中南大学

 电磁场与电磁波实验报告

学生姓名                                      

学    号                                   

指导教师                                          

学    院          信息科学与工程学院                             

专业班级              通信                        

完成时间           20##年1月8日                             

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、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；反射角等于入射角。原理图如图1.1所示：

图1.1

三、实验内容与步骤

1. 实验仪器布置如图1.2所示：

图1.2    反射实验仪器的布置

2. 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。

3. 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

4. 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。

5. 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%。

6. 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，然后由左向右转动活动臂，使得表头指示最大，此时活动臂上指针所指的刻度就是左向反射角度数，记下该角度读数。再由右向左转动活动臂，使得表头指示最大，此时活动臂上指针所指的刻度就是右向反射角度数，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。

7. 然后分别将固定臂指针指在刻度为40度、45度、50度、60度处，重复上述操作，并记下相应的反射角读数。

四、实验数据记录

五、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。

六、实验思考题

1.周围环境哪些因素会影响到本次实验结果的精度？

答：外界的温度，手机信号的干扰，器材的平衡度和精确度以及实验室内的噪声等都会影响本次试验结果的精度。

七、实验结果分析

实验过程中由于实验器材不精确，导致测量出错，经过多次的调整使得测出的值与理论值接近时，纪录下所有测量数据。根据数据分析可知电磁波入射角与反射角几乎相等，从而有效的证明了电磁波的反射定律。

实验二    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、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下图所示：

        

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精确度，测量多个极小值的位置，设为第一个极小值位置，为第（n+1）个极小值的位置，，则波长：

 三、实验步骤

1. 实验仪器布置如下图所示：

2.调节天线的位置，使两喇叭口面互成90度，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。如下图所示：

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S0，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。

四、实验数据记录

五、实验数据处理

1. 根据实验测得数据，计算信号源波长；

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。

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？

答：1） 空回误差：要减小空回误差需要在回调时允许一定的空转量，即多转一点。

2） 校准误差：这是由于发生器与仪器的连接角度全靠目测调整，难免存在误差，所以需要在实验前利用一组标准数据进行校准。

3） 读数误差：因为读数时寻找的是最大值或是最小值，难免存在误差，解决办法是多次测量，取平均值。

实验三   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、 实验原理

实验原理图如图3.1所示：

                             图3.1

对于具有的均匀无耗媒质，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，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，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与之间满足：

 

三、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，连续移动可移动反射板，得到若干个值，取算术平均值，得到一个较为准确的；

3.用卡尺测量待测介质板的厚度d。

四、实验数据记录

介质板厚度： d=（  ）（mm）

五、实验思考题

介质的相对介电常数的测量误差与哪些因素有关？

答：方法与测波长相似，所以误差也相似，如下：

（1）回程误差

（2）校准误差：装置的角度全是由目测调整，难免不能完全直线或者垂直的关系，这样会造成误差。

（3）读数误差：因为读数时寻找的是最小值，难免存在误差，比如读游标卡尺时的误差，可以多次测量取平均值减少误差。

六、实验结果总结

本次实验是利用电磁波的干涉原理，研究均匀无耗媒质参量的测量方法，

从而熟悉均匀无耗媒质分界面对电磁波的反射和透射特性。实验中，由于对实验器材的操作不是很熟练，多次测量都出现错误，实验不是很顺利。经过多次练习并熟悉了操作测量过程后才准确测出了实验所需数据，并计算出了实验中所选用煤质的参量，达到了实验的目的，可还是存在一定的误差。通过这次实验了解的电磁波的反射和透射定律，从而巩固了所学理论知识。

 

第二篇：电磁场与电磁波实验报告 2

电磁场与电磁波实验报告

                          

实验一  电磁场参量的测量

一、实验目的

1、在学习均匀平面电磁波特性的基础上，观察电磁波传播特性互相垂直。

2、熟悉并利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长，并确定电磁波的相位常数和波速。

二、实验原理

两束等幅、同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内从相同（或相反）方向传播时，由于初始相位不同发生干涉现象，在传播路径上可形成驻波场分布。本实验正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由空间内电磁波波长的值，再由 ，               

       得到电磁波的主要参量：和等。

       本实验采取了如下的实验装置

      

设入射波为，当入射波以入射角向介质板斜投射时，则在分界面上产生反射波和折射波。设介质板的反射系数为R，由空气进入介质板的折射系数为，由介质板进入空气的折射系数为，另外，可动板和固定板都是金属板，其电场反射系数都为-1。在一次近似的条件下，接收喇叭处的相干波分别为，

          

       这里  ；；

其中。

又因为为定值，则随可动板位移而变化。当移动值，使有零指示输出时，必有与反相。故可采用改变的位置，使输出最大或零指示重复出现。从而测出电磁波的波长和相位常数。下面用数学式来表达测定波长的关系式。

    在处的相干波合成为

                      

或写成                          （1-2）

式中

    为了测量准确，一般采用零指示法，即             

或      ，n=0,1,2......    

