“电磁场与电磁波”和“微波技术”实验大纲及指导说明书要点

“电磁场与电磁波”和“微波技术”

课内实验大纲及实验指导书

唐万春，车文荃 编制

陈如山 审定

南京理工大学 通信工程系

2006年12月

目 录

1．“电磁场与电磁波”课内实验大纲 2．“电磁场与电磁波”课内实验指导说明书

实验一 电磁波参量的测定

实验二 电磁波的极化 3．“微波技术”课内实验大纲 4．“微波技术”课内实验指导说明书

实验一 传输线的工作状态及驻波比测量 实验二 微波网络散射参量测试 5．“电磁场与电磁波”和“微波技术”课内实验评分标准

南 京 理 工 大 学 实 验 教 学 大 纲

课 程 名 称： 电磁场与电磁波 开 课 实 验 室： 电磁场与微波技术实验室 执 笔 人： 唐 万 春 审 定 人： 陈 如 山 修（制）订 日 期： 2005年4月

一、本课程实验教学目的与要求：（约100～150汉字） 作为课堂教学的必要补充和深化，特开设本课程课内实验。通过本课程的实验教学，使学生能对自由空间电磁波的传播特性有一个感性认识，进一步理解和加深课堂教学内容。 要求学生了解各种极化形式电磁波的形成和特点，掌握电磁波频率（波长）和极化特性的测试方法。 二、实验项目与主要内容： 序号 实 验 项 目 名 称 学时 主 要 内 容 目的：了解电磁波的传播特性。 实验类型 验证 1 2 电磁波频率（波长）测试 电磁波极化的测试 2 内容： 测量电磁波自由空间波长和介质中的波长；确定相位常数和波速。 方法：干涉法 要求：掌握测试原理。 目的：了解电磁波的极化特性。 内容：线极化波、圆极化波和椭圆极化的产生与测试。 方法：用电磁波综合测试仪测试。 综合 2 要求：掌握实验原理。 三、实验说明： 课程总学分 课程性质 实验类别 考核方式 3 学分 实验学时数 0.25 学分 实验项目数 2个 通识基础□ 学科基础√ 专业选修□ 学科选修□ 集中实践环节□ 课程内实验√ 独立设课实验□ 集中综合实验□ 日常考核□ 操作技能考核□ 卷面考核□ 提交实验结果√ 面试□ 适用专业：通信工程，电子信息工程 实验教材及参考书：（按编著者、教材名称、出版社*、出版年月顺序填写） 蒋坤华. 电磁场实验指导书. 北京工业学院出版社,1988 钟时顺，钮茂德. 电磁场理论基础. 西安电子科技大学出版社,1995 所属实验室意见： 实验室主任： 年 月 所属课程意见：（对通识基础课、学科基础课适用） 课程负责人： 年 月 所属专业意见：（对专业选修课、学科选修课、集中实践环节适用） 专业负责人： 年 月 院（系）意见： 主管领导签章： 年 月 *由学校出版、印刷的实验教材（或指导书），统一写作“南京理工大学出版”。

“电磁场与电磁波”

课内实验指导书

唐万春 编写

南京理工大学通信工程系

二00六年十二月

实验一 电磁波参量的测定实验

1. 实验目的

a) 观察电磁波的传播特性。

b) 通过测定自由空间中电磁波的波长，来确定电磁波传播的相位常数k和传播速度

v。

c) 了解用相干波的原理测量波长的方法。 2. 实验内容

a) 了解并熟悉电磁波综合测试仪的工作特点、线路结构、使用方法。 b) 测量信号源的工作波长（或频率）。 3. 实验原理与说明

a) 所使用的实验仪器 分度转台 晶体检波器

可变衰减器 喇叭天线 反射板 固态信号源 微安表

实验仪器布置图如下：

反射板喇叭天线可变衰减器晶体检波器微安表分度转台固态信号源图1 实验仪器布置图

参阅图1。固态信号源所产生的信号经可变衰减器至矩形喇叭天线，由喇叭天线辐射出去，在接收端用矩形喇叭天线接收，接收到的信号经晶体检波器后通过微安表指示。

b) 原理

本实验利用相干波原理，通过测得的电磁波的波长，再由关系式

k?得到电磁波的主要参量k，v等。

2??,v??f??k

实验示意图如图2所示。图中Pr0、Pr1、Pr2和Pr3分别表示辐射喇叭、固定反射板、可动反射板和接收喇叭，图中介质板是一30?30(mm)2的玻璃板，它对电磁波进行反射、折射后，可实现相干波测试。

