電磁場電磁波綜合實驗系統(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)計和畢業(yè)設(shè)計及基于ADS軟件的創(chuàng)新設(shè)計。
電磁場電磁波與天線綜合實驗系統(tǒng)通過學(xué)生制作感應(yīng)器的方式，使學(xué)生能夠切實感知和親身體驗電磁波的發(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，實驗內(nèi)容緊扣教學(xué)重點、難點，知識點覆蓋面寬，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點，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、接收過程吸納各個特征的認(rèn)識，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。
實驗系統(tǒng)通過增大射頻信號發(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；
實驗平臺設(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驗。將實驗儀器的功率發(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。在整個實驗過程中，通過極其簡單的幾個操作，就可以將所學(xué)的抽象的知識，通過具象化的實驗來驗證清楚，進一步提高了教學(xué)的效率。增加了學(xué)生對實驗的印象，提高了學(xué)生動手能力，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)提供了切實有效的經(jīng)驗。提升學(xué)生對電磁場與波的學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)探究性學(xué)習(xí)，創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。
二、實驗配置
| 序號 | 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)識電磁波實驗?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2.5度； 2）電磁波傳播特性實驗?zāi)K（空間行、駐波特性實驗）；接收天線支架、滑臺, 金屬導(dǎo)體反射板線支架、滑臺。 3）極化電磁波實驗?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，動態(tài)范圍：70dB收發(fā)最遠距離170cm; |
實驗1、電磁波及傳播特性實驗
一、實驗?zāi)康?/strong>
1）通過電磁感應(yīng)裝置的設(shè)計，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，通過接收裝置來驗證電磁場的存在。
二、實驗項目
1）認(rèn)識電磁波實驗
2）場矢量認(rèn)知實驗
3）位移電流驗證實驗
4）可視化電磁波感應(yīng)器制作實驗
5）輻射衰減規(guī)律實驗
三、實驗原理
電磁波的磁場、電場及其行進方向三者互相垂直。振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性交變，其強度與距離的平方成反比。點亮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，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)生一個電流，并點亮感應(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，電場強度所滿足的波動方，可以得到理想介質(zhì)中磁場強度所滿足的波動方程
位移電流密度（電位移隨時間變化率）：
位移電流（電位移通量隨時間變化率）
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動。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。
隨時變化的電場在空間產(chǎn)生磁場，同樣，隨時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，感應(yīng)電動勢越大。接收天線接收的功率足夠強時，大于5dBm時，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，電壓達到一定值時可以點亮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，最遠可以在170cm處點亮，距離越近燈越亮。也可以將不同的LED組合使用，但點亮距離會稍微減小。
圖1實驗原理框圖
圖2 發(fā)射裝置 接收裝置
圖3電磁場實驗設(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)實驗報告格式要求和內(nèi)容完成實驗報告；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；對實驗中的現(xiàn)象分析討論。
3、討論不同顏色LED燈點亮最遠距離。
五、注意事項
1.按下按鈕時，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間，以免影響其它小組的測試準(zhǔn)確性。
3.測試時盡量避免人員走動，以免人體反射影響測試結(jié)果。
相關(guān)產(chǎn)品：
| 實驗箱 |
