电磁场与电磁波实验讲义(1).

电磁场与电磁波实验讲义信息学院电子系
目录
一、概述
二、系统成套性
三、机械结构的安装与调整
四、使用方法
1．反射实验
2．极化波的产生/检测
3．圆极化波左旋/右旋
五、附录
一、概述
DH926AD型数据采集仪是专为配合DH926B型微波分光仪使用的计算机采集测试仪器。

数据采集仪根据微波、电磁场检波原理，采用微电流放大系统，检波信号经过全波整流电路后输出直流信号送A/D。

A/D为通用型8通道12位，A/D接收检波后的直流信号，经过多通道选择电路送内置采样保持放大器，使信号在转换期间内保持不变。

由光电传感器提供的场地址定位计数脉冲，同样送A/D由软件控制计数，按照工业标准完成12位模/数转换。

二、系统成套性
DH926U型微波分光仪自动测试系统主要包含DH926B型微波分光仪、DH926AD型数据采集仪及DH1121B型三厘米固态信号源三部分。

下面分述每部分仪器的成套性：
其中，DH1121B型三厘米固态信号源的三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长（出厂时信号调在λ=32.02mm上），这种微波信号就相当于光学实验中要求的单色光束。

DH926B型微波分光仪的喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是20°，E面是16°。

当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏损方向是垂直于水平面的；可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大；晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号（当微波信号幅度用低频信号调制时）。

当以上这些元件连接时，各波导端应对齐。

如果连接不正确，则信号传输可能受破坏。

三、机械结构的安装与调整
1．DH926B型微波分光仪分度转台的安装与调整：
本仪器为了便于运输、包装，出厂包装时将分度转台做了必要的拆卸，用户在使用前需做如下安装与调整。

（l）基座（即喷漆的大圆盘）的安装：
（参看图A）。

将Φ40.5的孔向上，将四个支脚按图安置在基座上。

（2）固定臂的安装：
在包装箱中将固定臂取出，将固定臂头部的4个M5螺钉通过基座（即喷漆的大圆盘）四个沉孔拧入固定臂，并将指针摆正。

（3）活动臂的安装：
将喷漆的大圆盘上的两个M3螺钉（参看图B）松开后，将活动臂上的三个M4螺钉拧紧，再把两个M3螺钉拧紧，使活动臂能自由旋转。

拧紧塑料头螺钉即可使活动臂固紧，松开塑料头螺钉即可使活动臂自由旋转。

（4）铝制支柱的安装：
包装箱内有四根不同长度的铝制支柱，将其中最长的一根旋入固定臂螺孔中；次长的一根旋入活动臂（即可水平摆动的臂）螺孔中；次短的一根在做迈克尔逊干涉实验时再旋入基座的螺孔中，实验完成后随时取下；最短的一根旋入读数机构滑行螺母的螺孔中。

（5）发射和接收喇叭天线的安装：
将发射喇叭天线（即带有一段与波导法兰相同的短波导喇叭天线）通过上面的Φ10钢柱插入旋在固定臂上的铝制支柱的Φ10孔中。

可变衰减器直接安装在发射喇叭天线和DH1121B型三厘米固态信号源振荡器之间，并大致使喇叭天线口对正工作平台中心（即刻有0～180～0的圆盘），然后将铝制支柱上的拨棍螺钉拧紧。

接收喇叭天线用4个M4×8的螺钉将检波器固定在一个可旋绕天线轴线旋转的波导段上。

连接好后，通过波导段上的Φ10钢柱插入活动臂上铝制支柱的Φ10孔中，并大致使喇叭口对正工作平台中心，拧紧拨棍螺钉。

（6）整机机械调整：
首先旋转工作平台使0刻线与固定臂上指针对正，再转动活动臂使活动臂上的指针对正在工作平台180刻线，然后将安装在基座上的滚花螺钉拧紧，使活动臂不易自动摆动（即锁紧）。

