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浅谈电磁波对不同物质的透射实验

时间：2025-05-19 10:07:24

电磁波对不同物质的透射实验
一、    实验目的
1)研究电磁波对不同媒质的透射实验；
2)研究电磁波传播路经上遇到不同物质的透射现象；
3)通过试验加深对电磁波传播特性的理解；
二、 实验项目
1）垂直极化波垂直入射到导体平面；
2）垂直极化波垂直入射到有机玻璃平面的透射波；
3）垂直极化波垂直入射到书籍平面的透射波；
4) 垂直极化波垂直入射到泡沫平面的透射波；
5）右旋圆极化波垂直入射到垂直缝隙导体平面的透射波；
6）垂直极化波垂直入射到超材料平面的透射波；
三、    实验原理
将研究平面波在几种不同媒质中的传播，但只考虑分界面为无限大平面的特殊情况。实验表明，当电磁波由一种媒质射向另一种媒质的界面时，将发生反射和折射（透射）现象，入射波的一部分能量由界面反射回媒质1，而另一部分能量透入媒质2。于是媒质1中除了入射波外还会有一个反射波，入射波和反射波迭加成为媒质1中的合成波。同时，媒质2中将有反射波、透射波和入射波同时存在时，才能使边界条件得到满足。研究存在不同媒质时的电磁波传播，就是要找出满足给定媒质分界面上边界条件的电磁场分布，因而属于电磁场边值问题，而边界条件则是处理这类问题的基础。
均匀平面电磁波垂直入射到理想介质表面，两层介质的情况设两种电磁参数分别为e1,m1,d1和e2,m2,d2的媒质的分界面是Z=0的平面，均匀平面电磁波从Z<0区域垂直入射到分界面上，如图1所示。在分界面上必然会有电磁波反射回第一种媒质中，同时还有电磁波透过分界面，进入第二种媒质中，形成透射波。我们的任务是在已知入射波和媒质参数的前提下，确定反射波和透射波。下面分三种情形讨论。

图1  垂直入射波的反射和透射
一、两种理想介质分界面上的反射和透射
假设入射波是线极化的均匀平面电磁波，其电场强度和磁场强度为

分别是第一种媒质中均匀平面电磁波的相位常数和波阻抗。由于反射波仍在第一种媒质中，但沿负Z轴方向传播，所以反射波可以表示为
 
第一种媒质中的合成波应是入射波和反射波的迭加，所以其中总的电场强度和磁场强度为：
  
  在第二种媒质中，只有向正Z轴方向传播的透射波，它的电场强度和磁场强度可表示为：
    
定义：分界面上反射波电场强度和入射波电场强度之比为反射系数，用G表示，则在两种理想介质的平面分界面上，反射系数为
 
定义：分界面上透射波电场强度和入射波电场强度之比为透射系数，用T表示，

由于h2和h1都是正实数，所以G和T都是实数。当h2<h1时，G<0,这时分界面上反射波电场与入射波电场相位相反。当h2>h1时G>0，这时反射波电场与入射波电场相位相同。分界面上透射波的电场与入射波电场相位相同。可以得到第一种媒质中的合成波的电场和磁场分别为
 
 可得到第二种媒质中的透射波为
 
从透射波的表达式可以看到它就是沿正Z轴方向传播的均匀平面电磁波。第一种媒质中的合成波又可以表示为
 
    上两式中的前一项是与上一节中类似的驻波场；而后一项则代表向正Z 轴方向传播的行波，这种由于部分反射以后而形成的合成波，可以看成是一个行波和一个驻波的迭加，我们称这种波为行驻波，行驻波是由两个频率相同，振幅不相等，沿相反方向传播的正弦波迭加而成的。合成波的振幅值为
 
                                                                                                           
如果G>0，则在cos2k1z=1或(n=0,1,2,¼¼)处，电场强度的振幅值最大，   。但在这些点上，磁场强度的振幅值最小，所以电场的波腹点就是磁场的波节点，在cos2k1=-1，也就是; 处，电场强度振幅最小，为|E|(1-G)>0，但在这些点上磁场强度振幅达到最大值，如果G<0，(n=0,1,2, ¼¼)处电场强度的振幅最小，

