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2025-04-30 06:58

可視化電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)概述

一、實(shí)驗(yàn)概述
電磁場(chǎng)電磁波綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能滿(mǎn)足能滿(mǎn)足通信工程、電子工程、微波工程等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)《電磁場(chǎng)》、《天線技術(shù)》等課程教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、示教需要,也可用于微波電磁場(chǎng)技術(shù)類(lèi)課程的課題設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)及基于ADS軟件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
電磁場(chǎng)電磁波與天線綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)學(xué)生制作感應(yīng)器的方式,使學(xué)生能夠切實(shí)感知和親身體驗(yàn)電磁波的發(fā)射、傳播、接收等完整的過(guò)程,具有與教學(xué)大綱結(jié)合緊密,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊扣教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn),知識(shí)點(diǎn)覆蓋面寬,能夠透徹地了解法拉第電磁感應(yīng)定律、電磁波傳播特性、電偶極子、天線基本結(jié)構(gòu)及其特征等重要知識(shí)點(diǎn),深刻理解電磁感應(yīng)定律的原理和作用,深刻理解電偶極子和電磁波輻射的原理,掌握電磁波測(cè)量技術(shù)原理和方法,幫助學(xué)習(xí)人員建立電磁波的形象思維方式,加深和加強(qiáng)學(xué)習(xí)人員對(duì)電磁波產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸、接收過(guò)程吸納各個(gè)特征的認(rèn)識(shí),培養(yǎng)學(xué)習(xí)人員對(duì)電磁波分析和電磁波應(yīng)用的創(chuàng)新能力。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)增大射頻信號(hào)發(fā)射功率,在不需專(zhuān)用儀表的情況下能感知電磁場(chǎng)存在、定性研究天線的極化方向、天線增益、天線頻響等性能;
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)有波長(zhǎng)測(cè)量、功率檢波、電磁場(chǎng)極化等若干簡(jiǎn)單又富有論證性的實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)儀器的功率發(fā)射端加載到三種極化天線端口。將天線采集到的感生電流接入LED燈。把檢波天線放置在固定的位置以后,可以看到LED燈的明暗與極化方式有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系。將發(fā)射天線的功率輸入天線,通過(guò)調(diào)整檢波天線的位置或者檢波天線的角度方向,觀察發(fā)光燈的明暗變化。這樣就可以直觀的感受到電磁波的分布參數(shù)、極化等豐富的概念。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)極其簡(jiǎn)單的幾個(gè)操作,就可以將所學(xué)的抽象的知識(shí),通過(guò)具象化的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證清楚,進(jìn)一步提高了教學(xué)的效率。增加了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的印象,提高了學(xué)生動(dòng)手能力,深刻的將公式與現(xiàn)象結(jié)合起來(lái),為以后的工作和學(xué)習(xí)提供了切實(shí)有效的經(jīng)驗(yàn)。提升學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)與波的學(xué)習(xí)興趣,實(shí)現(xiàn)探究性學(xué)習(xí),創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。
二、實(shí)驗(yàn)配置

序號(hào) 名 稱(chēng) 主 要 技 術(shù) 規(guī) 格
1 標(biāo)配模塊 1)鋁合金導(dǎo)軌,認(rèn)識(shí)電磁波實(shí)驗(yàn)?zāi)K;發(fā)射支架,接收支架。標(biāo)尺精度:1mm;長(zhǎng)度:1米;旋轉(zhuǎn)精度:2.5度;接收天線垂直面和俯仰面可調(diào);天線可測(cè)量E面和H面方向圖;角度步進(jìn)2.5度;
2)電磁波傳播特性實(shí)驗(yàn)?zāi)K(空間行、駐波特性實(shí)驗(yàn));接收天線支架、滑臺(tái), 金屬導(dǎo)體反射板線支架、滑臺(tái)。
3)極化電磁波實(shí)驗(yàn)?zāi)K,圓極化天線,極化量程360度;極化柵格;
2 工作頻率 范  圍:   2-3GHz
3 射頻放大輸出 功率控制:0~10級(jí)衰減調(diào)整控制
功率放大頻率范圍:2350MHz~2450MHz
最大輸出功率:<27dBm
4 發(fā)射組件 三副線極化微帶八木天線:增益:>10dBi;覆蓋垂直極化、水平極化,一個(gè)右旋圓極化螺旋天線;增益:>10dBi;
5 接收組件 無(wú)源檢波器LED發(fā)光靈敏度:4dBm;LED燈顏色有紅、黃、粉紅、綠、紫、蘭、綠,接收天線微帶八木天線。增益:>10dBi;
6 射頻檢波模組 檢波靈敏度:>3.2GHz,動(dòng)態(tài)范圍:70dB收發(fā)最遠(yuǎn)距離170cm;
 
實(shí)驗(yàn)1、電磁波及傳播特性實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1)通過(guò)電磁感應(yīng)裝置的設(shè)計(jì),了解麥克斯韋電磁感應(yīng)定理的內(nèi)容;
2)理解電磁波輻射原理;了解電磁感應(yīng)的原理及作用;
3)理解電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互關(guān)系,通過(guò)接收裝置來(lái)驗(yàn)證電磁場(chǎng)的存在。
二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1)認(rèn)識(shí)電磁波實(shí)驗(yàn)
2)場(chǎng)矢量認(rèn)知實(shí)驗(yàn)
3)位移電流驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
4)可視化電磁波感應(yīng)器制作實(shí)驗(yàn)
5)輻射衰減規(guī)律實(shí)驗(yàn)
三、實(shí)驗(yàn)原理
電磁波的磁場(chǎng)、電場(chǎng)及其行進(jìn)方向三者互相垂直。振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性交變,其強(qiáng)度與距離的平方成反比。點(diǎn)亮LED燈需要電流過(guò)通過(guò)LED,表面LED所連接的電路兩端既要有電壓,且電路又需處于閉合的狀態(tài),需在純電阻電路或線性變化電路當(dāng)中。當(dāng)在空間發(fā)射電磁波時(shí),把已經(jīng)做好了的半波天線感應(yīng)器置放于電磁波中,由電磁波產(chǎn)生的交變電場(chǎng)就能夠在半波天線感應(yīng)器中產(chǎn)生一個(gè)電流,并點(diǎn)亮感應(yīng)器中的LED,變化電場(chǎng)相當(dāng)于一種電流,能夠輸送和傳遞能量。
1.  根據(jù)麥克斯韋方程

