电磁场电磁波实验报告

第二师学院学生实验报告一
相对而言性能优良，但又容易制作，成本低廉的有半波天线、环形天线、螺旋天线等。

本实验重点介绍其中的一种半波天线。

半波天线又称半波振子，是对称天线的一种最简单的模式。

对称天线（或称对称振子）可以看成是由一段末端开路的双线传输线形成的。

这种天线是最通用的天线型式之一，又称为偶极子天线。

而半波天线是对称天线中应用最为广泛的一种天线，它具有结构简单和馈电方便等优点。

半波振子因其一臂长度为λ/4 ，全长为半波长而得名。

其辐射场可由两根单线驻波天线的辐射场相加得到，于是可得半波振子（L=λ/4 ）的远区场强有以下关系式：│E│=[60Imcos(πcosθ/2)]/R 。

sinθ=[60Im/R 。

]│f(θ)│式中，f(θ) 为方向函数。

对称振子归一化方向函数为│F(θ)│=│f(θ)│/fmax=|cos(πcosθ/2)/sinθ| 其中fmax 是f(θ) 的最大值。

由上式可画出半波振子的方向图如下:
半波振子方向函数与ψ无关，故在H 面上的方向图是以振子为中心的一个圆，即为全方性的方向图。

在E 面的方向图为8 字形，最大辐射方向为θ=π/2 ，且只要一臂长度不超过0.625λ，辐射的最大值始终在θ=π/2 方向上；若继续增大L ，辐射的最大方向将偏离θ=π/2 方向。

【实验容】
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律，就称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。

如果极化电磁波的电场强度始终在垂直于传播方向的（横）平面取向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，则这一极化电磁波称为平面极化波。

电场的矢端轨迹称为极化曲线，并按极化曲线的形状对极化波命名。

天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。

当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。

由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在表面产生极化电流，极化电流因受阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

因此，在移动通信系统中，
一般均采用垂直极化的传播方式。

电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念，它表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量E 的端点在空间描绘出的轨迹来表示。

由其轨迹方式可得电磁波的极化方式有三种：线极化、圆极化、椭圆极化。

极化波都可看成由两个同频率的直线极化波在空间合成, 如图所示，两线极化波沿正Z 方向传播，一个的极化取向在X 方向，另一个的极化取向在Y 方向。

若X 在水平方向，Y 在垂直方向，
这两个波就分别为水平极化波和垂直极化波。

若：水平极化波Ex=Exm sin(wt-kz) 垂直极化波Ey=Eym sin(wt-kz+ δ) 其中Exm 、Eym 分别是水平极化波和垂直极化波的振幅，δ是Ey 超前Ex 的相角（水平极化波取为参考相面）。

取Z=0 的平面分析，有Ex=Exm sin(wt) Ey=Eym sin(wt+ δ) 综合得aEx2-bExEy+cEy2=1 式中a 、b 、c 为水平极化波和垂直极化波的振幅Exm 、Eym 和相角δ有关的常数。

此式是个一般化椭圆方程，
它表明由Ex 、Ey 合成的电场矢量终端画出的轨迹是一个椭圆。

所以：
●当两个线极化波同相或反相时，其合成波是一个线极化波；
●当两个线极化波相位差为л/2 时，其合成波是一个椭圆极化波；
●当两个线极化波振幅相等，相位相差л/2 时，其合成波是一个圆极化波。

实验一所设计的半波振子接收（发射）的波为线极化波，而最常用的接收（发射）圆极化波或椭圆极化波的天线即为螺旋天线。

实际上一般螺旋天线在轴线方向不一定产生圆极化波，而是椭圆极化波。

当单位长度的螺圈数N 很大时，发射（接收）的波可看作是圆极化波。

极化波的一个需要重视的地方是极化的旋转方向问题。

一般规定：面对电波传播的方向（无论是发射或接收），电场沿顺时针方向旋转的波称为右旋圆极化波。

右旋螺旋天线只能发射或接收右旋圆极化波，左旋螺旋天线只能发射或逆时针方向旋转的波称为左旋圆极化波接收左旋圆极化波。

判断方法：沿着天线辐射方向，当天线的绕向符合右手螺旋定则时，为右旋圆极化，反之为左旋圆极化。

【实验容】
电磁波的偏振及极化测试
【实验步骤】
实验装置如下图所示：
1、将一副发射极化天线架设在发射支架上，连接好发射电缆，开启实验平台开关，将“输出口3”连接到极化天线上。

