北邮电磁场与电磁波实验总结

北京邮电大学电磁场与微波测量实验报告班级：姓名：学号：第一部分实验建议实验已经做完，在这个过程中我收获很多，但我认为也有一些不足之处，提出以下建议。1）希望增加部分器材，实验过程中很多东西不够用，大家要相互借用，有时要等到其他组做完，比较影响实验进度。2）实验室太小，实验互相干扰严重，部分实验会有误差。希望扩大场地。第二部分从“用谐振腔微扰法测量介电常数实验”提出新实验——谐振腔体积对测量结果准确性的研究实验提出依据：该实验的提出是建立在对“用谐振腔微扰法测量介电常数”实验的研究基础之上，原实验中要求介质棒体积Vs远小于谐振腔体积V0，此时可以认为除样品所在处的电磁场发生变化外，其余部分的电磁场保持不变，从而可把样品看成一个微扰，则样品中的电场和外电场相等。而原实验中的谐振腔体积是否真的满足这个条件呢，改变谐振腔的体积对测量结果的准确性有何影响呢？本实验将对此做进一步的探究。一、实验目的1．了解谐振腔的基本知识。2．学习用谐振腔法测量介质特性的原理和方法。3．对实验结果做进一步的验证。二、实验原理本实验是采用反射式矩形谐振腔来测量微波介质特性的。反射式谐振腔是把一段标准矩形波导管的一端加上带有耦合孔的金属板，另一端加上封闭的金属板，构成谐振腔，具有储能、选频等特性。谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍，此时，电磁波在腔内连续反射，产生驻波。谐振腔的有载品质因数QL由下式确定：210fffQL式中：f0为腔的谐振频率，f1，f2分别为半功率点频率。谐振腔的Q值越高，谐振曲线越窄，因此Q值的高低除了表示谐振腔效率的高低之外，还表示频率选择性的好坏。如果在矩形谐振腔内插入一样品棒，样品在腔中电场作用下就会极化，并在极化的过程中产生能量损失，因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化。图1反射式谐振腔谐振曲线图2微找法TE10n模式矩形腔示意图电介质在交变电场下，其介电常数ε为复数，ε和介电损耗正切tanδ可由下列关系式表示：j，tan，其中：ε，和ε，，分别表示ε的实部和虚部。选择TE10n，(n为奇数)的谐振腔，将样品置于谐振腔内微波电场最强而磁场最弱处，即x＝α／2，z＝l／2处，且样品棒的轴向与y轴平行，如图2所示。假设：1．样品棒的横向尺寸d(圆形的直径或正方形的边长)与棒长九相比小得多(一般d／h1／10)，y方向的退磁场可以忽略。2．介质棒样品体积Vs远小于谐振腔体积V0，则可以认为除样品所在处的电磁场发生变化外，其余部分的电磁场保持不变，因此可以把样品看成一个微扰，则样品中的电场与外电场相等。这样根据谐振腔的微扰理论可得下列关系式000)1(2VVfffSs041VVQSL式中：f0,fs分别为谐振腔放人样品前后的谐振频率，Δ(1／QL)为样品放人前后谐振腔的有载品质因数的倒数的变化，即011)1(LLSLQQQ其中QL0，QLS分别为放人样品前后的谐振腔有载品质因数。三、实验装置1.微波信号源需工作在最佳等幅、扫描状态。2.晶体检波器接头最好是满足平方律检波的，这时检波电流表示相对功率(I∝P)。3.检波指示器用来测量反射式谐振腔的输出功率，量程0～100μA。4.微波的频率用波长表测量刻度，通过查表确定微波信号的频率。5.用晶体检波器测量微波信号时，为获得最高的检波效率，它都装有一可调短路活塞，调节其位置，可使检波管处于微波的波腹。改变微波频率时，也应改变晶体检波器短路活塞位置，使检波管一直处于微波波腹的位置。图17试验装置示意图1—微波信号源2—隔离器3—衰减器4—波长表5—测量线6—测量线晶体7—选频放大器8—环形器9—反射式谐振腔10—隔离器11—晶体检波器6.提供5个仅体积不同的反射式谐振腔，体积关系如下：V1V2V3V4V5(V3为原实验所用的样品谐振腔）四、实验内容1．选用V3体积的反射式谐振腔，按图接好各部件。注意：反射式谐振腔前必须加上带耦合孔的耦合片，接入隔离器及环形器时要注意其方向。2．开启微波信号源，选择等幅、扫频方式，预热30分钟。3．测量谐振腔的长度，根据公式计算它的谐振频率，一定要保证n为奇数。4．在样品未插入腔内时，找出样品谐振腔的谐振频率。此时在示波器中观察输出图像出现吸收峰，该处频率即为样品谐振腔的谐振频率，这即为工作模区。仔细调节波长计，使得示波器上观察到的谐振曲线中出现较窄的吸收峰。调节波长计，可见波长计产生的吸收峰在谐振腔产生的吸收峰上滑动，此时可通过波长计测量谐振频率f0,以及半功率点的频率f1,f2。5．