这里n表示相干波合成驻波场的波节点（）数。同时，除n=0以外的n值，又表示相干波合成驻波的半波长数。故把n=0时驻波节点为参考节点的位置

又因                                           （1-3）

故             

或                                           (1-4)

    由（1-4）式可知，只要确定驻波节点位置及波节数，就可以确定波长的值。当n=0的节点处作为第一个波节点，对其他N值则有：

n=1，  ,对应第二个波节点，或第一个半波长数。

 n=1， ,对应第三个波节点，或第二个半波长数。

…

    n=n，    ,对应第n+1个波节点，或第n个半波长数。

    把以上各式相加，取波长的平均值得

                       

                                                     （1-5）

代入得到电磁波的参量等值。

三、实验步骤

（1）    整体机械调整：调整发射喇叭，接收喇叭，使其处于同种极化状态。

（2）    安装反射板，半透射板：注意反射板轴向成90度角，半透射板轴向与轴向成45度角，并注意反射板的法向分别与轴向重合。

（3）    将所有调整到位部分用螺钉锁紧，调整发射端的衰减器以控制信号电平，使表头指示为80。

（4）    旋转游标使可移动反射板的起始位置在最右侧（或最左侧），用旋转手柄移动使所有节点位置处，表头指示都为0.此时说明整个系统调整到位。

（5）    测量：用旋转手柄使反射板移动，从表头上测出n+1个零点，同时从读数机构上得到所有节点位置，并记录。

（6）    连续测量3次，用公式（1-5）计算波长，并将3次波长求平均值，取3或4即可。

（7）    用所测波长计算值。

四、实验数据

五、实验结果整理，误差分析

；

误差=

误差分析：原因可能有：

⑴ 系统误差。由某些固定不变的因素引起的。在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 由某些不易控制的因素造成的。在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。

例如：微安表读数存在一定的误差；装置摆放多靠目测，难以保证垂直、对准、水平等条件严格满足，如两个喇叭口不水平；

　　⑶ 粗大误差 与实际明显不符的误差，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。

减小误差：

　　（1）选定合适的实验仪器。工欲善其事，必先利其器，需要仔细考虑。

　　（2）严格按照实验步骤、方法操作。

　　（3）熟练掌握各种测量器具的使用方法，准确读数。

　　（4）创新，直接改进测量方法

六、思考题

用相干波测电磁波波长时，如图若介质板放置位置转90度，将出现什么现象？这时能否测准？为什么？

答：原测量方法时 Er1= -Rn Tn0 TnEie-iφ1

                 Er2= -Rn Tn0 TnEie-iφ2   

      转后          Er1= -Rn Eie-iφ1      

                 Er2= -Rn Tn0 TnEie-iφ2

      这将使得由Tn0 Tn所产生的幅度 相位变化也计入两相的和中，因此很可能无法产生明显的驻波分布。因此不能准确测量λ值。

      

七、心得体会

本实验初步研究学习了电磁波基本参量的测量方法，从直观上得到了电磁波作为一种非机械波但仍具备波的基本特性的结论。

本次实验进行得较为顺利，期间得到的结果也比较理想。我和我的搭档在进行第一次实验就得到了理想的结果，误差在十分微小，这主要是我们开始调节装置时就非常到位，就像老师在课上所说的“欲速则不达”的道理。

这次实验是第一次做电磁场与电磁波实验，在熟悉了电磁波参量的测量手段和仪器的使用方法的基础上，从很多方面学习和加深了对理论知识的理解。

实验二  均匀无耗媒质参量的测量

一、实验目的

（1）    应用相干波节点位移法，来研究均匀无损耗媒质参量的测试。

（2）    了解均匀无损耗媒质中电磁波参量与自由空间内电磁波参量的差别。

（3）    熟悉均匀无损耗媒质分界面对电磁波的反射和折射的特性。

二、实验原理

媒质参量一般应包括介电常数和磁导率两个量。它们由媒质方程来表征。要确定，，总是要和E，H联系在一起，对于损耗媒质来说，而且与频率有关。本实验仅对均匀无损耗电介质的介电常数进行讨论（），最终以测定相对介电常数来了解媒质的特性和参量。

