一种电磁场与电磁波的实验装置及实验方法

本发明涉及实验教学仪器技术领域，特别是涉及一种电磁场与电磁波的实验装置及实验方法。

背景技术：

大多数高校开设的电磁场与电磁波实验课程，基本沿用了中国专利文献cn201594344u于2010年9月29日公开的电磁波教学综合实验平台装置的类似实验装置，虽然电子科技大学学位论文于2012年5月公开的电磁场与电磁波实验教学智能平台研发对同类实验平台装置进行了进一步改进和完善，但并没有做出本质性的改变。同类实验平台装置普遍存在产生电磁辐射较强的情况，在缺少防护设施的条件下，对参与实验课程的学生身体无疑存在较大的伤害。图1是现有电磁场与电磁波实验教学装置的结构示意图，该实验教学装置周围的电磁辐射实际测试结果为：当微波信号频率为3ghz、发射功率为30dbm时，m点的平均电场强度为38v/m，平均磁感应强度为0.32μt，p点的平均电场强度为36v/m，平均磁感应强度为0.65μt，与此同时，可以还看到随着测试距离的增加，平均电场强度和平均磁感应强度并没有减弱的趋势，实验教学装置周围的电磁辐射会对做实验的师生的身体有一定的影响，如何减少电磁场与电磁波的实验装置周围的电磁辐射成为一个亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电磁场与电磁波的实验装置及实验方法，以减少电磁场与电磁波的实验装置周围的电磁辐射。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种电磁场与电磁波的实验装置，所述实验装置包括抛物面反射器、微波馈源及带有微波吸收材料的测试标尺；

所述微波馈源设置在所述抛物面反射器的焦点位置；所述微波馈源用于向所述抛物面反射器发射微波信号；

所述测试标尺设置在所述抛物面反射器的反射方向上，所述测试标尺用于吸收所述抛物面反射器反射的微波信号。

可选的，所述实验装置还包括两个反射面和光源；

两个所述反射面分别竖直设置在所述抛物面反射器的内壁边缘与内壁边缘的水平方向直径的两个交点位置；

所述光源设置在所述抛物面反射器的焦点位置，所述光源用于向两个所述反射面发射光信号；

两个所述反射面反射的光信号照射到所述测试标尺上；实验时，通过调整所述测试标尺的位置使两个所述反射面反射的光信号照射到所述测试标尺上的两个校准区域。

可选的，两个所述校准区域的中心距离为d+l×tanα，其中，d为抛物面反射器的口径，l为抛物面反射器口径边缘与测试标尺的距离，α为抛物面反射器在反射信号时的1/2主瓣宽度。

可选的，所述实验装置还包括：滑动双导轨、接收天线和反射板；

所述接收天线、所述反射板均可滑动的设置在所述滑动双导轨上。

可选的，所述滑动双导轨上设置有长度测量标尺。

可选的，所述实验装置还包括微波信号源，所述微波信号源与所述微波馈源连接。

可选的，所述测试标尺上设置有微波吸收材料的区域为吸收区域，所述吸收区域至少覆盖抛物面反射器反射的微波信号到达所述测试标尺时的传播范围，所述传播范围为直径为d+2l×tanα的圆形区域；其中，d为抛物面反射器的口径，l为抛物面反射器口径边缘与测试标尺的距离，α为抛物面反射器在反射信号时的1/2主瓣宽度。

可选的，抛物面反射器在反射信号时的1/2主瓣宽度为11.5°。

一种应用电磁场与电磁波的实验装置的实验方法，所述实验方法包括如下步骤：

打开所述实验装置的光源，调整所述实验装置的测试标尺和/或抛物面反射器的位置，直到所述抛物面反射器的口径的中心位置、接收天线的中心位置和测试标尺的中心位置在同一轴线上，且实验装置的两个反射面反射的光信号照射到所述测试标尺上的两个校准区域，关闭所述光源；

将实验装置的微波馈源设置在光源的位置，打开所述微波馈源；

调整所述实验装置的接收天线的位置，以确定所述实验装置的抛物面反射器反射的微波信号的波峰和波谷；

调整所述实验装置的反射板的位置，进行微波反射、微波干涉和微波衰减实验。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种电磁场与电磁波的实验装置，所述实验装置包括抛物面反射器、微波馈源及带有微波吸收材料的测试标尺；所述微波馈源设置在所述抛物面反射器的焦点位置；所述微波馈源用于向所述抛物面反射器发射微波信号；所述测试标尺设置在所述抛物面反射器的反射方向上，所述测试标尺用于吸收所述抛物面反射器反射的微波信号，采用抛物面反射器使微波信号沿着特定方向传输，采用测试标尺对微波信号进行吸收，减少了电磁场与电磁波的实验装置周围的电磁辐射。

