微波分光仪实验文分析解析.docx
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微波分光仪实验文分析解析
微波分光仪
摘要：
微波和光都是电磁波，都具有波动这一共性。
能产生反射、折射、绕射、干涉、偏振以及能量传递等现象。
微波分光仪正是充分利用了微波的这一通性，模仿光学实验的基本方法，开展了几个极有意义的实验，以加深对微波及微波系统的理解。
关键词：
微波电磁波波动实验微波系统
作者：
学号：
单位：
1、前言
随着现代通信技术的迅猛发展，了解电磁波传播特性、现代射频电路及其器件的设计方法已经成为电子工程和通信工程领域的一个重要环节。
微波在科学研究、工程技术、交通管理、医疗诊断、国防工业的国民经济的各个方面都有十分广泛的应用。
研究微波，了解它的特性具有十分重要的意义。
2、实验目的
1.了解微波光学系统和微波的特性（反射、折射、偏振、干涉），学习微波器件的使用。
2.了解迈克尔逊干涉仪、法布里-贝罗干涉仪等工作原理，计算微波波长。
三、实验原理简介
1.系统初步认识
2.反射实验
电磁波在传播过程中如果遇到反射板,必定要发生反射。
本实验室以一块金属板作为反射板,来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上时所遵循的反射规律。
3.驻波测量波长实验
微波喇叭既能接收微波，同时它也会反射微波，因此发射器发射的微波在发射喇叭和接收喇叭之间来回反射，振幅逐渐减小。
当发射源距接收检波点之间的距离等于nλ/2时（n为整数，λ为波长），经多次反射的微波与最初发射的波同相，此时信号振幅最大，电流表读数最大。
，（
表示发射器不动时接收器移动的距离，N为出现接收到信号幅度最大值的次数）
3.棱镜折射实验
通常电磁波在某种均匀媒质中是以匀速直线传播的，在不同媒质中由于媒质的密度不同，其传播的速度也不同，速度与密度成反比。
所以，当它通过两种媒质的分界面时，传播方向就会改变，如下图所示，这称为波的折射。
它遵循折射定律（或称为斯涅耳定律）
4.偏振实验
本信号源输出的电磁波经喇叭后电场矢量方向是与喇叭的宽边垂直的，相应磁场矢量是与喇叭的宽边平行的，垂直极化。
而接收器由于其物理特性，它也只能收到与接收喇叭口宽边相垂直的电场矢量，（对平行的电场矢量有很强的抑制，认为它接收为零）。
所以当两喇叭的朝向（宽边）相差θ度时，它只能接收一部份信号A=A0cosθ（A0为两喇叭一致时收到的电流表读数）。
6双缝干涉实验
两束传播方向不一致的波相遇将在空间相互叠加，形成类似驻波的波谱，在空间某些点上形成极大值或极小值。
而电磁波通过两狭缝后，就相当于两个波源在向四周发射，对接收器来说就等于是两束传播方向不一致的波相遇。
双缝屏外波束的强度随探测角度的变化而变化。
若两狭缝之间的距离为d，接收器距离双缝屏的距离大于10d，当探测角θ满足dsinθ=nλ时会出现最大值（其中λ为入射波的波长，n为整数），如图。
7.劳埃德镜实验
从发射器发出的微波一路直接到达接收器，另一路经反射镜反射后再到达接收器。
由于两列波的波程及方向不一样，它们必然发生干涉。
在交汇点，若两列波同相，将测到极大值。
若反相将测到几极小值。
其原理可用如图表示。
发射器和接收器距离转盘中心的距离应相等，反射板从位置1移到位置2的过程中，电流表出现了n个极小值后再次达到极大值。
由光程差根据图可以得到计算波长公式如下：
8.法布里-贝罗干涉仪实验
当电磁波入射到部份反射镜（透射板）表面时，入射波将被分割为反射波和入射波。
法布里-贝罗干涉仪在发射波源和接收探测器之间放置了两面相互平行并与轴线垂直的部份反射镜。
发射器发出的电磁波有部份将在两透射板之间来回反射，同时有一部份波透射出去被探测器接收。
若两块透射板之间的距离为nλ/2，则所有入射到探测器的波都是同相位的，收器接探测到的信号最大。
若两块透射板之间的距离不为nλ/2，则产生相消干涉，信号不为最大。
因此，可以通过改变两面透射板之间的距离来计算微波波长，计算公式为：
上式中的
表示两面透射板改变的距离，N为出现接收到信号幅度最大值的次数。
9.迈克尔逊干涉仪实验
如图示，在微波前进方向上放置一个与传播方向成45度角的半透射半反射的分束板和A、B两块反射板，分束板将入射波分成两列，分别沿A、B方向传播。
由于A、B板的反射作用，两列波又经分束板会合并发生干涉。
