|
实验 2.4.2 分米波实验
分米波属无线电波，同光波、 x 射线、 射线一样均为电磁波，该波动由电场和磁场交替组成，以光速向空间传播。其中电场强度矢量和磁场强度矢量都与传播方向矢量垂直，三者构成右手螺旋系；
波长  、频率  和传播速度  间的关系为:
 ,在真空中电波的传播速度约等于 3  米 / 秒，而在其他介质中，电波的传播速度依赖于介质的电磁特性。
实验原理
1.超高频发射器
该发射器产生频率固定的UHF波段的电波，并由折合振子天线向空间发射。折合振子相当于两个半波振子并联，其水平面的辐射特性方向性图与半波振子完全相同。与半波振子相比，折合振子的优点在于其输入阻抗大，易于匹配。
2.
电磁波的接收
当接收天线位于外来电磁波的场中时，只有沿天线导体表面的切线方向存在的电场分量才能在天线上激励起电流，而与天线导体表面垂直的电场分量，不能在天线上激起电流。由此可用与发射天线同样长度的直导体作为接收天线
对辐射波进行检测。当其与发射天线平行时，电磁波中变化的电场即会在导体中感生出变化的电流，并点亮相连的灯泡；还可将接收到的信号经过高频整流后输入测量装置检测其强度。
3.分米波的辐射和偏振特性
偶极天线辐射的典型特性是辐射强度的角度分布和偏振性。其辐射强度沿天线轴线方向为零，垂直轴线处为最大；另外该电磁波为线偏振，电场沿天线轴线方向振荡（详见实验2.4.1）。将接收天线放置在不同的方位即可验证其辐射和方向特性。
4.分米波在水中的传播
电磁波在绝缘介质中仍能够传播，但其相位速度
c = λ ? υ （λ：波长 ， υ：频率 ）
低于真空中的（ε = 1），可表示为介电常数的函数
C ( ε ) = （C0:光在真空中的传播速度）
因为水分子具有永久性偶极矩，其介电常数较高。在水里时电磁波的波长与空气中的相比，会短许多。这个“收缩系数”为：
 =  （λ1：水中的波长 ；λ2：空气中的波长）
两个偶极天线的长度是专为实验设计的，电磁波会因相对的传播介质不同而在其中的一个天线上产生共振吸收。由此可估算出水及空气中的电磁波长。
5.音频信号的传输
以无线通讯的方式进行音频信号的传输时，必须将信号加载到合适的电波（载波）上，即调制，信号才能以电波的形式在空中传播。调制分调幅、调频和调相三种，其中调幅是使载波的振幅与调制信号振幅成比例的变化的方法，简称AM。
利用超高频发射器可以建立一个音频信号的传输线路。将其发出的分米波作为传输信号的载波，其数学形式为：
用频率为100Hz到10KHz的音频信号（u(t)）调制载波后，得到调幅波，形式如下:
 ：调制深度，由信号振幅和载波振幅决定。
经过调制的分米波由发射天线向空间发射，并最终由接收天线接收。此时接收的信号必须通过解调电路，将原信号从接收到的调制波中抽取出来，才能听到。接收用的偶极天线带有高频整流器，能够滤掉电波中的高频部分，而只让低频的音频信号通过，即起到解调的作用。
6.波沿管线的传播
1890年，E.Lecher用两个环形截面的平行导线来研究电磁波的传播。当高频的电磁场被输送到该形式的兰锲管时，沿导线的X方向将输送一个如下形式的电压波：
 其频率和波长与发射场保持一致
公式（2）（3）表明电压波的节点正好是电流波的波腹，电压波的波腹是电流波的节点。
电压波节点的位置是 即距管线末端的距离是 λ/2 的整数倍。
2）兰锲管终端开路
当管线终端开路时，情况发生了改变。在末端电压值是恒定的，输入的电压波反射时不发生相移；而电流在开路端为零，输入的电流波反射时有180的相移。故产生的驻波用公式表述为：
这两个公式可由公式（2）（3）将U和I互换得到。
3）兰锲管末端接特性波阻抗
一旦管线的末端接上等于管线特性波阻抗的电阻时，驻波将不会产生，在这种情况下，输入的电压和电流都不会在终端处产生反射波。
4）电压驻波的检测装置为带灯泡的可沿管线滑动的探针。当移到电压波腹时，两导电杆间的电压达到最大，此时灯泡明亮。
电流驻波的检测装置是一个与灯泡相连的感应圈。在电流的波腹处，因为管线间的磁场变化速度最快而使灯泡最亮。
实验内容
1.分米波的偏振特性和方向
以发射天线为x轴，接收天线分别放置在y轴、z轴(发射天线的上端)，x轴（发射天线的轴端）；接收天线接有灯泡，可观察到灯的亮度变化；带二极管，则可通过绞线与伏特计相连，测出感应电压的数值。
|
依据偶极天线辐射的方向特性，接收天线平行与发射天线时，电磁波的电场分量才会在接收天线上产生感生电压。两个天线互相垂直时，感生电压为零
2.分米波的幅度调制
将折合振子作为反射天线，接收天线为带有二极管的偶极天线。两天线间隔一定距离并保持平行。用连接电缆将高频发射器的调制输入与波形发生器P的输出相连。交/直流放大器的输入与接收天线相连，输出用绞线与宽带扬声器相接。分别改变波形发生器的频率和。超高频发射器与接收天线间的距离，记录下对扬声器发出的声音的影响。 |
3．分米波在水中的传播
利用可改变长度的偶极天线，利用分米波来证明这个收缩现象。可以观察到水中和空气中的偶极天线对分米波的吸收，天线的中部装有一个高于水面的白炽灯泡，当有一个适当波长的分米波出现时，会因共振吸收而变亮。共振吸收的条件是： .实验中只有使用蒸馏或去除矿物质的水时才能取得满意的结果。超高频发射器的工作模式设为CW，发射天线与接收天线要保持平行。
4.分米波沿管线的传播
将超高频发射器的工作模式设为CW，兰锲管插入超高频发射器的天线输出插座中，调整发射器和管线的高度使管线保持水平。
让管线末端分别处在开路、短路（跨接短路器）、接匹配电阻三种状况时，用感应圈检测电流的节点，带灯泡的底座检测电压的节点。用钢卷尺以发射器的输出为起点测量并记录电流和电压节点的位置s 。
思考题
1.分米波沿管线传播时，有电磁能量辐射到周围空间吗？
2.估算水的介电常数时，误差产生的原因。
3.实验中使用的天线带有具体尺寸，对测量会产生什么影响。
附：
参考资料
[1]电磁波传播 作者： 高建平 张芝贤编 出版日期：2002年03月第1版 页数：413
[2] 电磁波与辐射系统 作者： E.C.约克 出版日期：1959年06月第1版 页数：651
|
的波从左端输入，
在x=0的跨接线处产生反射波：
两波干涉 ，从而形成驻波：：