本发明还设置了反射面和光源，用于进行馈源、抛物面反射器和测试标尺的相对位置的调整，实现测试标尺对抛物面反射器反射的微波信号的有效吸收。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的电磁场与电磁波的实验装置的结构示意图；

图2为本发明提供的电磁场与电磁波的实验装置的结构示意图；

图3为本发明提供的电磁场与电磁波的实验装置的光信号传播示意图；

图4为本发明提供的电磁场与电磁波实验装置的微波信号传播示意图；

图5为本发明提供的测试标尺结构示意图；

图6为本发明提供的电磁场与电磁波的实验方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电磁场与电磁波的实验装置及实验方法，以减少电磁场与电磁波的实验装置周围的电磁辐射。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，本发明提供一种电磁场与电磁波的实验装置，所述实验装置包括抛物面反射器1、微波馈源3-1及带有微波吸收材料的测试标尺7；所述微波馈源3-1设置在所述抛物面反射器1的焦点位置；所述微波馈源3-1用于向所述抛物面反射器发射微波信号；所述测试标尺7设置在所述抛物面反射器1的反射方向上，所述测试标尺7用于吸收所述抛物面反射器1反射的微波信号。

如图3所示，本发明电磁场与电磁波实验装置的光信号传播示意图，抛物面反射器1反射微波信号，反射面2反射光信号，复合馈源3包括光源3-2和微波馈源3-1，能产生光信号和发射微波信号。为了了解微波信号的传播范围，借助观测光信号的传播路径来参考微波信号的传播范围。反射面2设置在抛物面反射器1内壁边缘水平方向最大直径处，左右对称各设置一个。光信号分别照射到反射面2，发生反射，形成两组平行光线，平行光线在测试标尺产生光斑。具体的，反射面2使用面积小于0.5cm×0.5cm的平面镜实现或反光膜实现。复合馈源3包含一个光源3-2和一个微波馈源3-1，该光源3-2使用照明用led实现。所述光源和所述微波馈源组成的复合馈源通过支架设置在抛物面反射器的焦点位置。

具体的，为了方便抛物面反射器1和测试标尺7之间的相对位置的确定，所述实验装置还包括两个反射面2和光源3-2两个所述反射面2分别设置在所述抛物面反射器1的内壁边缘与内壁边缘的水平方向直径的两个交点位置；所述光源3-2设置在所述抛物面反射器1的焦点位置，所述光源用于向两个所述反射面发射光信号；两个所述反射面2反射的光信号照射到所述测试标尺上；实验时，通过调整所述测试标尺7的位置使两个所述反射面2反射的光信号照射到所述测试标尺7上的两个校准区域，图5中的p和q。

两个所述校准区域的中心距离为d+l×tanα，其中，d为抛物面反射器的口径，l为抛物面反射器口径边缘与测试标尺的距离，本发明的抛物面反射器口径边缘与测试标尺的距离是指抛物面反射器口径边缘与测试标尺的有效距离，α为抛物面反射器在反射信号时的1/2主瓣宽度，此时两个所述校准区域为直径为l×tanα的圆形区域。

如图4所示，本发明电磁场与电磁波实验装置的微波信号传播示意图，是以滑动双导轨6为中心的俯视图。滑动双导轨6的中心线为e，微波信号向a和b所在方向传播，抛物面反射器1的最大口径为d，抛物面反射器1在反射信号时会产生一个主瓣宽度，其中1/2主瓣宽度为图4中的α，当发射频率为3ghz，抛物面天线口径d为0.3米时，主瓣宽度为23°，α为11.5°，tan(11.5°)＝0.2。当l为100cm时，则a和a′之间的距离为20cm，a和b之间的距离为70cm。

