一、實驗?zāi)康?/strong>
1）了解電磁場電磁波空間傳播特性；
2）通過對電磁波長、波幅、波節(jié)、駐波的測量進(jìn)一步認(rèn)識電磁波；
3）利用相干波原理測量波長；
4）了解電磁波在傳輸過程中的干涉和駐波的形成，及形成的條件。
5）觀測電磁波傳輸過程中波節(jié)點與波幅點的產(chǎn)生。
二、實驗項目
1）垂直極化波反射合成與行駐波特性；
2）水平極化波反射合成與行駐波特性實驗；
3）左旋圓極化波反射合成與行駐波特性；
三、實驗原理
垂直或水平極化波垂直入射到導(dǎo)體平面的合成波與駐波特性；通過縱向移動接收天線，測試LED明暗測量工作波長。左旋或右旋圓極化波垂直入射到導(dǎo)體平面的合成波與駐波特性；
圖1電磁波垂直入射理想導(dǎo)體平面
變化的電場和變化的磁場在空間的傳播稱為電磁波，幾種電磁波在同一種介質(zhì)中傳播時，幾種波可以保持各自的特點（波長、頻率、幅度、傳播方向）同時通過介質(zhì)，在幾種波相遇或疊加的區(qū)域內(nèi)，是各個波單獨在該點產(chǎn)生的振動的合成。當(dāng)兩個頻率相同、極化相同、相位相差恒定的波源所發(fā)出的波的疊加時，在空間總會有點振動加強(qiáng)。而另一些點振動減弱或完全抵消，因而形成干涉現(xiàn)象。
圖2實驗系統(tǒng)波長測量原理圖和電磁波垂直入射模型
設(shè)有線極化的均勻平面電磁波從理想介質(zhì)中垂直入射到理想導(dǎo)體的平面表面上，如圖所示。入射電磁波的電場強(qiáng)度為
磁場強(qiáng)度為
電磁波不能進(jìn)入理想導(dǎo)體，所以在理想導(dǎo)電平面上，入射的電磁波必然會被反射。反射波與入射波在相反的方向上傳播，設(shè)反射波的電場強(qiáng)度為
反射波的磁場強(qiáng)度為
，在中z≤0的空間中的電磁波是入射波和反射波的迭加，總的電場強(qiáng)度為
總的磁場強(qiáng)度為
反射波電場強(qiáng)度由理想導(dǎo)體表面上的電磁場邊界條件決定。在理想介質(zhì)和理想導(dǎo)電體的分界面，z=0平面上，由邊界條件得合成波的電場強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)為零。
定義z=0平面上反射波電場強(qiáng)度與入射波的電場強(qiáng)度之比為反射系數(shù)用G表示。在理想導(dǎo)電體表面，垂直入射波的反射系數(shù)則為
可以得到z≤0，區(qū)域合成波的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度為
合成波電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的為
由上式可以看到，z≤0空間中的合成波具有如下特點電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的振幅不再是常量，沿波的傳播方向按正弦函數(shù)或余弦函數(shù)分布，即在kz=-np，也就
的點上，電場強(qiáng)度的振幅為零。這些點稱為電場強(qiáng)度的波節(jié)點。在
也就是
的點上，電場強(qiáng)度的振幅值達(dá)到最大值2Ei0，它是入射波電場強(qiáng)度振幅值Ei0的2倍，這些點稱為電場強(qiáng)度的波腹點。在這些點上，磁場強(qiáng)度的振幅為零。這些點是磁場強(qiáng)度的波節(jié)點。在其它點上，電場和磁場的振幅介于零和最大值2Ei0或2Ei0/h之間。相鄰的兩個波節(jié)點或波腹點之間的距離是半個波長；而相鄰的波腹點和波節(jié)點之間的距離是1/4波長。電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的波節(jié)點和波腹點之間的距離是1/4波長。電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的波節(jié)點和波腹點的位置不隨時間改變。干涉是電磁波的一種重要特性，利用干涉原理科對電磁波傳播特性進(jìn)行很好的探索，在同一媒質(zhì)中兩種振幅相同的相干波，在同一直線上反向傳播時就疊加形成駐波。由發(fā)射天線發(fā)出的電磁波，在空間傳播過程中可以近視看成均勻平面波，此平面波垂直入射到金屬板，被金屬反射回來，到達(dá)電磁波感應(yīng)器，直射波也可以到達(dá)電磁波感應(yīng)器，這兩種波將形成駐波，電磁波的波程差滿足一定的關(guān)系時，在接收天線處產(chǎn)生波腹和波節(jié)。