接收喇叭可给出干涉信号的强度指示。
如果A板固定，B板可前后移动，当B移动过程中喇叭接收信号从一次极小变到另一次极小时，B移动过的距离为
/2，因此，测量B移动过的距离就可求出微波的波长。
计算公式为：
10.布儒斯特角实验
电磁波从一种媒质进入另一种媒质时，在媒质的表面通常有一部份波被反射。
在本实验中将看到反射信号的强度和电磁波的偏振有关。
实际上在某一入射角（即布儒斯特角）时，有一个角度的偏振波其反射率为零。
4、实验步骤简述：
1.系统初步认识
1.1将发射器和接收器安置在带有角度计的中心平台上，发射器和接收器的喇叭口相对，宽边与地面平行，如图。
1.2调节距离、衰减器和电流表上的档位开关，使接收器上的电流表的指示在1/2量程左右（约50uA）。
1.3沿着可动臂缓慢移动接收器，记录电流表上的数值。
1.4松开接收器上面的手动螺栓，慢慢转动接收器，同时观察电流表上读数的变化。
2.反射实验
2.1将发射器安置在2号钢尺上，接收器安置在1号钢尺上，喇叭朝向一致（宽边水平）。
发射器和接收器距离中心平台约35cm。
打开信号源开始实验。
2.2固定入射角于45度。
2.3转动装有接收器的可转动臂，使电流表读数最大，记录此时的反射角于表1中。
2.4当入射角分别为20°，30°，40°，50°，60°，70°时测量对应的反射角，记录于表1中。
比较入射角和反射角之间的关系。
3.驻波测量波长实验
3.1布置实验仪器，要求发射器和接收器处于同一轴线上，喇叭口正对。
接通信号源，调整发射器和接收器距离中心平台的位置（约20cm即可），再调节发射器衰减器和电流表档位开关，使电流表的显示电流值适中（3/4量程左右）。
3.2将接收器沿钢尺缓慢滑动远离发射器（发射器和接收器处于同一轴线上），观察电流表的显示变化。
3.3当电流表在某一位置出现极大值时，记下接收器所处位置刻度X1，然后缓慢将接收器沿远离发射器方向缓慢滑动，当电流表读数出现N（至少十）个极小值后再次出现极大值时，记下接收器所处位置刻度X2，将记录的数据填入表中。
3.4计算微波的波长，并与实际值比较。
4.棱镜的折射
4.1如图布置实验仪器。
接通信号源，调节衰减器和电流表档位开关，使电流表的显示电流值适中（约1/2量程）。
4.2绕中心平台的中心轴缓慢转动接收器，记下电流表读数最大时钢尺1转过的角度。
4.3设空气的折射率为1，根据折射定律，计算聚乙烯板的折射率。
4.4转动棱镜，改变入射角，重复前3步实验。
5.偏振实验
5.1如图布置实验仪器。
接通信号源，调节衰减器使电流表的显示电流值满刻度。
5.2松开接收器上的喇叭止动旋扭，以10度增量旋转接收器，记录下每个位置电流表上的读数于表中。
5.3两喇叭之间放置偏振板，偏振板的偏振方向与水平方向分别为0°，45°，90°时，重复步骤2。
6.双缝干涉实验
6.1如图6.2布置实验仪器。
接通信号源，调节衰减器和电流表档位开关，使电流表的显示电流值最大。
光缝夹持条上安装50mm光缝屏及两块反射板组成双缝。
尽可能让两狭缝平行，对称。
狭缝的宽度为15mm（可根据狭缝添加臂上的刻度安装），接收器到中心平台距离大于650mm。
6.2使发射器和接收器都处于垂直偏振（喇叭宽边平行地面），调节相互距离及衰减器，使电流表满刻度。
6.3缓慢转动可动臂，观察电流表的变化。
记录下电流表各极大值和极小值时的角度和对应电流于表4中。
并根据表4中数据，绘制接收电流随转角变化的曲线图，分析实验结果。
7.劳埃德镜
7.1如图7.2布置实验仪器。
接通信号源，调节衰减器和电流表档位开关，使电流表的显示电流值适中（3/4量程左右）。
要求：
发射器和接收器处于同一直线上，且到中心平台的距离相等（均为500mm左右）。
7.2反射板夹持在移动支架上，并安置在3号钢尺上。
反射板面平行于两喇叭的轴线。
7.3在3号钢尺上缓慢移动反射板，观察并记录电流表的读数及移动的距离。
7.4改变发射器和接收器之间的距离，重复步骤2，3。
8.法布里—贝罗干涉仪
8.1如图8.1布置实验仪器。
接通信号源，调节衰减器和电流表档位开关，使电流表的显示电流值适中（3/4量程左右）。
8.2调节两透射板之间的距离，观察相对最大值和最小值。
8.3调节两透射板之间的距离，使接收到的信号最强（电流表读数在不超过满量程的条件下达到最大），记下两透射板之间的距离d1。