用一根细线绳，拉紧在发射、接收两个喇叭天线之间，先使喇叭天线上刻的短刻线（每个喇叭上和法兰上都有刻线）成一直线。

以细绳为准绳，通过水平转动两个天线的角度来实现。

然后，用一块反射板（本仪器所带的成套件）或一块大三角板垂直放在工作平台上，并使垂足通过工作平台中心。

此时，看细线是否正与反射板或三角板垂直平台平面的一边正好靠上（允许误差2mm）。

如不符合规定要求，可重新调整固定臂的安装角度和指针，也可稍微摆动活动臂，使细线正与垂边靠上，然后调整活动臂上的指针位置，使其指向180刻线。

（7）成套件的安装：
1）模拟晶体的调整：
出厂前初步做过调整，但由于运输振动铝制球会串动，用户在使用前需对其进行调整。

晶格常数设计为4mm，成套件中备有一叉形（梳形）模片，利用模片分别上下一层层拨动铝球，使球进入叉槽中，即可调好。

2）其它成套件的安装调整工作可在做各项实验时，用户根据后面所述的使用方法进行。

2．DH1121B型三厘米固态信号源的安装与调整：
将固态信号源的振荡器用M4×14的螺钉固定在DH926B型微波分光仪喇叭天线的可变衰减器上。

3．DH926AD型数据采集仪的安装与调整：
首先将DH926AD型数据采集仪配套的三个光栅分别安装在DH926B型微波分光仪的预留的相应位置上。

然后将视频电缆的两端分别接在DH926AD型数据采集仪的检波输入和DH926B型微波分光仪的接收喇叭天线连接的检波器插座上。

最后根据每个实验的不同内容，将通道电缆线的两端分别连接到光栅和数据采集仪的相应通道输入口上。

四、使用方法
应用软件以七个典型的波动实验来说明本套教学仪器的使用方法，用户可根据情况或再增加适当的附件做更多的实验。

例如选用DH30003型栅网组件与本系统组合使用时，满足相应的条件就可得到线极化、圆极化和椭圆极化的电磁波，通过三种极化波的产生、检测，帮助学生了解电波极化的概念；选用DH30002型极化天线组件与本系统组合使用时，可用于多种电磁波实验，产生圆极化波，实现圆极化波反射和折射特性的实验……
1．反射实验：
电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射，本处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，即反射线在入射线和通过入射点的法线所决定的平面上，反射线和入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角。

1）系统构建指南：
系统构建时，如图1，开启DH1121B型三厘米固态信号源。

DH926B型微波分光仪的两喇叭口面应互相正对，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。

反射全属板放到支座上时，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DH926AD型数据采集仪提供的USB电缆线的两端根据具体尺寸分别连接
图1 反射实验
到数据采集仪的USB口和计算机的USB口，此时，DH926AD型数据采集仪的USB指示灯亮（蓝色），表示已连接好。

然后打开DH926AD型数据采集仪的电源开关，电源指示灯亮（红色），将数据采集仪的通道电缆线两端分别连接到DH926B型微波分光仪分度转台底部的光栅通道插座和数据采集仪的相应通道口上（本实验应用软件默认为通道1）。

最后，察看DH1121B型三厘米固态信号源的“等幅”和“方波”档的设置，将DH926AD型数据采集仪的“等幅/方波”设置按钮等同于DH1121B型三厘米固态信号源的设置。

转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在某一刻度处，这刻度数就是入射角度数，然后转动活动臂在DH926AD型数据采集仪的表头上找到一最大指示，此时微波分光仪的活动臂上的指针所指的刻度就是反射角度数。

如果此时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或晶体检波器，使表头指示接近满量程做此项实验。

入射角最好取30°至65°之间，因为入射角太大或太小接收喇叭有可能直接接收入射波。

做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。

2）软件指南：运行应用软件，出现如下启动界面（如图2）。

图2 启动界面
在启动界面上点击“进入”按钮，进入系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”（如图3），您可看到十个子菜单项。

单击第一个子菜单项“反射实验”，屏幕上会出现“建
图3 系统主菜单
议”提示框（如图4），这是应用软件根据实验内容建议您选择的“采集点数”和“脉冲通
图4 “建议”提示框
道”，单击“OK”按钮，进入“输入采集参数”界面（见图5），建议采用我们推荐的“采集点数和通道号”，这样有利于更好观察采集过程及处理数据。