根據(jù)以上的分析，若固定感應(yīng)器，只移動金屬板，即只改變第二波的波程，使駐波得以形成，當(dāng)合成波振幅最大時
，當(dāng)合成波振幅最小時
，此時合成波振幅最大到振幅最小的波程差是
，若此時移動金屬板的距離
，即
，可見測得金屬板移動的距離，代入公式可求出電波的波長。變化的電場和磁場在空間的傳播稱為電磁波，幾列電磁波同時在同一介質(zhì)中傳播時，幾列波可以保持各自的特點(波長、振幅、頻率、傳播方向等) ，同時通過媒質(zhì)，在幾列波相遇或疊加的區(qū)域內(nèi)，任一點的振動為各個波單獨在該點產(chǎn)生的振動的合成。而當(dāng)兩個頻率相同、振動方向相同、相位差恒定的波源所發(fā)出的波的疊加時在空間總會有一些點振動始終加強(qiáng)，而另一些點振動始終減弱或完全抵消，因而形成干涉現(xiàn)象，而駐波是干涉的特例。在同一介質(zhì)中兩列振幅相同的相干波，在同一直線上反向傳播時就疊加形成駐波。此平面波垂直入射到金屬板，被金屬板反射回來，到達(dá)電磁波感應(yīng)器；直射波也可直接到達(dá)電磁波感應(yīng)器。這兩列波將形成駐波，兩列電磁波的波程差滿足一定關(guān)系時，在感應(yīng)器位置可以產(chǎn)生波腹或波節(jié)。
圖3電磁波駐波示意圖
駐波：頻率和振幅均相同、振動方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形 成的波。設(shè)到達(dá)電磁感應(yīng)器的兩列平面波的振幅相同，只是因波程不同而有一定的相位差，電場可表示為：
其中
是因波程差而造成的相位差；b＝d
(n=0,1,2......) 時，合成波的振幅最大，Z1的位置為合成波的波腹；相位差
則當(dāng)；(n= 0,1,2......) 時，合成波的振幅最小，Z2的位置為合成波的波節(jié)。實際上到達(dá)電磁感應(yīng)器的兩列波的振幅不可能完全相同，故合成波波腹振幅值不是二倍單列波的振幅值，合成波的波節(jié)值也不是恰好為零。根據(jù)以上分析,若固定感應(yīng)器，只移動金屬板，即只改變第二列波的波程，讓駐波得以形成；
當(dāng)合成波振幅最大(波腹)時：
當(dāng)合成波振幅最小(波節(jié))時：
此時合成波振幅最大到振幅最小(波腹到波節(jié)) 的最短波程差為l/4,則: 2D1，若此時可移動金屬板移動的距離為DL, 2DL=l/2 , 即：l=4L，代入式中便確定電波波長。
電磁波波長測試實驗，主要是根據(jù)電磁場線極化波在傳播過程中遇到金屬反射板，反射回來的波與發(fā)射波疊加形成駐波的原理，通過測量駐波能量的波節(jié)點計算波長的方案。
圖4 金屬反射板測試工作波長
然后將天線按照發(fā)射天線的極化方式，調(diào)整相應(yīng)的擺放方向，調(diào)整天線與電場的關(guān)系，使得電場在天線上激起較強(qiáng)的感應(yīng)電流，繼而通過電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。在實驗臺上通過不斷調(diào)整感應(yīng)裝置的位置，觀察檢測電壓的變化規(guī)律，通過尋找極大值和極小值的方式測量極值之間的距離，通過預(yù)設(shè)電磁波頻率推算出相應(yīng)的波長的理論值與測試值作對比，來驗證理論和實驗的一致性。
四、 實驗步驟
1、頻率合成器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波信號，通過放大模塊將信號加載到發(fā)射天線的線極化端口。
2、用SMA連接電纜RF與極化天線口，將電磁波信號輸送到極化天線上。系統(tǒng)上電以后，測試感應(yīng)裝置接收到的極化天線輻射出來的電磁波，里面的二極管檢波電路將功率信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。