8.4使一面透射板向远离另一面透射板的方向移动，直到电流表读数出现至少十个最小值并再次出现最大值时，记下经过最小值的次数N及两透射板之间的距离d2。
8.5根据上面公式，计算微波的波长λ。
8.6改变两透射板之间的距离，重复以上步骤，记入表中。
9.迈克尔逊干涉仪
9.1布置实验仪器。
接通信号源，调节衰减器使电流表的显示电流值适中。
9.2移动反射板A，观察电流表读数变化，当电流表上数值最大时，记下反射板A所处位置刻度X1。
9.3向外（或内）缓慢移动A，注意观察电流表读数变化，当电流表读数出现至少10个最小值并再次出现最大值时停止，记录这时反射板A所处位置刻度X2，并记下经过的最小值次数N。
9.4根据上面公式，计算微波的波长。
9.5A不动，操作B，重复以上步，记录数据于表中。
10.布儒斯特角实验
10.1如图布置实验仪器。
接通信号源，使发射器和接收器都水平偏振（两喇叭的宽边水平）。
调节衰减器和电流表档位开关，使电流表的显示电流值适中（3/4量程左右）。
10.2调节透射板，使微波入射角为70度，转动1号钢尺，使接收器反射角等于入射角。
再调整衰减器，使电流表的显示电流值约为1/2量程。
10.3松开喇叭止动旋钮，旋转发射器和接收器的喇叭，使它们垂直偏振（两喇叭的窄边水平），记下电流表的读数于表7中。
10.4根据表7设置入射角，重复步骤2和3，测试并记录（表格中设置的角度可能没有布儒斯特角，需要实验者在实验中根据测试数据，自行寻找）。
观察表格数据，在垂直偏振方向上，找出布儒斯特角。
5、原始数据、数据处理及误差计算：
1.系统初步认识试验数据
L/mm
28.5
33.5
38.5
40
43.5
45
50
55
60
65
70
电流表/uA
100
80
55
60
50
42.5
35
30
25
20
15
角度
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
读/uA
50
47.5
40
26
15
9
5
2
0
0
从上表可以看出，接收器和发射器间距越大，电流表读数越小；角度越大，电流表读数也越小。
2.反射实验数据
入射角度
反射角度
误差度数
误差百分比%
20°
18°
2°
10
30°
33°
3°
10
40°
37°
3°
7.5
45°
45°
0°
0
50°
54°
4°
8
60°
63°
3°
5
70°
74°
4°
5.7
从上面的实验数据看出，微波的入射角和反射角在误差允许的范围内可认为是相等的，少数的偏差可能是由于微波易受外界干扰所致。
因而可以认为，微波也是符合反射定律的。
3.驻波测量波长实验数据
测量次数
X1（d1）
X2（d2）
N
和实际值的相对误差
1
22.2
36.5
14.3
10
2.86
2.884
0.03941
2
19.4
33.7
14.3
10
2.86
3
21
42.5
21.5
15
2.87
4
28
45.3
17.3
12
2.88
5
25
45.7
20.7
14
2.95
4.棱镜的折射
入射角
30°
30°
60°
折射角
50°
43°
78.5°
折射率
1.532
1.364
1.1315
折射率平均值
1.342
4.偏振实验数据
偏振板角度
接收器转角
未加偏振板
0°
45°
90°
0°
100
52
10
2.5
10°
95
50
8
2.6
20°
76
50
5
2.5
30°
55
47
1.5
2
40°
57
42
1
1
50°
21
35
3.5
0
60°
10
24
6
0
70°
5
13
10
0
80°
1
5
14
0
90°
0
0
15
0
6.双缝干涉试验数据
接收器转角
电流值（×0.02uA）
接收器转角
电流值（×0.02uA）
接收器转角
电流值（×0.02uA）
-50
5
-5
40
40
7.5
-45
2
0
95
45
7
-40
4
5
20
50
7
-35
18
10
1
-30
35
15
10
-25
20
20
21
-20
17.5
25
25
-15
7.5
30
26
-10
10
35
17.5
图中所代表的双缝干涉曲线中出现3个光强极大值。
n=-1、0、1时对应最大。
分析图像发现，峰值左右不对称，n=-1对应峰值右侧有一个小的平台，与理论曲线略有偏差。
其原因是双缝干涉板与发射喇叭的中心线没有完全垂直，从而导致极大值的强度分布产生偏移。
