教学设备

一、    实验目的
1） 研究电磁波的边界条件实验；
2） 研究电磁波传播路经上遇到不同物质的透射现象；
3） 通过试验加深对电磁波传播特性的理解；
二、    实验项目
1）垂直极化波垂直入射到水平缝隙导体平面的透射波；
2）垂直极化波垂直入射到垂直缝隙导体平面的透射波；
3）左旋圆极化波垂直入射到垂直缝隙导体平面的透射波；
4）右旋圆极化波垂直入射到垂直缝隙导体平面的透射波；
5）垂直极化波垂直入射到超材料平面的透射波；
三、实验原理
 
一、实验概述
电磁场电磁波与天线综合实验系统能满足能满足通信工程、电子工程、微波工程等专业开设《电磁场》、《天线技术》等课程教学、实训、示教需要，也可用于微波电磁场技术类课程的课题设计和毕业设计及基于ADS软件的创新设计。
电磁场电磁波与天线综合实验系统通过学生制作感应器的方式，使学生能够切实感知和亲身体验电磁波的发射、传播、接收等完整的过程，具有与教学大纲结合紧密，实验内容紧扣教学重点、难点，知识点覆盖面宽，能够透彻地了解法拉第电磁感应定律、电磁波传播特性、电偶极子、天线基本结构及其特征等重要知识点，深刻理解电磁感应定律的原理和作用，深刻理解电偶极子和电磁波辐射的原理，掌握电磁波测量技术原理和方法，帮助学习人员建立电磁波的形象思维方式，加深和加强学习人员对电磁波产生、发射、传输、接收过程吸纳各个特征的认识，培养学习人员对电磁波分析和电磁波应用的创新能力。
电磁场电磁波与天线综合实验系统通过增大射频信号发射功率，在不需专用仪表的情况下能感知电磁场存在、定性研究天线的极化方向、天线增益、天线频响等性能；
电磁场电磁波与天线综合实验系统设有波长测量、功率检波、电磁场极化等若干简单又富有论证性的实验。将实验仪器的功率发射端加载到三种极化天线端口。将天线采集到的感生电流接入LED灯。把检波天线放置在固定的位置以后，可以看到LED灯的明暗与极化方式有着对应的关系。将发射天线的功率输入天线，通过调整检波天线的位置或者检波天线的角度方向，观察发光灯的明暗变化。这样就可以直观的感受到电磁波的分布参数、极化等丰富的概念。在整个实验过程中，通过极其简单的几个操作，就可以将所学的抽象的知识，通过具象化的实验来验证清楚，进一步提高了教学的效率。增加了学生对实验的印象，提高了学生动手能力，深刻的将公式与现象结合起来，为以后的工作和学习提供了切实有效的经验。提升学生对电磁场与波的学习兴趣，实现探究性学习，创造性学习。
用麦克斯韦方程的工程应用技术，采用特制的无源发光电磁波感应器，使抽象的“电磁波”看得见、摸得着，电波传播眼见为实，帮助学生建立空间形象；有效化解感念抽象于形象，化物理现象模糊于具体，改变实验呆板、实验内容单调。使知识认知可视化、知识应用自主化能建立趣味化的实验教学体系性设计。建立创新实验教学互动平台，拓展类实验有助于老师和学生围绕知识能力发挥和运用，形成富有特色的新成果。




当电力线是垂直与宽边的直线，磁力线是在水平面的闭合曲线。电力线可以由正电荷发出而终止于负电荷,也可以是闭合曲线，磁力线必须是闭合曲线，电力线与理想导体表面垂直，磁力线与理想导体表面平行，磁力线必须与电力线相铰链，磁力线与电力线相正交，横截面内的电力线与磁力线与波的传播方向构成右手系，电力线或磁力线都是横截面内的平面曲线或直线。在缝隙导体平面的内壁上,必须满足电场切向分量和磁场法向分量等与0的边界条件。
垂直极化波垂直入射到水平缝隙导体平面的透射波；由于满足边界条件可以点亮LED灯。垂直极化波垂直入射到垂直缝隙导体平面的透射波；电磁波被截止不满足边界条件LED不灯。

图1垂直极化波垂直入射到垂直缝隙栅格平面

图3垂直极化波垂直入射到水平缝隙栅格平面

图4垂直极化波垂直入射到水平缝隙栅格平面

图5电磁波的边界条件实验垂直极化波垂直入射到水平缝隙栅格平面

电磁波入射到两种不同媒质的分界面
良导体被认为是理想导体，理想导体内部电场为零，导体的任何电荷只分布在表面，在媒质2中媒质1边界，，媒质2边界处参考单位法线方向应由媒质2指向外的法线方向。面电荷为正，电场强度垂直于导体表面且指向外，分界面上，磁场强度和分界面相切，大小等于面电流密度，。发射电场为垂直极化，垂直于导体表面，满足边界条件，导体板水平放置电场结构不变，LED灯量度不变。

图6 垂直极化电磁波导体板水平放置电场结构不变
三、    实验步骤
1）用SMA连接电缆RF与极化天线口，将电磁波信号输送到极化天线上。
2）将八木天线安装到旋转支架上，将其垂直放置，移动到距离发射天线80～90cm处。移动反射板，如图所示，将接收八木天线安装到支架上对准来波方向，注意与反射电场极化匹配。
3）将垂直缝隙栅格平面金属板放入收发天线中间，观察LED灯是否被点亮。按下发射开关，此时电磁波发射出来，观察LED灯是否被点亮，因为不满足边界条件LED灯不亮。
4)将水平水平缝隙栅格平面放入收发天线中间，观察LED灯是否被点亮。
5)观察LED灯是否被点亮，因为满足边界条件LED灯亮。
6)发射天线垂直极化放置，将导体板水平放置在收发天线中间如图6所示，电场垂直与平板。由于没有改变原来的电磁场结构，观察LED灯点亮。
7)发射为圆极化波垂直入射到栅格平面观察LED灯是否被点亮。
8)发射天线垂直极化放置，将导体板垂直放置在收发天线中间如，电场垂直与平板平行。由于改变原来的电磁场结构，在导体平板激励起表面电流，LED灯不亮。
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，检查射频电缆头与仪器的接头是否连接牢固，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；用微安表测量时输出接10dB衰减器防止微安表打表。防止空载工作烧坏微波放大器。
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。