用相干波原理和测驻波节点的方法可以确定自由空间内电磁波参量。对于具有（）的均匀无耗媒质，无法直接测得媒质中的值，不能得到媒质参量值。但是我们利用类似相干波原理装置如图所示

在前，根据对板放置前后引起驻波节点位置变化的方法，测得相对变化值，进而测得媒质的值。首先固定，移动使出现零指示，此时的位置在处，由于板的引入使得指示不再为零。

我们把喇叭辐射的电磁波近似地看作平面波。设接收喇叭处的平面波表达式为

                                         

       由于处存在厚为的媒质板（非磁性材料的媒质）使处的之间具有相位差（因）。

                                                

                                                

这里相当于板不存在时，相应距离所引起的相位滞后，因此得到时媒质板内总的相位滞后值为

                                                             （2-1）

为了再次使实现相干波零指示接收，必须把连同板向前推进，造成一个相位增量，其值是

                                                                         （2-2）

从而补偿了板的相位滞后，使整理上述式子得

                                                                                       （2-3）

                                                                           （2-4）

                                                                        （2-5）

                                                                           （2-6）

根据测得的值，还可以确定该媒质与空气分界面上的反射系数和折射系数R，T。当平面波垂直投射到空气与媒质分界面时，利用边界条件得

                                                                          （2-7）

                                                                          （2-8）

当平面电磁波由媒质向自由空间垂直投射时，相应的反射系数和折射系数为

                                                              （2-9）

                                                       （2-10）

由表达式可看出，当测出的值时，也可确定相应材料的的值。

三、实验步骤

（1）    整体机械调整，并测出板的平均厚度

（2）    根据图安装反射板、透射板，固定移动、使表头指示为零，记下处L的位置。

（3）    将具有厚度为待测介质板放在，必须紧贴，同时注意在放进板之后，仍处于波节点L的位置。此时指示不再为零。

（4）    将和共同移动，使由L移到L’处时再次零指示，得到。

（5）    计算、、,v、R、T的值。

四、实验数据

五、数据处理、误差分析

（1）由上次试验，

（2）误差分析：实验存在一定的误差，原因分析：

1.实验中实验台一起摆放可能达不到严格的标准要求；

2.游标卡尺读数存在误差；

3.仪器精度没有达到要求；

介质的相对介电常数的测量误差：

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

六、思考题

本实验内容用 μr=1,测试均匀无损耗媒质值。可否测μr≠1的磁介质？试说明原因。

答：本实验的方法不可以。因为本实验的所有推导公式均假设μr＝1，才能满足非磁性介质材料，，因此不可。若μr≠1，会影响电磁场的原有分布，则需要确定μr＝μ/μ0，方法更为复杂，无法测得正确的结果。

七、心得体会

本次实验我学习研究了测量均匀无损耗媒质参量的基本方法，更进一步巩固了理论课学习的知识。并且学到了利用间接法测量均匀无损耗媒质参量的方法，加深了对此的认识和理解，熟悉了均匀无损耗媒质分界面对电磁波的反射和折射的特性。

由于这次实验是建立在前一次的基础上，而第一次实验误差比较小，为这次实验打下了很好的基础，熟悉了游标卡尺的使用，总体来说依然比较简单，唯一需要注意的地方就是测量厚度的时候，把介质板夹在装置上的时候，要注意四周夹紧，不要出现缝隙，否则会出现较大的误差。

实验三  电磁波反射、折射的研究

一、实验目的

（1）    研究电磁波在良好导体表面的反射。

（2）    研究电磁波在良好介质表面的反射和折射。

（3）    研究电磁波发生全反射和全折射的条件。

二、实验原理

1、电磁波斜入射到两种不同媒质分界面上的反射和折射

均匀平面波斜入射到两种不同媒质的分界面上发生反射和折射，以平行极化波为例:

