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信息电子技术中的场与波实验报告2

一、实验目的

(1)本实验旨在通过实际操作，深入理解信息电子技术中场的概念及其在电磁波传播中的应用。通过实验，学生将掌握电磁场的基本特性，如电场强度、磁场强度、波阻抗等，并能够通过实验数据验证电磁波在自由空间和介质中的传播规律。实验中涉及的频率范围将涵盖无线电波、微波等，通过实际测量和计算，使学生能够掌握不同频率下电磁波的特性，为后续学习电磁场理论打下坚实的基础。

(2)实验过程中，将重点研究电磁波的反射、折射、衍射等现象，并通过实验验证相关理论。具体来说，通过设置不同角度的反射面和折射界面，观察电磁波的传播路径和强度变化，从而加深对电磁波传播机制的理解。此外，实验还将涉及电磁波的吸收和散射现象，通过测量不同介质对电磁波的吸收系数和散射截面，了解电磁波在不同环境中的传播特性。这些实验数据将有助于学生建立对电磁波传播的直观认识。

(3)通过本次实验，学生将学习如何使用场强计、频谱分析仪等现代测量设备，对电磁场进行精确测量。实验中将采用多种测量方法，如直接测量法、间接测量法等，以验证不同测量方法在精度和适用性方面的差异。此外，实验还将结合实际案例，如无线通信系统、雷达系统等，分析电磁波在实际应用中的传播特性，使学生能够将理论知识与实际应用相结合，提高解决实际问题的能力。

二、实验原理

(1)实验原理基于电磁场理论，根据麦克斯韦方程组，电磁场是由电场和磁场组成的动态场，其传播形式为电磁波。电磁波在真空中的传播速度为光速，约为\(3\times10^8\)米/秒。实验中，通过改变电磁波的频率、波长和传播介质，可以观察到电磁波的反射、折射、衍射和干涉等现象。例如，当电磁波从空气进入玻璃时，由于两种介质的折射率不同，电磁波会发生折射，其传播方向和速度都会发生变化。实验中常用折射率数据如空气的折射率约为1.0003，玻璃的折射率约为1.5，这些数据对于计算电磁波的传播特性至关重要。

(2)在电磁场中，电场强度\(E\)和磁场强度\(H\)的关系由波阻抗\(Z\)描述，波阻抗是一个复数，表示电磁波在介质中的传播特性。波阻抗的实部表示电磁波在介质中的传播速度，虚部表示电磁波在介质中的衰减。实验中，通过测量电场强度和磁场强度，可以计算出波阻抗。例如，在自由空间中，波阻抗的值为\(377\Omega\)，这意味着电磁波在自由空间中的传播速度与光速相同。在实验中，通过使用场强计测量电场强度和磁场强度，并利用这些数据计算波阻抗，可以验证电磁波在特定介质中的传播特性。

(3)电磁波的干涉和衍射现象是实验中另一重要原理。当两束或多束相干的电磁波相遇时，会发生干涉，产生加强或减弱的现象。实验中，通过设置多个发射源和接收器，可以观察到干涉条纹的形成。衍射现象则描述了电磁波通过狭缝或障碍物时发生的弯曲，实验中可以通过观察屏幕上的衍射图样来研究这一现象。例如，在双缝干涉实验中，通过调整光源与屏幕的距离和双缝间距，可以观察到干涉条纹的间距变化，从而验证干涉公式\(\Deltay=\frac{\lambdaD}{d}\)，其中\(\Deltay\)是条纹间距，\(\lambda\)是光的波长，\(D\)是光源与屏幕的距离，\(d\)是双缝间距。这些实验原理为研究电磁波的传播和相互作用提供了理论基础。

三、实验仪器与设备

(1)实验中使用的核心仪器包括电磁场矢量网络分析仪，该设备能够精确测量电磁波的频率、幅度、相位等参数。此外，分析仪配备了内置的天线，用于发射和接收电磁波信号。矢量网络分析仪的操作界面直观，能够实时显示实验数据，便于进行分析。

(2)为了测量电磁波的传播特性，实验装置中包含了多个同轴电缆，用于连接网络分析仪与待测设备。同轴电缆具有良好的屏蔽性能，能够有效防止外部干扰，确保实验数据的准确性。此外，实验中还使用了信号发生器，用于产生特定频率和幅度的电磁波信号。

(3)实验过程中，为了观察电磁波的反射、折射和衍射现象，实验装置中配备了反射板、折射棱镜和衍射光栅等附件。这些附件能够改变电磁波的传播路径，便于观察和记录实验现象。同时，实验中使用了高精度的测量尺和角度计，用于测量电磁波的传播距离和角度，确保实验数据的精确性。

四、实验步骤与操作

(1)实验开始前，首先需要对电磁场矢量网络分析仪进行校准，确保其测量结果的准确性。这一步骤包括校准分析仪的频率范围、幅度范围和相位范围。具体操作为，使用标准信号源产生已知频率和幅度的信号，将其输入到分析仪中，通过调整分析仪的设置，使其输出与标准信号源相匹配的信号。校准完成后，记录下分析仪的校准数据，以便后续实验中参考。

(2)接下来，设置实验环境。将待测设备放置在实验台上，确保其稳定。根据实验需求，搭建实验电路，连接同轴电缆和信号发生器。在实验过程中，需