如果您未做选择直接点击了“试采集”或“正式采集”按钮，“采集点数和通道号”则按照我们建议的默认值“采集点数为120，通道号为1”选择。

在您选择好“采集点数和通道号”后，DH926AD型数据采集仪相应通道指示灯亮（绿色），软件进入采集过程界面。

图5 输入采集参数
如果您想预览一下采集过程，您可点击“试采集”按钮，屏幕上便会出现“试采集界面”（如图6）。

“试采集”的采集过程界面比“正式采集”过程界面简单，功能键很少，不对
图6 试采集界面
采集数据进行处理，相应的功能键与“正式采集”采集过程界面中的功能按钮功能相同，此处不再赘述，仅讲解“正式采集”采集过程界面的功能按钮使用及实验结果处理。

注：如果您先点击了“试采集”按钮进行了试采集，退出“试采集”采集过程界面后，您要开始“正式采集”之前，务必要把实验装置恢复到本实验的初始状态，方可继续进行“正式采集”工作！否则会对实验结果引入很大的误差！
当点击“正式采集”按钮，屏幕上便会出现正式采集过程界面（如图7）。

“采集过程”
图7 正式采集界面
界面中，“绘图框”内显示以采集点数为横坐标、电压值为纵坐标的坐标轴。

此时，察看小
平台，固定臂指针指在某一角度处，这角度数就是入射角，将入射角度的值填入绘图框下方的“需要您输入的参数”中“入射角”一栏中，以便采集结束后计算“反射角”的值。

如果您此时点击“开始采集”按钮，屏幕上会出现“是否保存？”界面（如图8），如果您是首次采集，请单击“开始新的采集按钮”。

如果您刚刚已进行了采集工作，您就要考虑是否对
图8 “是否保存”界面
刚刚的采集过程进行保存，若保存，请单击“保存”按钮；若不保存，请单击“开始新的采集”按钮。

如果您刚刚选择了“开始新的采集”，屏幕上便会出现一个提示框（如图9），提示您当前要进行的操作。

单击“OK”按钮，开始实时采集信号变化并
图9 提示框
绘图。

采集过程中，DH926AD型数据采集仪的USB指示灯连续闪动（蓝色），表示采集过程正在继续。

应用软件屏幕上的信号灯颜色也随着实验的继续进行红色、绿色切换。

您需要顺时针匀速转动DH926B型微波分光仪的活动臂，随着活动臂的移动，采集点数依次增加，当您停止移动活动臂，绘图框会保持原来的状态直到您再次开始移动活动臂。

这个过程中，您便可在绘图框中实时观察到信号变化（如图10）。

当采集过程中的已采集的脉冲变化等于您在进入采集过程界面之前设定的采集点数时，屏幕上会出现“此次采集完毕”的采集结束
图10采集示例
提示框（如图11）。

如果您想对采集过程中可以求得的参数有所了解，请点击采集界面中的
图11 采集结束提示框图12警告提示框
“计算结果”按钮，如果您未输入需要您输入的参数，屏幕上会出现“请输入入射角”的警告提示框（如图12）。

您重新输入入射角后，再次按下“计算结果”按钮，系统软件会根据您提供的已知量及采集过程中的数据，将本实验待求参数理论值和根据实际采集过程处理
图13 计算结果示例
得到的参数——“反射角”的值分别显示在屏幕的“参数理论值”及“经采集求得的参数”框内（见图13）。

采集结束后，如果您想对采集的数据进行保存，点击“保存数据”按钮，屏幕上首先出现“将采集过程保存成数据文件”的提示框（见图14），单击“OK”后，出现“保存数据
图14 保存提示
对话框”（见图15），默认存储路径为本软件安装的根目录，输入数据文件名，点击“保存”
图15 保存数据对话框
按钮，文件即按照您所输入的文件名，以“.txt”为扩展名将采集数据保存成文本文件。

