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2025-05-10 09:26

電磁波邊界條件實(shí)驗(yàn)

一、    實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1） 研究電磁波的邊界條件實(shí)驗(yàn)；
2） 研究電磁波傳播路經(jīng)上遇到不同物質(zhì)的透射現(xiàn)象；
3） 通過試驗(yàn)加深對電磁波傳播特性的理解；
二、    實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1）垂直極化波垂直入射到水平縫隙導(dǎo)體平面的透射波；
2）垂直極化波垂直入射到垂直縫隙導(dǎo)體平面的透射波；
3）左旋圓極化波垂直入射到垂直縫隙導(dǎo)體平面的透射波；
4）右旋圓極化波垂直入射到垂直縫隙導(dǎo)體平面的透射波；
5）垂直極化波垂直入射到超材料平面的透射波；
三、實(shí)驗(yàn)原理
 
一、實(shí)驗(yàn)概述
電磁場電磁波與天線綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能滿足能滿足通信工程、電子工程、微波工程等專業(yè)開設(shè)《電磁場》、《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技術(shù)類課程的課題設(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)。
電磁場電磁波與天線綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過學(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)人員對電磁波產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸、接收過程吸納各個特征的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)習(xí)人員對電磁波分析和電磁波應(yīng)用的創(chuàng)新能力。
電磁場電磁波與天線綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過增大射頻信號發(fā)射功率，在不需專用儀表的情況下能感知電磁場存在、定性研究天線的極化方向、天線增益、天線頻響等性能；
電磁場電磁波與天線綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)有波長測量、功率檢波、電磁場極化等若干簡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應(yīng)的關(guān)系。將發(fā)射天線的功率輸入天線，通過調(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。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，通過極其簡單的幾個操作，就可以將所學(xué)的抽象的知識，通過具象化的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證清楚，進(jìn)一步提高了教學(xué)的效率。增加了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的印象，提高了學(xué)生動手能力，深刻的將公式與現(xiàn)象結(jié)合起來，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)生對電磁場與波的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)探究性學(xué)習(xí)，創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。
用麥克斯韋方程的工程應(yīng)用技術(shù)，采用特制的無源發(fā)光電磁波感應(yīng)器，使抽象的“電磁波”看得見、摸得著，電波傳播眼見為實(shí)，幫助學(xué)生建立空間形象；有效化解感念抽象于形象，化物理現(xiàn)象模糊于具體，改變實(shí)驗(yàn)呆板、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)。使知識認(rèn)知可視化、知識應(yīng)用自主化能建立趣味化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系性設(shè)計(jì)。建立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)互動平臺，拓展類實(shí)驗(yàn)有助于老師和學(xué)生圍繞知識能力發(fā)揮和運(yùn)用，形成富有特色的新成果。

電磁場電磁波可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

電磁場電磁波可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
當(dāng)電力線是垂直與寬邊的直線，磁力線是在水平面的閉合曲線。電力線可以由正電荷發(fā)出而終止于負(fù)電荷,也可以是閉合曲線，磁力線必須是閉合曲線，電力線與理想導(dǎo)體表面垂直，磁力線與理想導(dǎo)體表面平行，磁力線必須與電力線相鉸鏈，磁力線與電力線相正交，橫截面內(nèi)的電力線與磁力線與波的傳播方向構(gòu)成右手系，電力線或磁力線都是橫截面內(nèi)的平面曲線或直線。在縫隙導(dǎo)體平面的內(nèi)壁上,必須滿足電場切向分量和磁場法向分量等與0的邊界條件。
垂直極化波垂直入射到水平縫隙導(dǎo)體平面的透射波；由于滿足邊界條件可以點(diǎn)亮LED燈。垂直極化波垂直入射到垂直縫隙導(dǎo)體平面的透射波；電磁波被截止不滿足邊界條件LED不燈。

圖1垂直極化波垂直入射到垂直縫隙柵格平面

圖3垂直極化波垂直入射到水平縫隙柵格平面

圖4垂直極化波垂直入射到水平縫隙柵格平面

圖5電磁波的邊界條件實(shí)驗(yàn)垂直極化波垂直入射到水平縫隙柵格平面

電磁波入射到兩種不同媒質(zhì)的分界面
良導(dǎo)體被認(rèn)為是理想導(dǎo)體，理想導(dǎo)體內(nèi)部電場為零，導(dǎo)體的任何電荷只分布在表面，在媒質(zhì)2中媒質(zhì)1邊界，，媒質(zhì)2邊界處參考單位法線方向應(yīng)由媒質(zhì)2指向外的法線方向。面電荷為正，電場強(qiáng)度垂直于導(dǎo)體表面且指向外，分界面上，磁場強(qiáng)度和分界面相切，大小等于面電流密度，。發(fā)射電場為垂直極化，垂直于導(dǎo)體表面，滿足邊界條件，導(dǎo)體板水平放置電場結(jié)構(gòu)不變，LED燈量度不變。

圖6 垂直極化電磁波導(dǎo)體板水平放置電場結(jié)構(gòu)不變
三、    實(shí)驗(yàn)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80～90cm處。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)來波方向，注意與反射電場極化匹配。
3）將垂直縫隙柵格平面金屬板放入收發(fā)天線中間，觀察LED燈是否被點(diǎn)亮。按下發(fā)射開關(guān)，此時(shí)電磁波發(fā)射出來，觀察LED燈是否被點(diǎn)亮，因?yàn)椴粷M足邊界條件LED燈不亮。
4)將水平水平縫隙柵格平面放入收發(fā)天線中間，觀察LED燈是否被點(diǎn)亮。
5)觀察LED燈是否被點(diǎn)亮，因?yàn)闈M足邊界條件LED燈亮。
6)發(fā)射天線垂直極化放置，將導(dǎo)體板水平放置在收發(fā)天線中間如圖6所示，電場垂直與平板。由于沒有改變原來的電磁場結(jié)構(gòu)，觀察LED燈點(diǎn)亮。
7)發(fā)射為圓極化波垂直入射到柵格平面觀察LED燈是否被點(diǎn)亮。
8)發(fā)射天線垂直極化放置，將導(dǎo)體板垂直放置在收發(fā)天線中間如，電場垂直與平板平行。由于改變原來的電磁場結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)體平板激勵起表面電流，LED燈不亮。
五、注意事項(xiàng)
1.按下按鈕時(shí)，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(shí)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(shí)間，以免影響其它小組的測試準(zhǔn)確性。
3.測試時(shí)盡量避免人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。

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