【電磁波綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀】

　　功能/作用介紹

　　簡(jiǎn)介

　　“電磁場(chǎng)與電磁波”高等學(xué)校電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是一門(mén)理論性強(qiáng)，概念抽象，難教難學(xué)的課程。電磁波綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀是針對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)而研制開(kāi)發(fā)的。在多年開(kāi)設(shè)電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，電子科技大學(xué)以“眼見(jiàn)為實(shí)”的設(shè)計(jì)理念，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出了這種電磁波綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，在近年本科生“電磁場(chǎng)理論”“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)中應(yīng)用，顯著提升了課程教學(xué)效果。

　　1 實(shí)驗(yàn)儀工作原理

　　在實(shí)際應(yīng)用中，電磁波的收發(fā)均離不開(kāi)天線。天線是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，發(fā)射時(shí)把高頻電流形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橥l的電磁波能量，接收時(shí)把空間電磁波的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樘炀€上的高頻電流能量。

　　2 實(shí)驗(yàn)儀的組成

　　2.1 實(shí)驗(yàn)儀的基本構(gòu)成

　　該電磁波綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀由發(fā)射裝置、接收裝置、實(shí)驗(yàn)輔助裝置構(gòu)成。發(fā)射裝置由信號(hào)發(fā)生器和發(fā)射天線構(gòu)成。為使電磁波按規(guī)定方向輻射和傳播，使用指向性強(qiáng)的定向發(fā)射天線。接收裝置由前文所述原理的可視化電磁波感應(yīng)器構(gòu)成。在實(shí)驗(yàn)中，該裝置由學(xué)生利用課堂學(xué)習(xí)到的知識(shí)自行設(shè)計(jì)并制作。由于按知識(shí)理解和掌握程度的不同，學(xué)生會(huì)設(shè)計(jì)制作出感應(yīng)能力不同的電磁波接收裝置，因此學(xué)生可通過(guò)該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，充分調(diào)動(dòng)其研究性學(xué)習(xí)的能力和自主學(xué)習(xí)的積極性。輔助裝置包括支架平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、反射折射機(jī)構(gòu)、多種強(qiáng)度指示裝置等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和目的設(shè)計(jì)需要，輔助裝置可靈活進(jìn)行多種組合配置，以使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)具有擴(kuò)展性。

　　2.2 感應(yīng)接收裝置設(shè)計(jì)

　　制作天線的材料為Φ1mm的銅絲，便于彎曲和固定成形。其中電路板的尺寸為8mm×20mm。電路板的兩端鍍錫并各開(kāi)一個(gè)Φ3mm的孔，并將小白熾燈焊接在兩孔之間。同時(shí)，將一段計(jì)算好長(zhǎng)度的銅絲一頭彎曲成半環(huán)狀，并用螺釘緊固于電路板一端開(kāi)孔的位置。伸出來(lái)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制作。

　　3 實(shí)驗(yàn)儀的功能介紹

　　3.1 電磁波感應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)中，以線圈、環(huán)狀銅絲作為接收器，在近場(chǎng)作用時(shí)，可理解為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，穿過(guò)線圈的變化磁場(chǎng)，在線圈中感應(yīng)出變化電流，使燈泡發(fā)光。該實(shí)驗(yàn)方法可以幫助學(xué)生理解電磁感應(yīng)的原理和作用。

　　3.2 電磁波傳播特性實(shí)驗(yàn)

　　在實(shí)驗(yàn)支架上水平移動(dòng)電磁波感應(yīng)接收裝置，可以觀察和測(cè)量電磁波的傳播規(guī)律。如果在傳播方向上設(shè)置金屬反射板，則可以觀察到干涉現(xiàn)象。設(shè)計(jì)一個(gè)可旋轉(zhuǎn)支臂，將感應(yīng)接收裝置置于旋轉(zhuǎn)臂末端，可以觀察和測(cè)量折射波和透射波。干涉所產(chǎn)生的駐波，在空間形成波幅和波節(jié)，據(jù)此可測(cè)量出電磁波的波長(zhǎng)。

　　3.3 電磁波的極化實(shí)驗(yàn)

　　電磁波的極化是電磁理論和實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要概念，也是“電磁場(chǎng)與波”教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。電子科技大學(xué)近年來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐表明，讓學(xué)生自己動(dòng)手開(kāi)展電磁波的極化類(lèi)實(shí)驗(yàn)，是解決這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)的有效途徑。為開(kāi)展該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，可利用前述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的輔助裝置，改變收發(fā)天線間的極化匹配程度，并使用學(xué)生自制的接收裝置來(lái)觀察接收到的電磁波強(qiáng)度變化情況，進(jìn)而測(cè)量出電磁波的極化狀態(tài)(線極化、圓極化、橢圓極化)、軸比等，從而可有效幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握電磁波的極化特性。

　　3.4 天線類(lèi)實(shí)驗(yàn)

　　利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的輔助裝置，將接收天線固定在方位面可360o旋轉(zhuǎn)并帶有刻度的實(shí)驗(yàn)支架上，可進(jìn)行天線的輻射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如天線的主瓣寬度、副瓣電平、方向圖等基本參數(shù)。

　　電磁波綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的功能和作用廣泛，實(shí)驗(yàn)教師可以根據(jù)教學(xué)要求和學(xué)生實(shí)際情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如在電磁波感應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)中，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)知識(shí)開(kāi)展個(gè)性化感應(yīng)接收天線的設(shè)計(jì)，并借助簡(jiǎn)單的材料，如銅片、銅絲等，自己動(dòng)手完成感應(yīng)器天線的制作。不同的天線設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生天線增益、極化、主瓣方向等的差異，并表現(xiàn)出不同的接收效果，因此，通過(guò)該實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)，可達(dá)到激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性、培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力和研究性學(xué)習(xí)能力的目的。

　　作品名稱(chēng)：電磁波綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀

　　完成單位：電子科技大學(xué)