在采集过程中，如果您点击了“终止采集”按钮，本次采集即被终止，但在这个过程中，您所采集到的数据未必能对通过本实验可求得的参数进行准确计算，如果您不想了解计算结果，您便可终止采集过程，屏幕上会出现“此次采集完毕”的采集结束提示框（如图
11）。

采集过程停止后，绘图框中仍显示刚刚进行的采集过程，如果您再次开始采集工作，绘图框上的绘图线条会以有别于上次采集过程的线条颜色显示（如果上次绘图线条为红色，则此次绘图线条为蓝色，反之亦然）。

如果您认为重新开始采集过程需要清除原绘图区域信息，重新显示采集过程，您可点击“清屏”按钮，绘图框恢复到初始状态。

如果您认为应该开始新的工作或适当休息一下，您可点击“离开”按钮，屏幕回到系统主菜单界面（如图3）。

2．极化波的产生/检测：
DH30003型栅网组件是由两个栅条方向相差90°的栅网组成。

栅网（见图16）是在一金属框架上绕有一排互相平行的金属丝，以反射平行金属丝的电场，DH30003型栅网组件与本厂的DH926B型微波分光仪组合使用可获得圆极化波。

波的极化是用以描述电场强度空间矢量在某点位置上随时间变化的规律。

无论是线极化波、圆极化波或椭圆极化波都可由同频率正交场的两个线极化组成。

若他们同相（或反相）、等幅（或幅度不等）其合成场的波认为线极化波；若它们相位相位差为90°，即△φ=±90°，幅度相等，合成场波为右旋或左旋圆极化波；若它们相位差为0〈△φ〈±90°，幅度相等（或幅度不等），合成场波为右旋或左旋椭圆极化波。

图17是用栅网组件实现波极化的原理图。

图16DH30003型栅网组件
图17 栅网实现波极化的原理图
Pr1为垂直栅网，Pr2为水平栅网，当辐射喇叭Pr0转角45°后，辐射波的场分为E ∥与E ⊥两个分量，Pr1则反射E ⊥分量，而 E ∥分量透过垂直栅网被吸收；Pr2则反射E ∥分量，而 E ⊥分量透过水平栅网被吸收。

这是转动接收喇叭Pr3，当Pr3喇叭E 面与垂直栅网平行时收到E ⊥波。

经几次调整辐射喇叭Pr0的转角使Pr3接收到的|E ∥|=|E ⊥|，实现了圆极化的幅度相等要求。

然后接收喇叭Pr3在E ⊥与E ∥之间转动，将出现任意转角下的|E α|≤|E ∥|（或|E ⊥|）。

这时改变Pr2水平栅网位置，使Pr3接收的波具有|E α|=|E ∥|=|E ⊥|，从而实现了E ∥与E ⊥两个波的相位差为±90°，得到圆极化波。

由于测试条件所限，|E α|与|E ∥|、|E ⊥|不可能完全相等，Pr3转角0°～360°时，总会出现检波电压的波动，这时虽有Emin/Emax ∝max min/V V ≥0.93，即椭圆度为0.93。

可以认为基本上实现了圆极化波的要求。

1）系统构建指南：
如图45，使DH926B 型微波分光仪两喇叭口面互成90°，半透射板与两喇叭轴线互成45°，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。

将DH926AD 型数据采集仪提供的USB 电缆线的两端根据具体尺寸分别连接到数据采集仪的USB 口和计算机的USB 口，此时，DH926AD 型数据采集仪的USB 指示灯亮（蓝色），
图18 栅网实验
表示已连接好。

然后打开DH926AD 型数据采集仪的电源开关，电源指示灯亮（红色），将数据采集仪的通道电缆线两端分别连接到DH926B 型微波分光仪接收喇叭的光栅通道插座和数据采集仪的相应通道口上（本实验应用软件默认为通道3）。

首先，将垂直（或水平）栅网Pr1插在平台上，另一个与之垂直的栅网——水平（或垂直）栅网Pr2插在读数机构上，用我们提供的钢板尺测量一下半透射板到两个栅网的距离，调整读数机构直至半透射板到两个栅网的距离相等。