3、將八木天線安裝到旋轉(zhuǎn)支架上，將其垂直放置，移動到距離發(fā)射天線50～60cm處。按下發(fā)射開關(guān)，此時電磁波發(fā)射出來，LED燈被點亮（暗亮程度不一樣）。
4、移動反射板，觀察LED燈是否有明暗的變化，如果不亮可以將接收天線向發(fā)射天線移動，可以測試不同顏色的LED燈被點亮的距離。
5、將反射板放置在接收天線的一端，從遠(yuǎn)而近移動反射板，使LED燈明暗變化，判斷波節(jié)波腹出現(xiàn)的位置，由近而遠(yuǎn)移動反射板，讀取最初LED燈最亮?xí)r反射板位置的坐標(biāo)
，及LED燈最暗時反射板位置的坐標(biāo)
，最暗到最亮，最亮到最暗如此反復(fù)，
，根據(jù)極點的距離差值計算出相應(yīng)不同頻點下的電磁波的波長。也可換上檢波裝置，這是可以觀察到指針來回擺動，記錄下指針最大時的位置和最小時的位置。6、將金屬板換成玻璃板，觀察實驗現(xiàn)象。
五、 注意事項
1、測試波長與理論推導(dǎo)值，具有明顯的一致性，由于系統(tǒng)極值的判斷存在誤差，極值測量讀數(shù)存在不穩(wěn)定性，測試結(jié)果推導(dǎo)出的結(jié)論與理論值存在一定誤差。
2、由于發(fā)射天線并非理想的天線。發(fā)射天線與反射板之間不是理想的行波。測試過程中電磁環(huán)境受到人為干擾，測試值精確度不高。
3、由于實驗臺長度與波長相比擬，測試為近場條件，空間功率隨著與天線的距離分布并不均勻，所以在不同測試點測得的極小值差異很大。判斷極值的方式通過人工推移接收架同時觀察軟件顯示電壓幅值同步來完成。綜合以上幾點，表明新型實驗系統(tǒng)拓寬了系統(tǒng)的頻率輸出范圍，給實驗提供了更多可用頻點，提高接收數(shù)據(jù)觀察效率，起到規(guī)劃的作用。
表1電磁波長、波幅、波節(jié)、駐波的測量
| 頻率 | 次數(shù) | 振子感應(yīng)器位置（cm) | 波節(jié)1(cm) | 波節(jié)2(cm) | 波節(jié)3(cm) | 波腹2（cm) | 測試波長（cm) |
| 2450MHZ | 1 | 70 | |||||
| 2 | |||||||
| 3 | |||||||
| 1 | 80 | ||||||
| 2 | |||||||
| 3 |
實驗4、電磁波反射特性實驗
一、實驗?zāi)康?/strong>
1)研究電磁波的反射現(xiàn)象的產(chǎn)生，驗證電磁波入射角等于反射角；
2)研究線性極化的反射及其特點
3)通過試驗加深對電磁波極化特性的理解
二、實驗項目
1）垂直或水平極化波斜入射到導(dǎo)體平面的反射波；沿反射角方向LED最亮。
2）左旋圓極化波斜入射到導(dǎo)體平面的反射波；
三、實驗原理
圖1垂直極化波向理想導(dǎo)體界面上斜入射
取坐標(biāo)系如圖。能與上面類似的處理，可得此時媒質(zhì)1中的合成波的電磁場表示式為
合稱電場
平行于入射面的波向理想導(dǎo)體斜入射合稱電場
圖2垂直極化波反射特性實驗
圖3球面波形成平面波
圖4垂直極化電磁波多經(jīng)干涉實驗
四、實驗步驟
1、 用SMA連接電纜RF與極化天線口，將電磁波信號輸送到極化天線上。
2、 將八木天線安裝到旋轉(zhuǎn)支架上，將其垂直放置，移動到距離發(fā)射天線50～60cm處。
3、 移動反射板，如圖所示，將接收八木天線安裝到支架上對準(zhǔn)反射波來波方向，注意與反射電場極化匹配。
4、 按下發(fā)射開關(guān)，此時電磁波發(fā)射出來，觀察LED燈是否被點亮，如不亮可以校對方向。
5、 當(dāng)入射角等于反色角時LED燈最點亮。
6、 也可將發(fā)射天線換為垂直極化天線，觀察LED燈是否被點亮。
圖5平行于入射面的波向理想導(dǎo)體斜入射
7、將發(fā)射天線為垂直極化天線，如圖3所示，反射板移動到位置d處LED燈最亮。
五、注意事項
1.按下按鈕時，若沒有功率輸出，應(yīng)立即停止發(fā)射，檢查射頻電纜頭與儀器的接頭是否連接牢固，檢查射頻電纜小頭的SMA頭與天線的輸入端口是否牢固連接；用微安表測量時輸出接10dB衰減器防止微安表打表。防止空載工作燒壞微波放大器。
2.盡量減少按下按鈕的時間，以免影響其它小組的測試準(zhǔn)確性。
3.測試時盡量避免人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。
