【電子科技大學】電磁波綜合教學實驗儀

　　【電磁波綜合教學實驗儀】

　　功能、作用介紹

　　簡介

　　「電磁場與電磁波」高等學校電子信息類專業的重要基礎課，是一門理論性強，概念抽象，難教難學的課程。電磁波綜合教學實驗儀是針對該課程的實驗教學而研製開發的。在多年開設電磁場與電磁波實驗的教學經驗，電子科技大學以「眼見為實」的設計理念，創新開發出了這種電磁波綜合教學實驗儀，在近年本科生「電磁場理論」「電磁場與電磁波」的教學中應用，顯著提升了課程教學效果。

　　1 實驗儀工作原理

　　在實際應用中，電磁波的收發均離不開天線。天線是一個能量轉換器，發射時把高頻電流形式的能量轉變為同頻的電磁波能量，接收時把空間電磁波的能量轉變為天線上的高頻電流能量。

　　用功率信號發生器作為發射信號源，通過一副天線發射產生電磁波，向周圍空間傳播。

　　如果將另一副天線置於場中，其金屬體上就會感生高頻電流。接收與發射天線的收發距離越近，電場強度越強，同時接收天線饋電點間的感應電動勢(接收電壓)也就越大。

　　將小功率的白熾燈泡接入天線饋電點，能量足夠時就可使白熾燈發光，燈泡的亮度可以表示接收位置的電場強度。

　　2 實驗儀的組成

　　2.1 實驗儀的基本構成

　　該電磁波綜合教學實驗儀由發射裝置、接收裝置、實驗輔助裝置構成。發射裝置由信號發生器和發射天線構成。為使電磁波按規定方向輻射和傳播，使用指向性強的定向發射天線。接收裝置由前文所述原理的可視化電磁波感應器構成。在實驗中，該裝置由學生利用課堂學習到的知識自行設計並製作。由於按知識理解和掌握程度的不同，學生會設計製作出感應能力不同的電磁波接收裝置，因此學生可通過該實驗設計，充分調動其研究性學習的能力和自主學習的積極性。輔助裝置包括支架平臺、旋轉機構、反射折射機構、多種強度指示裝置等。根據實驗項目內容和目的設計需要，輔助裝置可靈活進行多種組合配置，以使實驗項目的設計具有擴展性。

　　2.2 感應接收裝置設計

　　由裝有白熾燈的小電路板和接收天線構成。製作天線的材料為Φ1mm的銅絲，便於彎曲和固定成形。其中電路板的尺寸為8mm×20mm。電路板的兩端鍍錫並各開一個Φ3mm的孔，並將小白熾燈焊接在兩孔之間。同時，將一段計算好長度的銅絲一頭彎曲成半環狀，並用螺釘緊固於電路板一端開孔的位置。伸出來的銅絲用手彎曲成需要的形狀，形成接收天線，電路板另一端也用相同方法製作。

　　3 實驗儀的功能介紹

　　3.1 電磁波感應器的設計與製作實驗

　　實驗中，以線圈、環狀銅絲作為接收器，在近場作用時，可理解為電磁感應現象，穿過線圈的變化磁場，在線圈中感應出變化電流，使燈泡發光。

　　3.2 電磁波傳播特性實驗

　　在實驗支架上水平移動電磁波感應接收裝置，可以觀察和測量電磁波的傳播規律。如果在傳播方向上設置金屬反射板，則可以觀察到幹涉現象。設計一個可旋轉支臂，將感應接收裝置置於旋轉臂末端，可以觀察和測量折射波和透射波。幹涉所產生的駐波，在空間形成波幅和波節，據此可測量出電磁波的波長。

　　3.3 電磁波的極化實驗

　　電磁波的極化是電磁理論和實際應用中的一個重要概念，也是「電磁場與波」教學中的重點和難點。電子科技大學近年來實驗教學實踐表明，讓學生自己動手開展電磁波的極化類實驗，是解決這個教學難點的有效途徑。為開展該項實驗，可利用前述實驗設計中的輔助裝置，改變收發天線間的極化匹配程度，並使用學生自製的接收裝置來觀察接收到的電磁波強度變化情況，進而測量出電磁波的極化狀態(線極化、圓極化、橢圓極化)、軸比等，從而可有效幫助學生認識和掌握電磁波的極化特性。

　　3.4 天線類實驗

　　利用實驗設計中的輔助裝置，將接收天線固定在方位面可360o旋轉並帶有刻度的實驗支架上，可進行天線的輻射特性測量實驗，如天線的主瓣寬度、副瓣電平、方向圖等基本參數。

　　電磁波綜合教學實驗儀的功能和作用廣泛，實驗教師可以根據教學要求和學生實際情況設計實驗內容。例如在電磁波感應器的設計與製作實驗中，鼓勵學生根據課堂所學知識開展個性化感應接收天線的設計，並藉助簡單的材料，如銅片、銅絲等，自己動手完成感應器天線的製作。不同的天線設計會產生天線增益、極化、主瓣方向等的差異，並表現出不同的接收效果，因此，通過該實踐性實驗，可達到激發學生自主學習積極性、培養學生知識應用能力和研究性學習能力的目的。

　　作品名稱：電磁波綜合教學實驗儀

　　完成單位：電子科技大學