所述实验装置还包括：滑动双导轨6、接收天线4和反射板5；所述接收天线4、所述反射板5均可滑动的设置在所述滑动双导轨6上。所述滑动双导轨6上设置有长度测量标尺。接收天线4设置于滑动双导轨6上，可沿滑动双导轨6来回滑动，以便寻找最佳接收信号。反射板5设置于所述滑动双导轨6上，可沿滑动双导轨6来回滑动，以匹配微波信号强度。

所述测试标尺7上设置有微波吸收材料的区域为吸收区域，如图5所示的o区域，所述吸收区域至少覆盖抛物面反射器反射的微波信号到达所述测试标尺时的传播范围，所述传播范围为直径为d+2l×tanα的圆形区域；其中，d为抛物面反射器的口径，l为抛物面反射器口径边缘与测试标尺的距离，α为抛物面反射器在反射信号时的1/2主瓣宽度。作为一种优选的实施方式但是不限于该实施方式，抛物面反射器在反射信号时的1/2主瓣宽度为11.5°。

具体的，以滑动双导轨6的长度为100cm为例，传输100cm后，微波信号在测试标尺照射的最大范围为(d+40)cm，那么微波信号的传播范围就是一个以d为最小直径，以(d+40)cm为最大直径的圆台。

所述实验装置还包括微波信号源8，所述微波信号源与所述微波馈源8连接。

测试标尺7放置于抛物面反射器1对面距离100cm处，位于滑动双导轨6中心线延长线位置，通过光信号形成的两个光斑位置，确定微波信号照射范围，测试标尺7上设置微波吸收材料。微波信号源8产生实验所需的微波信号。

本发明电磁场与电磁波实验装置的测试标尺5结构示意图，如图5所示，测试标尺7中有o、p和q三个区域，o是微波信号照射范围，即抛物面反射器反射的微波信号到达所述测试标尺时的传播范围，直径为(d+40)cm，p和q是光信号经反射后在测试标尺7上形成光斑的校准区域，直径为20cm。理想状态下，两组光信号照射到测试标尺7形成的光斑，应该分别落入到p和q区域内，p和q区域就是校准区域，如果不能，则需要调整调节抛物面反射器或复合馈源位置。测试标尺7上设置微波吸收材料，微波吸收材料至少覆盖o区域，以便吸收照射到测试标尺7上的微波信号。吸收的目的在于防止微波信号的再次反射，造成不必要的电磁辐射和污染。

如图6所示，本发明还提供一种应用电磁场与电磁波的实验装置的实验方法，所述实验方法包括如下步骤：

s601，打开所述实验装置的光源，调整所述实验装置的测试标尺和/或抛物面反射器的位置，直到所述抛物面反射器的口径的中心位置、接收天线的中心位置和测试标尺的中心位置在同一轴线上，且实验装置的两个反射面反射的光信号照射到所述测试标尺上的两个校准区域，关闭所述光源。具体的，抛物面反射器内壁边缘水平方向设置两个反射面；调节抛物面反射器或复合馈源位置，确保复合馈源产生的光信号，经过反射面反射后照射到放置在正前方确定位置的测试标尺的校准区域内，完成实验前的调试准备工作。关闭光信号，复合馈源发射微波信号，微波信号经过抛物面反射器反射，沿着特定方向在特定范围内传播。微波信号照射到测试标尺，被设置在测试标尺上的微波吸收材料吸收。

s602，打开所述微波馈源。

s603，调整所述实验装置的接收天线的位置，以确定所述实验装置的抛物面反射器反射的微波信号的波峰和波谷。

s604，调整所述实验装置的反射板的位置，进行微波反射、微波干涉和微波衰减实验。

本发明除了可以进行上述实验外，还可以根据需要进行其他有关电磁场和电磁波的实验。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种电磁场与电磁波的实验装置，所述实验装置包括抛物面反射器、微波馈源及带有微波吸收材料的测试标尺；所述微波馈源设置在所述抛物面反射器的焦点位置；所述微波馈源用于向所述抛物面反射器发射微波信号；所述测试标尺设置在所述抛物面反射器的反射方向上，所述测试标尺用于吸收所述抛物面反射器反射的微波信号，采用抛物面反射器使微波信号沿着特定方向传输，采用测试标尺对微波信号进行吸收，减少了电磁场与电磁波的实验装置周围的电磁辐射。

本发明还设置了反射面和光源，用于进行馈源、抛物面反射器和测试标尺的相对位置的调整，实现测试标尺对抛物面反射器反射的微波信号的有效吸收。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。