磁场强度的振幅最大，这些点是电场的波节点或磁场的波腹点，在                 处节电场强度的振幅最大，磁场强度的振幅最小，这些点是电场的波腹点或磁场的波点。
为了定量描述行驻波振幅起伏的情况，引进了一个参数，称为驻波比。它的定义是电场强度振幅的最大值和最小值之比，用r表示，即
 
   无论G>0还是G<0,驻波比都可表示为为行波  为驻波为行驻波。
                
由于çGê≤1所以1≤r≤¥，如果G=0，则有r=1，这相当于行波，如果çGê=1，由r=¥这种情形相当于纯驻波。第一种媒质中，合成波的平均功率流密度为

反射波的平均功率流密度为

透射波的平均功率流密度为

在两种理想介质的分界面上，平均功率流密度满足如下关系
其中 是入射波功率流密度。

图2放入导体平面

图3将有机玻璃平面放入收发天线中间
有耗媒质中均匀平面波

电场强度和磁场强度的瞬时值为

⑴TEM波特性
⑵等相位面与传播方向垂直，等相位面上的场强处处相等
⑶有损耗媒质中的均匀平面电磁波的电场强度和磁场强度不再同相位，电场强度        比磁场强度超前一个相位f。
⑷电场强度E比磁场强度H的振幅之比等于媒质的本征阻抗的模
⑸场量的幅值是呈指数衰减的
⑹有损耗媒质都是色散媒质
有耗媒质中，均匀平面电磁波的坡印廷矢量的瞬时值为

有耗媒质中，坡印延矢量中有一部随时间以2倍于电磁波频率的频率来回振荡的成份。坡印廷矢量的时间平均值为：

在有耗媒质中坡印延矢量的瞬时值和时间平均值都以的规律衰减。
在良导体中，传导电流占主导地位，损耗角正切, 平面电磁波的衰减常数为

对良导体，即s/we>>1，穿透深度频率愈高（满足），s愈大，穿透深度d就愈小，例如电磁波透入铜m=m0, e=e0, s=5.810´7  1/WM时，当频率f=106Hz时d为6.6´10-5m，而当f=3´1010Hz时d为3.8´10-7m。
电磁波进入导体的距离为几个穿透深度时，振幅即接近于零，故良导体中的电磁场以及传导电流于实际上只存在于导体表面处极薄的一层之中。这种电磁场及电流集中于导体表面附近的现象，称为趋肤效应。由于d很小，故在频率很高时，对一切具有实际意义的厚度的导体，电磁波是不能透过的。良导体的得透射系数为
于是


图4垂直极化波垂直入射到有导体平面的透射波LED灯不亮
四、  实验步骤
1)用SMA连接电缆RF与极化天线端口，将电磁波信号输送到极化天线上。
2)将接收八木天线安装到旋转支架上，将其垂直放置，移动到距离发射天线80～90cm处。
3)移动反射板，如将接收八木天线安装到支架上对准来波方向，注意与反射电场极化匹配。
4)将平面金属板放入收发天线中间，如图4所示，电磁场不能穿投导体板，按下发射开关，此时电磁波发射出来，观察LED灯是否被点亮。LED灯不亮。说明电磁波被导体板屏蔽了。
5)将五厘米厚的书籍放入收发天线中间，观察LED灯的变化。LED灯亮度加强解释原因。
6)将有机玻璃平面放入收发天线中间，观察LED灯的变化。
7)将超材料放入收发天线中间，观察LED灯的变化。
8）将泡沫平面放入收发天线中间，观察LED灯的变化。
 
五、注意事项
1.按下按钮时，若没有功率输出，应立即停止发射，检查射频电缆头与仪器的接头是否连接牢固，检查射频电缆小头的SMA头与天线的输入端口是否牢固连接；用微安表测量时输出接10dB衰减器防止微安表打表。防止空载工作烧坏微波放大器。
2.尽量减少按下按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。
3.测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。
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