(1)反射定律：                                         （3-1）

(2)折射定律：                             （3-2）

2、平行极化波入射到两种媒质分界面上发生全折射（无反射）的条件

平行极化波在两种媒质分界面上的反射系数分别为：

                        （3-3）

                （3-4）

平行极化波斜入射时发生全反射，即=0，由上式应有
                                 （3-5）                                  

可以解出全折射时的入射角
                                （3-6）

 称为布儒斯特角，它表示在全折射时的入射角。

平行极化波斜入射到厚度为d的介质板上，如下图所示：

当时，入射波在第一个界面上发生全折射，折射波入射在第二个界面上，仍然满足条件发生全折射，在介质板后面就可以接收到全部的入射信号。

1、垂直极化波不可能产生全折射（无反射）

垂直极化波入射到两种媒质的分界面上，反射系数和分别为：

                                     （3-7）                                         

                                    （3-8）

对于一般媒质，，可以证明，垂直极化波无论是从光疏媒质射入光密媒质，还是从光密媒质射入光疏媒质，总有：

，即

所以不可能发生全折射。

沿任意方向极化的平面电磁波，以入射到两种媒质的分界面上时反射波中只有垂直极化波分量，利用这种方法可以产生垂直极化波。

4、 电磁波入射到良导体表面的反射

对于良导体，, 所以

所以：在良导体表面上斜投射的电磁波，其反射场等于入射场，反射角等于入射角。

三、实验步骤

（1）    调试实验装置：首先使两个喇叭天线互相对正，他们的轴线应在一条直线上。具体方法如下：旋转工作平台使刻线与固定臂上的指针对正，再转动活动臂使活动臂上的指针对正工作平台上的刻线，然后锁定活动臂。打开固态信号源上的开关，连接在接收喇叭天线上的微安表将有指示，分别调整发射喇叭天线和接收喇叭天线的方向，使微安表的指示最大，这时发射天线与接收天线互相对正。

（2）    测试电磁波入射到良导体表面的反射特性

首先不加反射板，使发射天线与接收天线互相对正，调整固态信号源，测出入射波电场（可使微安表指示80）。然后把良导体反射板放在转台上，使导体板平面对准转台上的刻线，这时转台上的刻线与导体板的法线方向一致。改变入射角，测在反射角时的反射波场强（仍用微安表指示的电流表示），最后可把接收天线转到导体板后（刻线处），观察有无折射波。

（3）    平行极化波斜入射到介质板上的全折射实验

把发射天线和接收天线都转到平行极化波工作状态。首先，测量入射波电场。然后把玻璃板放在转台上，使玻璃板平面对准转台上的90度刻线。转动转台改变入射角，使，同时得到斜投射时，反射波场强为零的入射角，这时，把测量数据填入表中。

把发射天线和接收天线都转到垂直极化波工作状态，重复上述实验，观察有无全折射现象。

把发射天线喇叭转到任意方向，使入射角，在反射波方向分别测量水平极化波和垂直极化波，记录实验结果，把测量的数据填入表中。

四、实验数据

（1）       电磁波入射到良导体表面的反射特性数据

（2）       A、 平行极化波的全折射现象

B、发射天线喇叭在任意方向（如）

五、数据处理、误差分析

由数据（1）可以看出：良导体表面上投射的电磁波满足反射定律。在一定范围内，反射场基本上等于入射场。

由（2）中

A、      发射天线和接收天线都在平行极化波工作状态

可以看出：平行极化波以入射到两种媒质分界面上，会发生全折射，无反射场。  

B、      发射天线喇叭在任意方向（如）

可以看出：沿任意方向极化的平面电磁波入射到两种媒质的分界面上时，反射波只有垂直极化波分量，无水平极化波分量，利用这种方法可以产生垂直极化波。

误差分析：

1.发射喇叭和接收喇叭无法严格控制一条轴线上，存在一定的角度偏移。

2.读数的误差：如微安表和分度盘读数。

3.周围环境因素会影响到本次实验结果的精度，如微小的震动以及光线的干扰都会引起实验的误差，影响精度。

六、思考题

在介质板表面，斜投射垂直极化波时能否发生全折射（即无反射），为什么？

答：不能发生全折射。

由垂直极化波的反射系数 使分母为0，则： 所以只有当ε1＝ε2时才成立，所以不可以。

综上：垂直极化波不能发生全折射。

七、心得体会

本次实验我研究了电磁波在良好导体表面的反射，掌握了电磁波发生全反射和全折射的条件，进一步的巩固了理论知识的记忆和理解。本次实验进一步的巩固了实验仪器的操作方法。

总体来说，作为第一次有机会做电磁场与电磁波的实验的我们来说我们很幸运，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。电磁场与电磁波是通信专业的重点课程之一，本次试验设计的仪器精度系数比较高，而且仪器之间电磁波干扰不可避免，所以造成此次试验误差偏大， 但通过这次实验我们通过实验的方法验证了一系列公式定理，将书本上偏理论的东西。