新型电磁波演示装置1引言2电磁波演示装置原理-复旦大学物理教学.PDF

新型电磁波演示装置 刘希 贾孟文 摘要：本文对作者一学期来进行的新型电磁波演示装置的制作进行了阶段性总结，给出了详 细的仪器方案，回顾了本学期的试验成果，并提出了进一步的工作路线。 关键词：电磁波，射频电路，演示 1 引言 电磁波的发现是改变人类历史进程的伟大科学成就，电气和通信技术是现代 科技的基础，也是微电子技术的发端。因此，在电磁学的课堂教学中，对电磁波 的正确认识是学好后续知识的基础。然而电磁波本身无形无色，本质为空间扰动 的传播，这对直观理解、把握电磁波的图像不利。为此，一种能够只管展示电磁 波在空间分布的课堂教学仪器就成为需要。为此，结合波的特性，我们设计了一 种通过驻波形式演示电磁波空间分布的装置，以此来演示电磁波的各种空间特性。 2 电磁波演示装置原理 2.1 电磁波的发生发射 电磁波的发生依赖于一系列振荡电路和放大电路。其中放大既包含信号的放 大也包含功率的放大。振荡电路用以形成待发射的信号模式，功率放大电路用以 将发生的信号功率进行放大，以便于通过天线发射出去，信号发生电路和功率放 大电路的耦合则需要借助一系列运放实现。 信号发生 功率放大 空间电磁 耦合电路 天线 电路 电路 波 图1 电磁波的发射装置组成框图 2.2 驻波的形成 普通电磁波为行波场，其波包不断前进，平均下来在空间没一点处的作用相 同，无法演示出空间波场的分布。为形成空间稳定分布的场，必须在行波前进途 中设置阻碍，使回波与前行波形成驻波，以便于观察。 图2 空间驻波的形成 2.3 场强的接收与可视化 为表征出空间电磁场的分布，需要得到每一点电磁场的场强，这就需要一个 场强检测电路，即场强计电路。场强计实际检测的是空间电场的大小，在空间不 同位置处，电场场强不同，场强计得到的信号也不同，信号的大小可以通过输出 电流或电压来表征，经过运放放大后便可以驱动诸如如LED 灯等发光器件通过肉 眼可见的光强等信息将场强分布表示出来，这样就实现了电磁场空间分布的可视 化。 3 仪器的设计 根据整个装置的原理与预期效果，将仪器的设计分为以下几个模块：1 高频 正弦信号发生器；2 功率放大与发射模块；3 承接装置与反射屏；4 场强计LED 显 示装置。 3.1 正弦信号发生器 根据课堂演示的要求，实验仪器不能做得太大，要在有限空间范围内实现一 个或多个波长，根据波长与波速的关系： λν = c 可知，要波长足够小，需要较大的振荡频率。 综合成本、可行性与制作难度，最终选择将振荡频率定在200mHZ 左右，此 时： ν = = 1.5m 形成驻波后，其一个波腹长度为： ∆λ = = 0.75 2 可以满足课堂演示需要。 为简单起见，我选择正弦波作为信号模式。mHZ 为通信波段频率，为实现正 弦信号的模拟输出，我们借助摩托罗拉公司的通信电路的正弦振荡器 MC1648P 实现。其基本参数如下表所示： 图3 MC1648P 基本电气参数 图4 MC1648P 实物图 MC1648 是产生高频正弦波振荡的专用集成块