电磁波及传播特性实验

一、实验目的
1）通过电磁感应装置的设计，了解麦克斯韦电磁感应定理的内容；
2）理解电磁波辐射原理；了解电磁感应的原理及作用;
3）理解电场与磁场的相互关系，通过接收装置来验证电磁场的存在。
二、实验项目
1）认识电磁波实验
2）场矢量认知实验
3）位移电流验证实验
4）可视化电磁波感应器制作实验
5）辐射衰减规律实验
三、实验原理
电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比。点亮LED灯需要电流过通过LED，表面LED所连接的电路两端既要有电压，且电路又需处于闭合的状态，需在纯电阻电路或线性变化电路当中。当在空间发射电磁波时，把已经做好了的半波天线感应器置放于电磁波中，由电磁波产生的交变电场就能够在半波天线感应器中产生一个电流，并点亮感应器中的LED，变化电场相当于一种电流，能够输送和传递能量。
1. 根据麦克斯韦方程

   均匀平面电磁波：等相位面是平面，等相位面上场强的振幅处处相等的电磁波。研究条件：
  1、研究的空间没有波源（或远离波源），无反射体的无限大媒质空间；
  2、空间充满均匀、线性、各向同性媒质；
  3、电磁场各分量都随时间作简谐变化。
     在理想介质中，既没有电荷，也没有电流，所以理想介质中的电磁场满足无源的麦克斯韦方程组。无源无耗媒质中电磁场满足麦克斯韦方程：

理想介质中，电场强度所满足的波动方，可以得到理想介质中磁场强度所满足的波动方程

位移电流密度（电位移随时间变化率）：

位移电流（电位移通量随时间变化率）

通过电场中某一截面的位移电流等于通过该截面电位移通量对时间的变化率。
2.就电流的磁效应而言，变化的电场与电流等效，变化的电场产生位移电流。
电流密度：

3.物理意义

极化强度矢量；

表示空间电场的变化；

表示电介质分子中电荷的微观运动。
真空中：

揭示变化电场与电流的等效关系。
接收天线最佳接收条件：
1、收发天线与各自相连的馈线阻抗匹配，2、极化匹配，
3、收发天线最大辐射方向对准，接收天线传输到终端负载上的功率为

弗利斯传输公式

为接收功率，

为发射和接收天线的增益，

发射功率，R为收发距离。

随时变化的电场在空间产生磁场，同样，随时间变化的磁场也要在空间产生电场，电场和磁场构成统一的电磁场的两个不可分割的部分。能够辐射电磁波的装置称为天线，用功率信号发射器作为发射源，通过发射天线产生电磁波，如果将另一副天线置于电磁波中，就能够在天线体上感生高频电流，接收天线离发射天线越近，电磁波功率越强，感应电动势越大。接收天线接收的功率足够强时，大于5dBm时，肖特基检波二极管将微波能量转变为直流电压，终端接上LED灯，电压达到一定值时可以点亮LED灯，形象直观的观察发射天线的方向图、主瓣、副瓣、后瓣、零点方向、极化等。放大频率范围：2350MHz～2450MHz最大输出功率27dBm，发射天线有四种类型，垂直极化、水平极化、左旋圆极化、右旋圆极化；增益：＞10dBi，在现有配置情况下，最远可以在170cm处点亮，距离越近灯越亮。也可以将不同的LED组合使用，但点亮距离会稍微减小。

图1实验原理框图

图2 发射装置接收装置

图3电磁场实验设备

图4垂直极化天线发射接收为绿色和红色LED灯

图5垂直极化天线发射接收为兰色和黄色LED灯

图6垂直极化天线发射接收为黄色和红色LED灯

图7垂直极化天线发射接收为粉红色和绿色LED灯
接不同颜色LED灯点亮最远距离

天线形式八木天线	距离cm
天线形式八木天线	水平极化	垂直极化	45度极化
红色
黄色
橙色
白色
粉红色
兰色
绿色

四、实验报告要求
1、按照标准实验报告格式要求和内容完成实验报告；将数据填入表中并绘图。
2、完成数据整理，分析电磁波的极化形式；对实验中的现象分析讨论。
3、讨论不同颜色LED灯点亮最远距离。
五、注意事项
1.按下按钮时，若没有功率输出，应立即停止发射，检查射频电缆接头与仪器的SMA型接头是否连接牢固，检查射频电缆小头的SMA头与天线的输入端口是否牢固连接。
2.尽量减少按下按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。
3.测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。

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