n=-1、0、1分别对应的干涉极大值为-30°、0°、30°.而根据公式dsinθ=nλ,其中d=65mm
求得λ=3.25mm，误差百分比14.25%。
误差原因可能是数据太少不够精确。
7.劳埃德镜实验
8.法布里—贝罗干涉仪实验数据
测量次数
d1
d2
N
测量值
和实际值的相对误差
1
48
63
15
10
3
2.964
0.11941
2
38.2
54.8
16.6
10
3.32
3
47.4
62.2
14.8
10
2.96
4
41.2
57.2
16
10
3.2
5
49.3
61
11.7
10
2.34
9.迈克尔逊干涉仪实验试验数据
测量次数
X1
X2
N
测量值
和实际值的相对误差
1
36.8
22.5
14.3
10
2.86
2.896
0.05141
2
55.7
33.8
21.9
15
2.92
3
36.3
22
14.3
10
2.86
4
46.1
28
18.1
12
3.02
5
40.1
26
14.1
10
2.82
10.布儒斯特角实验试验数据
入射角度
电流计读数uA（水平偏振）
电流计读数uA（垂直偏振）
75°
46
0.4
74°
47
0.1
73°
47
0
72°
48
0.2
70°
50
0.6
65°
55
0.4
60°
46
0.5
55°
39
2
50°
35
5
45°
30
8
40°
28
9
35°
25
10
30°
20
15
由表可知，该装置的布儒斯特角为73°
六、实验讨论
1）实验器材优点：
利用微波模拟电磁波的一系列光学实验，由于微波波长远大于光波波长，因而实验所用的器材也可以做的很大，从而能使实验现象更为直观，而且环境不必很暗，这些都是微波光学实验的优点。
缺点：
1.过度的简化导致模拟的失真。
2.实验的精确性难以控制。
3.微波的波长较长，这是选它做本实验的重要原因，但这也同时是其一大不足。
当微波发出时，其定向性不是很好，衍射较大，所以实验室内杂波以及仪器发射波可能有部分直接进入接收端，未经反射。
而另一方面，这些波相互干涉，对接收也造成了一定干扰，比如，在没有微波时，接收端就有信号，或者接收端接收到的信号相当不稳定，导致无法准确读数，从而影响对极大值点与极小值点的判断。
4.正是由于本实验的简单、直观和便于观察，使其精度不高。
2）实验中发现有两个因素可能导致结果出现误差：
1.是干扰因素，微波本身很容易受到干扰，其次，实验仪器的开放程度很大，实验人员很容易在操作过程中遮挡了微波传播的路径而造成结果不准确。
2.是仪器设计上的缺陷，仪器中，玻璃片、金属板都是手动通过螺栓固定到底座上的，虽然底座上有刻度可以对准小分度盘，但是不能保证底座上的金属板的反射面法线和这个刻度垂直或平行，只能凭肉眼对正，则一定会留下误差。
希望这一点能够在仪器上得以改进，比如采用在固定部位加工出定位销，得以锁定位置。
七、引用
［期刊］【1】张维基于迈克尔逊干涉仪的SPR传感器的研究传感技术学报，2010，23（5）
Microwavediffractioninstrument
Abstract：
Microwaveandlightarebothelectromagneticwave,theybothcontainthefeatureofwaving,.whichcanproducethephenomenonsuchasreflection、refingency、diffract、interference、polarizationandenergytransfer.Themicrowavediffractioninstrumentjustmakesuseofthiscommengender,imitatingthebasicalwayoftheopticalexperienment.Throughsomemeanningfuexperienments,deepentheunderstandingofmicrowaveandmicrowavesystem.
Keywords:
microwaveelectromagneticwavewaveexperienmentmicrowavesystem
Writer:
zhangwenyan
Numbers:
20152111039
Department:
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