按下发射开关，绿色指示灯亮，代表正常工作。

2、将制作的线极化的电磁波感应器安装在测试支架上，分别设置成垂直、水平、
斜45 度三种位置，按下发射按钮，并移动感应器滑块，观察灯泡达到同等亮度时与发射天线的距离，并记录数据。

3、更换不同的发射天线类型，重复以上步骤，记录测试数据。

4、分析实验数据，判断各发射天线发出的电磁波的极化形式。

5、也可接检波装置，观测不同极化时的检波电流大小。

（有兴趣的同学，可用这种方式记录数据，从而画出半波天线的方向图）。

【实验数据整理与归纳】（数据、图表、计算等）
【实验结果分析】
亮度一致、天线方向一致的不同天线，八木天线比半波天线获得的电流大一些，灯泡更亮一些；
对于同一种天线，天线垂直放置比45度放置获得的电流大，灯泡更亮，而水平放置的天线没有电流流过灯泡；
一般对于同一种天线来说，距离发射点越近，灯泡越亮，但不可太近，容易烧坏灯泡；距离发射点越远，灯泡越暗，直至没有。

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【实验步骤】
实验装置如图所示：
1、用SMA 连接电缆连接“输出口3”和极化天线口，将电磁波信号输送到极化天线上。

将感应天线滑至极化天线最左端，实施清零操作（液晶显示界面显示0.00）。

2、将设计制作的电磁波感应器半波天线——感应天线安装在可旋转支架上，先将其垂直放置，再将支臂滑块缓慢移到距离发射天线25-30 cm 刻度处；
3、按下发射旋钮，此时已有电磁波发射出来，灯泡被点亮（亮暗程度不一样）；
4、移动反射板，看半波天线上灯是否有明暗变化，如果没有或亮暗不明显，将感应天线往极化天线方向移动少许距离，如果还没明暗变化，再检查天线及其他方面；
5、如系统正常工作，注意：将反射板移动至感应器一端，实施清零操作，此时液晶显示界面显示0.00.继而从远而近移动可动反射板，使灯泡明暗变化以灯泡明暗度判断波节( 波腹) 的出现。

再由近而远移动反射板，并读取最初灯泡最亮时反射板位置的坐标X1及灯泡最暗时反射板位置的坐标X2 ；继续测第二次灯泡最亮时反射板位置的坐标X1 及灯泡最暗时反射板位置的坐标X2 ；由最亮到最暗，最暗到最亮，如此反复，记下测得的最亮次数i ，将测量数记入下表：
次数感应位置
（cm）波节1
（cm）
波节N
（cm）
N 波长
（cm）
平均
（cm）
1
2
3
... ... ... ... ... ...
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连接示意图：
【实验容】
天线方向图的测试（功率测试法）
【实验步骤】
首先将八木天线分别固定到支架上，平放至标尺上，距离保持在1 米以上。

（一）发射端
1、将八木天线固定在发射支架上。

2、将“输出口2”连接至发射的八木天线。

3、电磁波经定向八木天线向空间发射。

（二）接收端
1、接收端天线连接至“功率频率检测”，测量接收功率。

2、调节发射与接收天线距离，使其满足远场条件。

3、将两根天线正对保持0 度。

4、记录下天线的接收功率值。

5、转动接收天线，变换接收天线角度，记录下天线接收功率值。

6、旋转360 度后，记录下转动角度值及相应角度下接收天线功率值。

7、填写下表。

8、打点法在下图中标出每个点的位置：
【实验数据整理与归纳】（数据、图表、计算等）
天线装动角度（°）接收天线功率值
（dBM）天线装动角度（°）接收天线功率值
(dBM)
0 -33.17 -20 -35.81 20 -27.49 -40 -33.78
40 -30.60 -60 -35.74
60 -36.01 -80 -36.68
80 -37.02 -100 -32.90
100 -37.02 -120 -32.77
120 -37.02 -140 -34.59
140 -34.92 -160 -34.18
160 -30.47 -180 -31.55
【实验结果分析】
在0°和180°附近的天线接收功率较大，在90°和270°附近的天线接收功率较小。

这与两根天线方向的夹角有关，夹角越小，天线接收功率越大，夹角越大，天线接收功率越小。

【实验思考题】
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关特性及正偏控制下电导的可调制性，在脉冲调制方面得到了广泛的应用。

