電磁場電磁波綜合實(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(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(gè)特征的認(rèn)識(shí)，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。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過增大射頻信號(hào)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；
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，通過極其簡單的幾個(gè)操作，就可以將所學(xué)的抽象的知識(shí)，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(dòng)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)。
二、實(shí)驗(yàn)配置
| 序號(hào) | 名 稱 | 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）理解電場與磁場的相互關(guān)系，通過接收裝置來驗(yàn)證電磁場的存在。
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、電場及其行進(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燈需要電流過通過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，等相位面上場強(qiáng)的振幅處處相等的電磁波。研究條件：
1、研究的空間沒有波源（或遠(yuǎn)離波源），無反射體的無限大媒質(zhì)空間；
2、空間充滿均勻、線性、各向同性媒質(zhì)；
3、電磁場各分量都隨時(shí)間作簡諧變化。
在理想介質(zhì)中，既沒有電荷，也沒有電流，所以理想介質(zhì)中的電磁場滿足無源的麥克斯韋方程組。無源無耗媒質(zhì)中電磁場滿足麥克斯韋方程：
理想介質(zhì)中，電場強(qiáng)度所滿足的波動(dòng)方，可以得到理想介質(zhì)中磁場強(qiáng)度所滿足的波動(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）
通過電場中某一截面的位移電流等于通過該截面電位移通量對時(shí)間的變化率。
2.就電流的磁效應(yīng)而言，變化的電場與電流等效，變化的電場產(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)變化的電場在空間產(chǎn)生磁場，同樣，隨時(shí)間變化的磁場也要在空間產(chǎn)生電場，電場和磁場構(gòu)成統(tǒng)一的電磁場的兩個(gè)不可分割的部分。能夠輻射電磁波的裝置稱為天線，用功率信號(hào)發(fā)射器作為發(fā)射源，通過發(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)橹绷麟妷海K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
| 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 | |||
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試準(zhǔn)確性。
3.測試時(shí)盡量避免人員走動(dòng)，以免人體反射影響測試結(jié)果。
相關(guān)產(chǎn)品：
| 實(shí)驗(yàn)箱 |
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DB-CPTH+ 超強(qiáng)型計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)箱 |