然后，将辐射喇叭Pr0旋转45°后，先用我们提供的全吸收板挂在水平（或垂直）栅网前，将其遮挡，开启DH1121B 型三厘米固态信号源。

如果遮挡的是水平栅网，将接收喇叭Pr3口面平行地面放置；如果遮挡的是垂直栅网，将接收喇叭Pr3口面垂直地面放置。

适当左右调整未被遮挡的栅网观察DH926AD 型数据采集仪表头指示，使表头指示取得原指示附近的最大值，此时，将栅网下支柱的拨棍螺钉旋紧，并记录下DH926AD 型数据采集仪表头指示。

此后，将全吸收板从水平（或垂直）栅网前取下，将其挂在另一个栅网——垂直（或水平）栅网前，将其遮挡，接收喇叭Pr3口面放置同上。

适当左右调整未被遮挡的栅网观察DH926AD 型数据采集仪表头指示，使表头指示取得原指示附近的最大值，对比此时的最大值和您之前记录的DH926AD 型数据采集仪表头指示值，若不相同，适当改变辐射喇叭Pr0的角度。

然后，重复以上字体加粗的步骤。

最终的结果是
要使得此时的最大值和您之前记录的DH926AD型数据采集仪表头指示值相同，调整好后，旋紧栅网下支柱的拨棍螺钉。

接着，取下全吸收板，旋转接收喇叭Pr3口面，使其分别处于与地面水平、垂直状态，观察数据采集仪表头指示，应使两个指示值基本相同，才能满足圆极化波|E∥|=|E⊥|的要求。

若两次表头指示不同，适当调整辐射喇叭Pr0的角度，务必使两个指示值基本相同，方能实现圆极化的幅度相等要求。

最后，改变Pr2水平（或垂直）栅网位置，使接收喇叭Pr3接收的波具有|Eα|=|E∥|=|E⊥|，此时，旋转接收喇叭Pr3到任意角度，DH926AD型数据采集仪表头指示值基本相同，从而实现了E∥与E⊥两个波的相位差为±90°，得到圆极化波。

2）软件指南：
软件操作也与上述七个实验操作基本相同，如果当前界面为系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”的第八个子菜单项“极化波的产生/检测”，屏幕上会出现“建议采集点数”和“建议采集通道”提示框，单击“OK”按钮，进入“采集点数和通道选择”界面，您可根据之前的提示信息选择“采集点数和通道号”。

此处选择的“通道号及采集点数”与偏振实验类似。

所不同的是您的采集过程需在您已将本系统调整成满足圆极化幅度相等的条件后方可开始，在您适当调整Pr2水平（或垂直）栅网位置后，点击“开始采集”按钮，选择“开始新的采集”按钮，顺时针或逆时针（但只能沿一个方向）匀速转动接收喇叭Pr3，在显示屏上通过采集的图形观察接收喇叭Pr3在任意角度时的幅度变化，若差别很大，需要重新调整Pr2水平（或垂直）栅网位置，然后重新开始采集工作，直到采集的图形幅度变化不明显为止，此时，得到圆极化波。

3．圆极化波左旋/右旋：
DH30002型电磁波极化天线（如图46）是电磁波综合测试组件之一，它是用来使电磁波极化的元件，它与DH926B型微波分光仪配套使用。

可用于多种电磁波实验，产生圆极化波，做圆极化波反射和折射特性的实验。

适合于高等院校、中等专业学校做教学实验。

图19 DH30002型电磁波极化天线
电磁波极化天线是由方圆波导转换、介质圆波导和圆锥喇叭连接而成。

介质圆波导可做360o旋转，并有刻度指示转动的角度，当TE10波经方圆波导转换到圆波导口面时则过渡为TE11波，并在介质圆波导内分成两个分量的波，即垂直介质片平面的一个分量和平行介质面的一个分量。