计算得到空腔的有载品质因数：通过波长计测得的样品腔谐振频率f0，以及半功率点的频率f1，f2，利用公式210fffQL进行计算，注意，f1、f2于f0的差别很小，约0.003GHz.6．加载样品，重新寻找其谐振频率，测量其品质因数。7．计算介质棒及谐振腔的体积。8．利用实验原理的公式计算介质棒的介电常数和介电损耗角正切。9．分别换用体积为V1、V2、V4、V5的反射式谐振腔重复上述步骤五、记录实验数据并进行处理谐振腔体积V1V2V3V4V5介电常数介电损耗角正切六、分析数据并得出结论根据表格，比较不同体积下的介电常数和介电损耗角正切，得出结论。七、实验注意事项（1）按图连接测试系统，使信号源处于扫频工作状态，接入隔离器及环形器时要注意其方向。开启微波信号源，选择等幅方式，预热30分钟。（2）做样品谐振腔的谐振曲线需用扫频信号源，若没有扫频信号源，则应逐点改变信号源的频率，并保持每个频率上有相同的输出功率。第三部分实验总结刚拿到教材的时候，看到微波两个字顿时感觉这个科目应该会很难，因为上学期我并没有选修微波这门课程。到做实验的时候，在赵老师的耐心指点和组员的积极配合下，实验并没有想象中的那么难，但是真的是收获匪浅，感觉每次实验课后都学到了很多新的东西。第一次实验做的是电磁波反射与折射实验、单缝衍射实验和双缝干涉实验，这三个实验都相对较简单，因为接触较早，实验原理也比较清晰，所以做起来相对容易一点。开始我们不知道仪器的具体使用方法，在将原理与设备联系以后，我们熟练了具体的操作，实验也自然很快就结束了。第二次实验做的是迈克尔逊干涉实验和极化实验，迈克尔逊干涉实验在组装实验设备的时候出现了问题，后来发现是少了一个反射板。在组装完成后很快完成了实验。而极化实验很简单，并没留下太多印象。第三次试验中晶体检波器的校准实验在数据处理的时候遇到问题，我们是将U值按比例调节到固定值时，记录相对波节点的位置，而对应课本中的处理要求则没办法进行处理。于是我根据实验数据计算出实际的相对电场强度E’，制成表格如下：相对电场强度E00.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00理论计算值d(mm)00.901.702.603.504.505.506.707.909.7013.50实际相对电场强度E’00.250.380.460.550.590.660.730.790.870.96其中E’=gdUU2sinmax画出相对场强log（E’）与log（U）的曲线：因为存在误差，并不是一条斜率为n的直线，我用matlab做数据拟合后如下图:得到晶体检波率为n=1.77问题得到解决。然后我们进行了课外测量实验，这次实验印象深刻，我们花了两个下午才完成实验的测量。因为我们使用的是较精密仪器，测量频率选择较高,考虑到花费时间可能较长，我们选择了围绕教一楼进行测量，但依然测量了一个半下午。接下来的阻抗测量及匹配技术实验以及用谐振腔微扰法测量介电常数实验可谓是历尽千辛万苦。阻抗测量及匹配技术的难点在最后一步，利用两边逼近的原则调节使驻波比小于1.05.这个匹配技术很清晰，即：在调节匹配过程中，先移动测量线探针找到并记下波节点位置，然后继续调节测量线调到波腹点，此时调节调配器位置，驻波波腹点有所下降，波节点有所上升，直至波节点和波腹点相差不大时，调节螺钉深度，同时用测量线跟踪驻波大小，直至实现匹配。可是这个调节过程并没有那么简单，我们在上次实验的时候有做了半小时左右的调节过程没有完成，在本次试验中又花费了大概半个多小时才终于调节完成。而进行用谐振腔微扰法测量介电常数的实验时，我们花了很长时间一直找不到谐振频率，最后在赵老师的帮助下才发现是之前调节衰减器导致信号强度太弱，调节后增大信号源频率很快就调出了我们需要的图形。这个实验数据处理较简单，没有遇到太大问题。通过这次实验，我明白了做任何实验都要有耐心，其次再出现问题之后要思考可能是哪方面的问题，逐一进行检查调节，这样才能成功完成实验。最后一次实验，5.3部分的实验我们做的很快，而到了微波TV发射机系统的调测实验这里遇到了问题，开始我们不知道怎么接线，按照书上的原理图接的话，相对应位置仪器并没有插孔。后来我们看了前面的原理，改变了部分电路的线路连接，完成了实验的测量。这个中间过程耗时较长，但最终还是完成了。通过这次试验，我真的收获很多，我认识到了动手操作的重要性。有些实验或者是原理，看起来很简单，但是真正做起来总会遇到很多问题，而我们解决这些问题后就能让我们更清晰的理解实验原理，让我们的能力得到很大的提升。这些是实验而非课本所能带给我们的。我希望学校能够增加更多的类似的实验课，通过这样的课程我们能真正学到很多东西。同时，我也明白在以后的学习中，不能一味的看课本，记原理或过程，有时候动手操作一下可能会有事半功倍的效果。