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電磁波對(duì)不同物質(zhì)的透射實(shí)驗(yàn)
一、    實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1)研究電磁波對(duì)不同媒質(zhì)的透射實(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(duì)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導(dǎo)體平面；
2）垂直極化波垂直入射到有機(jī)玻璃平面的透射波；
3）垂直極化波垂直入射到書籍平面的透射波；
4) 垂直極化波垂直入射到泡沫平面的透射波；
5）右旋圓極化波垂直入射到垂直縫隙導(dǎo)體平面的透射波；
6）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
將研究平面波在幾種不同媒質(zhì)中的傳播，但只考慮分界面為無限大平面的特殊情況。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電磁波由一種媒質(zhì)射向另一種媒質(zhì)的界面時(shí)，將發(fā)生反射和折射（透射）現(xiàn)象，入射波的一部分能量由界面反射回媒質(zhì)1，而另一部分能量透入媒質(zhì)2。于是媒質(zhì)1中除了入射波外還會(huì)有一個(gè)反射波，入射波和反射波迭加成為媒質(zhì)1中的合成波。同時(shí)，媒質(zhì)2中將有反射波、透射波和入射波同時(shí)存在時(shí)，才能使邊界條件得到滿足。研究存在不同媒質(zhì)時(shí)的電磁波傳播，就是要找出滿足給定媒質(zhì)分界面上邊界條件的電磁場(chǎng)分布，因而屬于電磁場(chǎng)邊值問題，而邊界條件則是處理這類問題的基礎(chǔ)。
均勻平面電磁波垂直入射到理想介質(zhì)表面，兩層介質(zhì)的情況設(shè)兩種電磁參數(shù)分別為e₁,m₁,d₁和e₂,m₂,d₂的媒質(zhì)的分界面是Z=0的平面，均勻平面電磁波從Z<0區(qū)域垂直入射到分界面上，如圖1所示。在分界面上必然會(huì)有電磁波反射回第一種媒質(zhì)中，同時(shí)還有電磁波透過分界面，進(jìn)入第二種媒質(zhì)中，形成透射波。我們的任務(wù)是在已知入射波和媒質(zhì)參數(shù)的前提下，確定反射波和透射波。下面分三種情形討論。

圖1  垂直入射波的反射和透射
一、兩種理想介質(zhì)分界面上的反射和透射
假設(shè)入射波是線極化的均勻平面電磁波，其電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度為

分別是第一種媒質(zhì)中均勻平面電磁波的相位常數(shù)和波阻抗。由于反射波仍在第一種媒質(zhì)中，但沿負(fù)Z軸方向傳播，所以反射波可以表示為

第一種媒質(zhì)中的合成波應(yīng)是入射波和反射波的迭加，所以其中總的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

  在第二種媒質(zhì)中，只有向正Z軸方向傳播的透射波，它的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度可表示為：

定義：分界面上反射波電場(chǎng)強(qiáng)度和入射波電場(chǎng)強(qiáng)度之比為反射系數(shù)，用G表示，則在兩種理想介質(zhì)的平面分界面上，反射系數(shù)為

定義：分界面上透射波電場(chǎng)強(qiáng)度和入射波電場(chǎng)強(qiáng)度之比為透射系數(shù)，用T表示，

由于h₂和h₁都是正實(shí)數(shù)，所以G和T都是實(shí)數(shù)。當(dāng)h₂<h₁時(shí)，G<0,這時(shí)分界面上反射波電場(chǎng)與入射波電場(chǎng)相位相反。當(dāng)h₂>h₁時(shí)G>0，這時(shí)反射波電場(chǎng)與入射波電場(chǎng)相位相同。分界面上透射波的電場(chǎng)與入射波電場(chǎng)相位相同�？梢缘玫降谝环N媒質(zhì)中的合成波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別為

可得到第二種媒質(zhì)中的透射波為

從透射波的表達(dá)式可以看到它就是沿正Z軸方向傳播的均勻平面電磁波。第一種媒質(zhì)中的合成波又可以表示為

    上兩式中的前一項(xiàng)是與上一節(jié)中類似的駐波場(chǎng)；而后一項(xiàng)則代表向正Z 軸方向傳播的行波，這種由于部分反射以后而形成的合成波，可以看成是一個(gè)行波和一個(gè)駐波的迭加，我們稱這種波為行駐波，行駐波是由兩個(gè)頻率相同，振幅不相等，沿相反方向傳播的正弦波迭加而成的。合成波的振幅值為


如果G>0，則在cos2k₁z=1或(n=0,1,2,¼¼)處，電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅值最大，   。但在這些點(diǎn)上，磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅值最小，所以電場(chǎng)的波腹點(diǎn)就是磁場(chǎng)的波節(jié)點(diǎn)，在cos2k₁=-1，也就是; 處，電場(chǎng)強(qiáng)度振幅最小，為|E|(1-G)>0，但在這些點(diǎn)上磁場(chǎng)強(qiáng)度振幅達(dá)到最大值，如果G<0，(n=0,1,2, ¼¼)處電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅最小，

磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅最大，這些點(diǎn)是電場(chǎng)的波節(jié)點(diǎn)或磁場(chǎng)的波腹點(diǎn)，在                 處節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅最大，磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅最小，這些點(diǎn)是電場(chǎng)的波腹點(diǎn)或磁場(chǎng)的波點(diǎn)。
為了定量描述行駐波振幅起伏的情況，引進(jìn)了一個(gè)參數(shù)，稱為駐波比。它的定義是電場(chǎng)強(qiáng)度振幅的最大值和最小值之比，用r表示，即

   無論G>0還是G<0,駐波比都可表示為為行波  為駐波為行駐波。

由于çGê≤1所以1≤r≤¥，如果G=0，則有r=1，這相當(dāng)于行波，如果çGê=1，由r=¥這種情形相當(dāng)于純駐波。第一種媒質(zhì)中，合成波的平均功率流密度為

反射波的平均功率流密度為

透射波的平均功率流密度為

在兩種理想介質(zhì)的分界面上，平均功率流密度滿足如下關(guān)系
其中是入射波功率流密度。

圖2放入導(dǎo)體平面

圖3將有機(jī)玻璃平面放入收發(fā)天線中間
有耗媒質(zhì)中均勻平面波

電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的瞬時(shí)值為

⑴TEM波特性
⑵等相位面與傳播方向垂直，等相位面上的場(chǎng)強(qiáng)處處相等
⑶有損耗媒質(zhì)中的均勻平面電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度不再同相位，電場(chǎng)強(qiáng)度        比磁場(chǎng)強(qiáng)度超前一個(gè)相位f。
⑷電場(chǎng)強(qiáng)度E比磁場(chǎng)強(qiáng)度H的振幅之比等于媒質(zhì)的本征阻抗的模
⑸場(chǎng)量的幅值是呈指數(shù)衰減的
⑹有損耗媒質(zhì)都是色散媒質(zhì)
有耗媒質(zhì)中，均勻平面電磁波的坡印廷矢量的瞬時(shí)值為

有耗媒質(zhì)中，坡印延矢量中有一部隨時(shí)間以2倍于電磁波頻率的頻率來回振蕩的成份。坡印廷矢量的時(shí)間平均值為：

在有耗媒質(zhì)中坡印延矢量的瞬時(shí)值和時(shí)間平均值都以的規(guī)律衰減。
在良導(dǎo)體中，傳導(dǎo)電流占主導(dǎo)地位，損耗角正切, 平面電磁波的衰減常數(shù)為

對(duì)良導(dǎo)體，即s/we>>1，穿透深度頻率愈高（滿足），s愈大，穿透深度d就愈小，例如電磁波透入銅m=m₀, e=e₀, s=5.810´⁷1/WM時(shí)，當(dāng)頻率f=10⁶Hz時(shí)d為6.6´10^-5m，而當(dāng)f=3´10¹⁰Hz時(shí)d為3.8´10^-7m。
電磁波進(jìn)入導(dǎo)體的距離為幾個(gè)穿透深度時(shí)，振幅即接近于零，故良導(dǎo)體中的電磁場(chǎng)以及傳導(dǎo)電流于實(shí)際上只存在于導(dǎo)體表面處極薄的一層之中。這種電磁場(chǎng)及電流集中于導(dǎo)體表面附近的現(xiàn)象，稱為趨膚效應(yīng)。由于d很小，故在頻率很高時(shí)，對(duì)一切具有實(shí)際意義的厚度的導(dǎo)體，電磁波是不能透過的。良導(dǎo)體的得透射系數(shù)為
于是

圖4垂直極化波垂直入射到有導(dǎo)體平面的透射波LED燈不亮
四、  實(shí)驗(yàn)步驟
1)用SMA連接電纜RF與極化天線端口，將電磁波信號(hào)輸送到極化天線上。
2)將接收八木天線安裝到旋轉(zhuǎn)支架上，將其垂直放置，移動(dòng)到距離發(fā)射天線80～90cm處。
3)移動(dòng)反射板，如將接收八木天線安裝到支架上對(duì)準(zhǔn)來波方向，注意與反射電場(chǎng)極化匹配。
4)將平面金屬板放入收發(fā)天線中間，如圖4所示，電磁場(chǎng)不能穿投導(dǎo)體板，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。LED燈不亮。說明電磁波被導(dǎo)體板屏蔽了。
5)將五厘米厚的書籍放入收發(fā)天線中間，觀察LED燈的變化。LED燈亮度加強(qiáng)解釋原因。
6)將有機(jī)玻璃平面放入收發(fā)天線中間，觀察LED燈的變化。
7)將超材料放入收發(fā)天線中間，觀察LED燈的變化。
8）將泡沫平面放入收發(fā)天線中間，觀察LED燈的變化。

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(cè)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(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。

教學(xué)設(shè)備

產(chǎn)品分類

電磁波對(duì)不同物質(zhì)的透射實(shí)驗(yàn)