产品设计为频率在9370MHz左右，使两个分量的波相位差90o，适当调整介质圆波导（亦可转动介质片）的角度使两个分量的幅度相等时则可得到圆极化波。

当圆极化波辐射装置方圆波导（如图20）使TE10的EY波过渡到TE11成为ER波后，
在装有介质片的圆波导段内分成Et和En两个分量的波，因Et和En的速度不同，即Vc = Vn > ∈，当介质片的长度L取得合适时，使En波的相位超前Et波的相位90˚，这就Vt =VC/
r
实现了圆极化波相位条件的要求；为使En与Et的幅度相等，可使介质片的nΛ方向跟Y轴之间夹角为α=±45˚，若介质片的损耗略去不计，则有Etm=Enm=1/ 2Erm ，实现了圆极化波幅度相等条件的要求（有时需稍偏离45˚以实现幅度相位的要求）。

为了确定圆极化波右旋、左旋的特性把nΛ转到YΛ方向符合右手螺旋规则的波，定为右旋圆极化波；把nΛ转到YΛ方向符合左手螺旋规则的波，定为左旋圆极化波。

本组件中介质片长度L已定在适合于9370MHz±50MHz的带宽范围内工作，其椭圆率≥0.93。

波极化天线除作为圆极化波工作外，也可作线极化波、椭圆极化波工作使用。

作为线极化波工作时，介质片nΛ与Y轴相垂直（或平行）。

作为椭圆极化波工作时，介质片nΛ与Y轴夹角可在α=0~45˚之间。

图20圆极化波辐射（或接收）装置
1）系统构建指南：
系统构建时，如图21，将DH926B型微波分光仪发射端喇叭换成DH30002型电磁波极化天线，即如图17所示的圆锥喇叭，并使圆锥喇叭连接方式同原矩形发射喇叭连接（圆锥喇叭的方圆波导转换仍连接微波分光仪的衰减器和DH1121B型三厘米固态信号源的振荡器）；DH926B型微波分光仪的接收喇叭（矩形喇叭）口面应与DH30002型电磁波极化天线（圆锥喇叭）口面互相正对，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90刻度或0-180刻度处。

此时，察看DH1121B型三厘米固态信号源和DH926AD 型数据采集仪的电源是否开启，若为开启，将其开启。

将辐射喇叭（圆锥喇叭）旋转45°，其内部介质片也随之旋转，内部介质片应与喇叭垂直轴线成45°，此时，理论上实现了圆极化波幅度相等条件的要求。

察看DH926AD型
图21 圆极化波左旋/右旋实验
数据采集仪表头指示，同时，旋转DH926B型微波分光仪的接收喇叭（矩形喇叭），如果数据采集仪表头指示在微波分光仪的接收喇叭旋转到任一角度时基本接近，就实现了用DH30002型电磁波极化天线得到了圆极化波；但如果表头指示差别很大，适当调整辐射喇叭（圆锥喇叭）的角度，直到接收喇叭旋转到任一角度时数据采集仪表头指示接近。

此时，我们可以根据圆极化波右旋、左旋的特性来判断右旋、左旋圆极化波。

2）软件指南：
软件操作也与上述八个实验操作基本相同，如果当前界面为系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”的第九个子菜单项“圆极化波左旋/右旋”，屏幕上会出现“建议采集点数”和“建议采集通道”提示框，单击“OK”按钮，进入“采集点数和通道选择”界面，您可根据之前的提示信息选择“采集点数和通道号”。

此处选择的“通道号及采集点数”与偏振实验类似。

所不同的是您的采集过程需在您已将本系统调整成满足圆极化幅度相等的条件后方可开始，点击“开始采集”按钮，选择“开始新的采集”按钮，顺时针或逆时针（但只能沿一个方向）匀速转动DH926B型微波分光仪接收喇叭（矩形喇叭），在显示屏上通过采集的图形观察接收喇叭在任意角度时的幅度变化，采集的图形幅度变化不明显，得到圆极化波，然后，根据圆极化波右旋、左旋的特性来判断得到的极化波是右旋或左旋圆极化波。

五、附录：六个实验的典型征据
1.入射实验：。