实验中用的是七单元八木天线，包括一个有源阵子，一个反射器，五个引相器(在此图中再加2个引相器即可)

引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90°，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180°，起到了抵消作用。一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。发射状态作用过程亦然。

实验步骤:

1.     调整分析仪到轨迹（方向图）模式;

2.     调整云台起点位置270°；

3.     寻找归一化点(最大值点);

4.     旋转云台一周并读取图形参数;

5.     坐标变换、变换频率（600MHz、900MHz、1200MHz），分析八木天线方向图特性；

测量图:

600MHz

900MHz

1200MHz

实验结果分析

由三个不同频率下的方向图可知：

1)八木天线的方向图是对称的，既其主瓣和后瓣是相同的，F=600MHz的图主瓣和后瓣比较均匀，说明受到的干扰小，而F=900MHz的图和F=1200MHz的图主瓣和后瓣有很严重的偏差，说明空间电磁场的干扰很大。

2)由上图可知：最大辐射方向基本是在60°和240°这条直线上。

3)在F=600MHz图上和F=900MHz图上旁瓣都很小，既能量大部分都集中在主瓣上，而在F=1200MHz图上由于受空间电磁场的干扰，使得旁瓣所占能量比较大。

4)对于F=600MHz图和F=900MHz图可知其前后比基本趋向于1，而对于F=1200MHz图由于受到影响使得前后壁大于1。

心得体会

今天做实验才第一次知道病了解了八木天线，它的命名原来是以日本人命名的。八木天线在传播电磁波的时候，会有主瓣和旁瓣后瓣之分。实验中通过旋转云台，读取数据，可以得到最佳接收状态。旋转一周后，可以从图上看到不同频率下的方向图。由于实验中，人为操作的问题，加上两组同时做实验会有相互干扰，导致在1200Mhz时受到干扰大，所得到图形偏差较大。由此可知，在天线的实际应用中，抗干扰技术非常重要本次实验让我了解了八木天线，进一步加深了网络分析仪的使用，并且学会了测量八木天线方向图，知道了不同频率下八木天线的特性。通过这次实验让我学到了许多知识，对我有很大的帮助。