用PIN 管做成的调制器，具有频带宽、驻波小、插损低、响应快、动态围大的优点。

【实验容】
电磁波的PIN 调制特性
【实验步骤】
1、将RF 信号从“输出口2”通过SMA 电缆输出。

2、准备好调制器，将方波送至“方波入”，RF 信号送至“RF 输入”。

3、可接示波器观察调制输出波形。

4、连接示意图：
5、输出波形可接天线发射出去（作为天线方向图发端的已调发射信号）
【实验数据整理与归纳】（数据、图表、计算等）
方波现象如图所示：
包络线现象如图所示：
【实验结果分析】
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8、转动刻度为10 度，-10 度，20 度，-20 度。

依次记录数值，以此类推，直至180.-170度。

取点法，绘制出测试天线的方向图，参照指导书提供的表格和圆图实例。

【实验数据整理与归纳】（数据、图表、计算等）
天线转动角度（°）接收天线检波电
压值（mV）天线转动角度（°）接收天线检波电
压值（mV）
0 22
20 22 -20 22 40 22 -40 19.8 60 16.6 -60 5.8 80 5.2 -80 6 100 7.6 -100 3.8 120 5.8 -120 5.2 140 5.2 -140 6 160 4.4 -160 6.4 180 5.4
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匹配状态I 数值P
无阻抗Imax 100uA ∞
Imin 0uA
不完全匹配Imax 100uA ∞
Imin 0uA
完全匹配Imax 78uA 1.97
Imin 20uA
在完全匹配状态下：
1 Imax 78uA 1.975 平均值
Imin 20uA 1.657
2 Imax 50uA 1.5811
Imin 20uA
3 Imax 40uA 1.414
Imin 20uA
图1.1 在完全匹配状态下，P的计算值及平均值
【实验结果分析】
完全匹配状态下的驻波系数为1.4~2.0，与理论值有误差，理论值约为1.即驻波系数接近1最好。

【实验思考题】
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实验次数L2(cm) L1(cm) L(cm) 平均L（cm）
1 28 33.5 5.5 6.23
2 27.6 34 6.4
3 27 33.8 6.8
图1.2 表1-2的图形表示
【实验结果分析】
终端反射系数（即驻波比）一般<=1,驻波相位一般在5.0到7.0之间，可以明确知道驻波相位一定小于半个波长。

【实验思考题】
在探针向微波源方向移动至电流最小点的过程中，有一段距离电流一直保持最小值，为什么？
【实验心得】
我觉得这些实验最宝贵、最深刻的，就是实验的过程全是我们学生自己动手来完成的，这样，我们就必须要弄懂实验的原理。

在这里我深深体会到理论对实践的指导作用：弄懂实验原理，而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。

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（3）进行矢量网络分析模块的反射校正。

（4）用矢量网络分析模块分别测试定向耦合器两个端口(J2,J3)的驻波特性（图2），并将测量结果记录于表1 中。

3．实验记录表为以下表：
定向耦合器输出端口插入损耗dB
定向耦合器耦合端口插入损耗dB
定向耦合器输入端口回波损耗dB
定向耦合器输出端口回波损耗dB
表1
【实验数据整理与归纳】（数据、图表、计算等）
dB Hz
短路-8.56 1216.366MHz
0 414.881MHz 幅频特性开路-3.95 1222.935MHz
0 497MHz
50Ω负载-20.95 713.795MHz
0 529.848MHz 驻波特性短路-31.16 1870.036MHz
0 874.749MHz
开路-23.42 1866.751MHz
0 1321.479MHZ
50Ω负载-11.31 1873.321MHz
0 1498.856MHz
图形依次所示
【实验结果分析】
定向耦合器是微薄系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。

耦合器就是把信号分成两路信号，一个输入端，两个输出端（一个为直通端，一个为耦合端）如：10dB耦合器，输入端功率为20dBm，则耦合端输出功率为10dBm，直通端输出功率为9.5dBm左右。

【实验思考题】
定向耦合器的主要技术指标是什么？
【实验心得】
经过此次实验，我对定向耦合器也有了更深的认识。

作为一名学习电磁场与电磁波的学生，我深深体会到定向耦合器在应用中的重要性，这也激励我更加努力的学习。

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回波损耗R L=-16.06dB S11=16.06。