设入射波为： E??Ee?jk?r

图2 实验示意图

当入射波以入射角?1向介质板斜投射时，在分界面上产生反射波E?和折射波E?。设入射波为垂直极化波，用R?表示介质板的反射系数，用T?0、T?e分别表示由空气进入介质板和由介质板进入空气的折射系数。另外固定的和可动的金属反射板的反射系数均为-1。在一次近似的条件下，接收喇叭Pr3处的相干波分别为：

E1???R?T?0T??E?e?j?1

?E2??R?T??T?0E?e?j?2

即两者幅度相等，相位差为(?1??2)，其中

?1?k(L0?Lr1)?kL1

?2?k(Lr2?Lr1)?k(L0??l?Lr1)?kL2

从而可得

?L?L2?L1??l

因L1?L0?Lr1为固定值，而L2?L1??l是可改变的，改变可动反射板Pr2位置而取不同的L2?值，可使行程相位差为90。当?l的值使Pr3为最大输出时，必有E1?与E2同相叠加。若E1??与E2反相时，则Pr3输出指示为零。因此可以通过改变Pr2的位置即改变

l值，实现Pr3输

出最大与零的重复出现，从而测出电磁波的波长和相位常数k。有关表达式可推导如下

?E??E1??E2??R?T?0T??E?(e?j?1?e?j?2)??2R?T?0T??E?cos(式中 ????1??2?k(L1?L2)?k?l

???j(?1??2)2)e2

为了测准波长值，一般采用Pr3为零指示办法，即

cos或 这里n?0,1,2???0 2

????(2n?1),n?0,1,222表示相干波E??0的节点，而除零以外的n值，又表示相干波合成驻波的半

波长数，故n=0时，出现E??0，在Pr2处记为l0。 又因 ???2??故得 (2n?1)???l，

2?? ?l，

或：2?l?(2n?1)?。为确定相干波节点，可把波形图表示于图3上。

图3 波形图

当 n?0,2?l?2(Lr2?L0)??(?l0), 得第一个波节点位置 l0

n?1,2?l?2(l1?l0)??, 得第二个波节点位置 l1

n?N,2?l?2(lN?lN?1)??, 得第N个波节点位置 lN

可见，当波节点总数为(n?1)时，Pr2上移动的总距离为(lN?l0)，它相当于n个半波长数。即：2(lN?l0)?n?，故： ??2(lN?l0)。根据： nk?2??,v??f??k

就可得到所测电磁波的参量、k、v等值。可见测试波长所用公式得出的是平均值。从

理论上讲，n值越大，测出的值精度应越高。

实际测试时，一般取n=4已足够，这时相应于5个波节点，所测的波长为

??2(l4?l0) 4它表示5个波节点的距离(l4?l0)，相应于4个半波长。由于被测场E?处于近区场范围内，不仅影响着驻波节点位置均匀分布，而且使波幅值也有起伏。 4. 实验步骤

a) 了解并熟悉电磁波综合测试仪的工作特点、线路结构、使用方法。 b) 测量电磁波的波长。

首先调整好电磁波综合测试仪，使其能正常工作。然后测出电磁波的波长，根据测出的值，得到电磁波的重要参量k，由k值可计算出传播速度

v?2?f?k1?c

?0?0c) 用波长计（或频率计）测出信号源的工作波长（或频率）。

把测试值填入表1中。如采用3cm标准信号源，则可改变信号源工作频率f0（即改变?0）。由以上实验内容，得到相应的电磁波参量?,k,v，并与?0,k0,v0作比较（如使用该仪器本身的固态信号源，它已调定在一个固定频率f0上工作，故ν及k不能改变）。

?Ur1??S11 ??????Ur2???S21S12??Ui1??? S22????Ui2?? (1)

散射参量矩阵[S]中各元素的意义分别为：

S11：当输出端接匹配负载时，输入端口的电压反射系数； S22：当输入端接匹配负载时，输出端口的电压反射系数；

S12：当输入端接匹配负载时，输出端口到输入端口的电压传输系数； S21：当输出端接匹配负载时，输入端口到输出端口的电压传输系数。 因此网络输入端电压反射系数的模??S11，故输入驻波比为：

??1?S111?S11 （2）

回波损耗(return loss)Lr：回波损耗用来描述反射系数的幅度,有时又称为失配损耗。它与负载反射系数大小有关,其绝对值越大，则表明负载匹配越好，反射越小。引入回波损耗以后，反射系数的大小就可用dB形式来表示。

Lr?10lg1?2??20lg?(dB)??20lgS11(dB) (3)

插入损耗 (Insertion loss)IL：插入损耗定义为网络输出端接匹配负载时，网络输入端入射波功率Pi与负载吸收功率PL之比，即：

IL?用分贝表示，为：

IL?10logPiPLUr2?0?Ui1Ur222?1S212 (4)

