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可视化电磁场与电磁波综合实验系统

时间：2025-05-06 09:47:05

一、实验概述
电磁场电磁波综合实验系统能满足能满足通信工程、电子工程、微波工程等专业开设《电磁场》、《天线技术》等课程教学、实训、示教需要，也可用于微波电磁场技术类课程的课题设计和毕业设计及基于ADS软件的创新设计。
电磁场电磁波与天线综合实验系统通过学生制作感应器的方式，使学生能够切实感知和亲身体验电磁波的发射、传播、接收等完整的过程，具有与教学大纲结合紧密，实验内容紧扣教学重点、难点，知识点覆盖面宽，能够透彻地了解法拉第电磁感应定律、电磁波传播特性、电偶极子、天线基本结构及其特征等重要知识点，深刻理解电磁感应定律的原理和作用，深刻理解电偶极子和电磁波辐射的原理，掌握电磁波测量技术原理和方法，帮助学习人员建立电磁波的形象思维方式，加深和加强学习人员对电磁波产生、发射、传输、接收过程吸纳各个特征的认识，培养学习人员对电磁波分析和电磁波应用的创新能力。
实验系统通过增大射频信号发射功率，在不需专用仪表的情况下能感知电磁场存在、定性研究天线的极化方向、天线增益、天线频响等性能；
实验平台设有波长测量、功率检波、电磁场极化等若干简单又富有论证性的实验。将实验仪器的功率发射端加载到三种极化天线端口。将天线采集到的感生电流接入LED灯。把检波天线放置在固定的位置以后，可以看到LED灯的明暗与极化方式有着对应的关系。将发射天线的功率输入天线，通过调整检波天线的位置或者检波天线的角度方向，观察发光灯的明暗变化。这样就可以直观的感受到电磁波的分布参数、极化等丰富的概念。在整个实验过程中，通过极其简单的几个操作，就可以将所学的抽象的知识，通过具象化的实验来验证清楚，进一步提高了教学的效率。增加了学生对实验的印象，提高了学生动手能力，深刻的将公式与现象结合起来，为以后的工作和学习提供了切实有效的经验。提升学生对电磁场与波的学习兴趣，实现探究性学习，创造性学习。
二、实验配置

序号	名称	主要技术规格
1	标配模块	1）铝合金导轨,认识电磁波实验模块；发射支架，接收支架。标尺精度：1mm；长度：1米；旋转精度：2.5度；接收天线垂直面和俯仰面可调；天线可测量E面和H面方向图；角度步进2.5度； 2）电磁波传播特性实验模块（空间行、驻波特性实验）；接收天线支架、滑台, 金属导体反射板线支架、滑台。 3）极化电磁波实验模块,圆极化天线,极化量程360度；极化栅格；
2	工作频率	范　　围： 2-3GHz
3	射频放大输出	功率控制：0～10级衰减调整控制
		功率放大频率范围：2350MHz～2450MHz
		最大输出功率：＜27dBm
4	发射组件	三副线极化微带八木天线：增益：＞10dBi；覆盖垂直极化、水平极化,一个右旋圆极化螺旋天线；增益：＞10dBi；
5	接收组件	无源检波器LED发光灵敏度：4dBm；LED灯颜色有红、黄、粉红、绿、紫、兰、绿，接收天线微带八木天线。增益：＞10dBi；
6	射频检波模组	检波灵敏度：＞3.2GHz，动态范围：70dB收发最远距离170cm;

实验1、电磁波及传播特性实验
一、实验目的
1）通过电磁感应装置的设计，了解麦克斯韦电磁感应定理的内容；
2）理解电磁波辐射原理；了解电磁感应的原理及作用;
3）理解电场与磁场的相互关系，通过接收装置来验证电磁场的存在。
二、实验项目
1）认识电磁波实验
2）场矢量认知实验
3）位移电流验证实验
4）可视化电磁波感应器制作实验
5）辐射衰减规律实验
三、实验原理
电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比。点亮LED灯需要电流过通过LED，表面LED所连接的电路两端既要有电压，且电路又需处于闭合的状态，需在纯电阻电路或线性变化电路当中。当在空间发射电磁波时，把已经做好了的半波天线感应器置放于电磁波中，由电磁波产生的交变电场就能够在半波天线感应器中产生一个电流，并点亮感应器中的LED，变化电场相当于一种电流，能够输送和传递能量。
1. 根据麦克斯韦方程

   均匀平面电磁波：等相位面是平面，等相位面上场强的振幅处处相等的电磁波。研究条件：
  1、研究的空间没有波源（或远离波源），无反射体的无限大媒质空间；
  2、空间充满均匀、线性、各向同性媒质；
  3、电磁场各分量都随时间作简谐变化。
     在理想介质中，既没有电荷，也没有电流，所以理想介质中的电磁场满足无源的麦克斯韦方程组。无源无耗媒质中电磁场满足麦克斯韦方程：

理想介质中，电场强度所满足的波动方，可以得到理想介质中磁场强度所满足的波动方程

位移电流密度（电位移随时间变化率）：

位移电流（电位移通量随时间变化率）

通过电场中某一截面的位移电流等于通过该截面电位移通量对时间的变化率。
2.就电流的磁效应而言，变化的电场与电流等效，变化的电场产生位移电流。
电流密度：

3.物理意义

极化强度矢量；

表示空间电场的变化；

表示电介质分子中电荷的微观运动。
真空中：

揭示变化电场与电流的等效关系。
接收天线最佳接收条件：
1、收发天线与各自相连的馈线阻抗匹配，2、极化匹配，
3、收发天线最大辐射方向对准，接收天线传输到终端负载上的功率为

弗利斯传输公式

为接收功率，

为发射和接收天线的增益，

发射功率，R为收发距离。

随时变化的电场在空间产生磁场，同样，随时间变化的磁场也要在空间产生电场，电场和磁场构成统一的电磁场的两个不可分割的部分。能够辐射电磁波的装置称为天线，用功率信号发射器作为发射源，通过发射天线产生电磁波，如果将另一副天线置于电磁波中，就能够在天线体上感生高频电流，接收天线离发射天线越近，电磁波功率越强，感应电动势越大。接收天线接收的功率足够强时，大于5dBm时，肖特基检波二极管将微波能量转变为直流电压，终端接上LED灯，电压达到一定值时可以点亮LED灯，形象直观的观察发射天线的方向图、主瓣、副瓣、后瓣、零点方向、极化等。放大频率范围：2350MHz～2450MHz最大输出功率27dBm，发射天线有四种类型，垂直极化、水平极化、左旋圆极化、右旋圆极化；增益：＞10dBi，在现有配置情况下，最远可以在170cm处点亮，距离越近灯越亮。也可以将不同的LED组合使用，但点亮距离会稍微减小。

图1实验原理框图

图2 发射装置接收装置

图3电磁场实验设备

图4垂直极化天线发射接收为绿色和红色LED灯

图5垂直极化天线发射接收为兰色和黄色LED灯

图6垂直极化天线发射接收为黄色和红色LED灯

图7垂直极化天线发射接收为粉红色和绿色LED灯

接不同颜色LED灯点亮最远距离

天线形式八木天线	距离cm
天线形式八木天线	水平极化	垂直极化	45度极化
红色
黄色
橙色
白色
粉红色
兰色
绿色

四、实验报告要求
1、按照标准实验报告格式要求和内容完成实验报告；将数据填入表中并绘图。
2、完成数据整理，分析电磁波的极化形式；对实验中的现象分析讨论。
3、讨论不同颜色LED灯点亮最远距离。
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，检查射频电缆接头与仪器的SMA型接头是否连接牢固，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。
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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