   均勻平面電磁波:等相位面是平面,等相位面上場(chǎng)強(qiáng)的振幅處處相等的電磁波。研究條件:
  1、研究的空間沒(méi)有波源(或遠(yuǎn)離波源),無(wú)反射體的無(wú)限大媒質(zhì)空間;
  2、空間充滿(mǎn)均勻、線性、各向同性媒質(zhì);
  3、電磁場(chǎng)各分量都隨時(shí)間作簡(jiǎn)諧變化。
     在理想介質(zhì)中,既沒(méi)有電荷,也沒(méi)有電流,所以理想介質(zhì)中的電磁場(chǎng)滿(mǎn)足無(wú)源的麥克斯韋方程組。無(wú)源無(wú)耗媒質(zhì)中電磁場(chǎng)滿(mǎn)足麥克斯韋方程:

    理想介質(zhì)中,電場(chǎng)強(qiáng)度所滿(mǎn)足的波動(dòng)方,可以得到理想介質(zhì)中磁場(chǎng)強(qiáng)度所滿(mǎn)足的波動(dòng)方程

位移電流密度(電位移隨時(shí)間變化率):
位移電流(電位移通量隨時(shí)間變化率)
通過(guò)電場(chǎng)中某一截面的位移電流等于通過(guò)該截面電位移通量對(duì)時(shí)間的變化率。
 2.就電流的磁效應(yīng)而言,變化的電場(chǎng)與電流等效,變化的電場(chǎng)產(chǎn)生位移電流。
電流密度:
3.物理意義

極化強(qiáng)度矢量;表示空間電場(chǎng)的變化;表示電介質(zhì)分子中電荷的微觀運(yùn)動(dòng)。
真空中:揭示變化電場(chǎng)與電流的等效關(guān)系。
接收天線最佳接收條件:
1、收發(fā)天線與各自相連的饋線阻抗匹配,2、極化匹配,
3、收發(fā)天線最大輻射方向?qū)?zhǔn),接收天線傳輸?shù)浇K端負(fù)載上的功率為
 弗利斯傳輸公式
為接收功率,為發(fā)射和接收天線的增益,發(fā)射功率,R為收發(fā)距離。

  

隨時(shí)變化的電場(chǎng)在空間產(chǎn)生磁場(chǎng),同樣,隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)也要在空間產(chǎn)生電場(chǎng),電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)的兩個(gè)不可分割的部分。能夠輻射電磁波的裝置稱(chēng)為天線,用功率信號(hào)發(fā)射器作為發(fā)射源,通過(guò)發(fā)射天線產(chǎn)生電磁波,如果將另一副天線置于電磁波中,就能夠在天線體上感生高頻電流,接收天線離發(fā)射天線越近,電磁波功率越強(qiáng),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。接收天線接收的功率足夠強(qiáng)時(shí),大于5dBm時(shí),肖特基檢波二極管將微波能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷,終端接上LED燈,電壓達(dá)到一定值時(shí)可以點(diǎn)亮LED燈,形象直觀的觀察發(fā)射天線的方向圖、主瓣、副瓣、后瓣、零點(diǎn)方向、極化等。放大頻率范圍:2350MHz~2450MHz最大輸出功率27dBm,發(fā)射天線有四種類(lèi)型,垂直極化、水平極化、左旋圓極化、右旋圓極化;增益:>10dBi,在現(xiàn)有配置情況下,最遠(yuǎn)可以在170cm處點(diǎn)亮,距離越近燈越亮。也可以將不同的LED組合使用,但點(diǎn)亮距離會(huì)稍微減小。

圖1實(shí)驗(yàn)原理框圖
    
圖2 發(fā)射裝置                              接收裝置

圖3電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備
   
圖4垂直極化天線發(fā)射接收為綠色和紅色LED燈
        
圖5垂直極化天線發(fā)射接收為蘭色和黃色LED燈
   
圖6垂直極化天線發(fā)射接收為黃色和紅色LED燈
   
圖7垂直極化天線發(fā)射接收為粉紅色和綠色LED燈
接不同顏色LED燈點(diǎn)亮最遠(yuǎn)距離
天線形式八木天線 距離cm
水平極化 垂直極化 45度極化
紅色      
黃色      
橙色      
白色      
粉紅色      
蘭色      
綠色      
 
四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1、按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式要求和內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告;將數(shù)據(jù)填入表中并繪圖。
2、完成數(shù)據(jù)整理,分析電磁波的極化形式;對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象分析討論。
3、討論不同顏色LED燈點(diǎn)亮最遠(yuǎn)距離。
五、注意事項(xiàng)
1.按下按鈕時(shí),若沒(méi)有功率輸出,應(yīng)立即停止發(fā)射,檢查射頻電纜接頭與儀器的SMA型接頭是否連接牢固,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。
2.盡量減少按下按鈕的時(shí)間,以免影響其它小組的測(cè)試準(zhǔn)確性。
3.測(cè)試時(shí)盡量避免人員走動(dòng),以免人體反射影響測(cè)試結(jié)果。


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