1S212(dB) (5)

4． 实验步骤

（1）测量负载的阻抗、回波损耗及驻波 a) 开机（按照说明书要求），把频率范围设为1.8GHz～3.2GHz。

设定BF：1800MHz; △F：20MHz; EF：3200MHz; N=71。 b) 按图2 所示把电桥连接好，并选择测试B端口回损。

输出 输入A 输入B 电桥 图2负载反射特性测试框图

c) 开路校准：把开路器接上，按 [执行], 光标在Smith圆图上右端闪烁。

短路校准：把短路器接上，按 [执行], 光标在Smith圆图上左端闪烁。 d) 测负载：接上待测负载，可用Smith圆图看出变化趋势。 e) 测回波损耗

按 [菜单] 选择“对数”，再按 [执行]，即可出现回波损耗曲线，读出数据, 列表并画图。 f) 测驻波

按 [菜单]，把光标移到 [驻波]，按 [执行] 即可，有四档可选读数范围，读出数据，列表并画图。

（2）测量同轴可变衰减器的插入损耗 a) 按图3所示连接好。

输出 输入A 输入B 待测器件 10dB衰减器 10dB衰减器

图3 待测器件连接框图

b) 在主菜单上按“ ”键光标移到《测：A、B》下，按[→]或[←]键使A为《插损》，

B下为空白。 c) 直通校准

按“↓”使光标停在《校：直通》下，按“执行”键，此时为直通状态，测试系统（如电缆，10dB的衰减器）的插入损耗即归零，系统转入测试状态。 d) 测同轴可变衰减器的插入损耗

将待测试的同轴可变衰减器接到两电缆之间，按“主菜单”，用“ ”键把光标移到“对数”，按“执行”即可出现插入损耗曲线，读出数据，列表并画图。 5．

实验报告

a. 根据实验数据，画出待测负载在1.8GHz～3.2GHz的范围内的回波损耗及 驻波曲线。

b. 根据实验数据，画出待测同轴可变衰减器在1.8GHz～3.2GHz的范围内插入损耗曲线。

实验报告提纲包括以下内容： 实验名称 实验目的

实验步骤（包括使用设备，实验框架图，实验原理等） 实验结果（实验数据，相关数据处理）

讨论（对实验结果和实验中碰到的一些问题的解释） 结论（实验的收获，或者某些建议等等）

6．思考题

a. 实验前为什么要进行校准？

b. 经过校准后在测试端口接上匹配和短路负载，史密斯圆图上的光标应落在何处？ c. 参考面移动对测试结果是否有影响？

7．安全说明

2

在本实验室中所使用的微波源都在国际安全标准以内10mW/cm），不会对人体造成任何伤害。但是，在实验期间，请注意以下事项:

a. 不要用眼睛往任何连接其他设备的开路传输线里面看; b. 不要把身体的任何部位放在传输线的开口端; c. 在拆/装微波元器件时，请关掉微波信号源。

“电磁场与电磁波”及“微波技术”

课内实验评分标准

“电磁场与电磁波”和“微波技术”两门课程的课内实验，是课内教学的一个必要补充。通过这些课内实验，加深学生对很多抽象的物理概念和定理的理解和掌握。同时，借助形象的实验教学，学生可以了解和掌握一些常用微波元器件的工作原理，以及一些常用的微波仪器的使用方法，为以后的工程实际打下基础。

这两门课程的课内实验，一般四人一组协作完成，但要求每人递交一份独立的实验报

告。根据学生的出勤情况，实验能力，独立思考和解决问题能力等方面给出实验成绩，分为优秀，良好，中等，及格和不及格。

优秀（9-10分）：无缺课，迟到，学习态度端正。实验操作熟练，独立动手能力强，

对实验中出现的问题有较强的解决能力，测试数据准确，报告完整详细，对问题的分析详尽，解释准确。

良好（8-9分）：无缺课，迟到，学习态度端正。实验操作熟练，有较强的动手能力，

测试数据比较准确，报告完整详细，问题讨论分析比较详细。

中等（7-8分）：无缺课，迟到，学习态度端正。实验操作较熟练，有较强的动手能力，

测试数据较完整准确，报告较详细，问题讨论较详细。

及格（6-7分）：无缺课，迟到，学习态度端正。实验操作较熟练，有较强的动手能力，

测试数据基本准确，报告较详细，对问题有基本的讨论。

不及格（6分以下）：有以下情况均为不及格: 缺席实验课，学习态度不端正；抄袭他

人数据或者伪造实验数据；论文报告不规范，错误明显；不递交实验报告。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vce2.html