新型电磁波演示装置 阶段总结 刘希 贾孟文

引言 电磁波的发现是改变人类历史进程的伟大科学成就，电气 和通信技术是现代科技的基础，也是微电子技术的发端。因此， 在电磁学的课堂教学中，对电磁波的正确认识是学好后续知识 的基础。然而电磁波本身无形无色，本质为空间扰动的传播， 这对直观理解、把握电磁波的图像不利。为此，一种能够只管 展示电磁波在空间分布的课堂教学仪器就成为需要。为此，结 合波的特性，我们设计了一种通过驻波形式演示电磁波空间分 布的装置，以此来演示电磁波的各种空间特性。

方案 根据整个装置的原理与预期效果，将仪器的设计分为以下几个 模块： 1高频正弦信号发生器； 2功率放大与发射模块； 3承接装置与反射屏； 4场强计LED显示装置。

正弦信号发生器 根据课堂演示的要求，实验仪器不能做得太大，要在有限空间范围内实现一个或多个波长，根据波长与波速的关系： λν=c 可知，要波长足够小，需要较大的振荡频率。 综合成本、可行性与制作难度，最终选择将振荡频率定在200mHZ左右，此时： ν= 𝑐 𝜆 =1.5m 形成驻波后，其一个波腹长度为： ∆λ= 𝜆 2 =0.75𝑚 可以满足课堂演示需要。

正弦信号发生器 为简单起见，我选择正弦波作为信号模式。mHZ为通信波段频 率，为实现正弦信号的模拟输出，我们借助摩托罗拉公司的通信电 路的正弦振荡器MC1648P实现。其基本参数如下表所示：

正弦信号发生器 MC1648是产生高频正弦波振荡的专用集成块。只需接入简单的外围 元件，即可产生稳定的高频正弦波。根据电气参数可知，MC1648P所能 承受的最大振荡频率为225Mhz，可以满足我们的需要。

正弦信号发生器 芯片共有14个引脚，我们并不需要用到全部。14脚接5V稳压电源，3脚为信号输出。其中 C3、C4为滤波电容，电容C1、电感L1构成LC激发回路，决定输出信号的频率，其输出信号的频 率值可由下式计算 𝑓= 1 2𝜋 𝐿 1 𝐶 1 调试阶段，信号通过可连接示波器的BNC头输出。

功率放大模块 使用50MHz-1000MHz 0.5W宽带射频放大器： 电源连接线，红色为正极接+9V，黑色为负极，电流0.2A 射频输入端采用SMA母头连接器，输入功率14dBm 射频输出端采用SMA母头连接器，输出功率27dBm  

功率放大模块 其具体参数为： 1 工作电压 9V 2 工作电流 0.2A 3 频率范围 50MHz—1000MHz 4 增益 13dB(也就是把输入功率放大20倍) 5 输出功率27dBm ,也就是0.5W （P1dB 27dBm） 功放模块采用SMA母头，与信号输出端的BNC头之间需要转换，转换头如下图所示：

场强计LED显示装置 接受与显示装置实际为一个场强计，具体的设计仍然很粗糙，有以下几个 备选电路： 以上电路只是初步设想，为具体适应我们的要求还要做进一步的整理与改进，限于制作开发进度，场强计方面的工作仍需进一步深入展开。

承接装置与反射屏 上述几个模块需要集中在统一的承接装置上以形成仪器整体， 同时还需要集成反射屏以实现波的反射，形成驻波。反射屏材料应 满足吸波少，电磁波反射能力强的材料。对通信波段的电磁波，光 滑的金属表面即可较好地反射电磁波。

仪器的封装

仪器的封装

仪器的制作与调试 仪器的设计工作占据了本学期的大部分时间，时间所限，仪器的制 作与调试本学期仅仅局限在信号发生部分。 尝试链接电路，选取的电容值为10pf，电感值为1μH，理论信号频率 为： 𝑓= 1 2𝜋 𝐿 1 𝐶 1 =50.33𝑚𝐻𝑍 供以5V稳压电源，并将输出接入示波器观察：

仪器的制作与调试

仪器的制作与调试

仪器的制作与调试 波形较好，频率只有43mhz，应该是电路的分布电容导致时间常数变大。特别是面包板电容，此时的作用不可忽略。 为进一步改善振荡性质，提高振荡频率，拆除LC回路中的并联电容，仅依靠电路的分布电容，可以将震荡频率提高到52mhz左右：

仪器的制作与调试 可见电路的震荡频率仍然有待进一步提高。 因为LC电路中的电容已经移除，电容已无 法进一步降低，进一步提高振荡频率的方法 只能依靠进一步减小电感数值。市面上的功 率电感最小值已经为1uh，经查证，色环电感 最小可以降到100nh，即降为原来的1／10， 预期频率可以提高为3倍，即150mhz左右。 下图为新买到的色环电感，感值为100nh。

仪器的制作与调试 用新买到的色环电感代替之前的功率电感，发现频率提高并未如预期，只 提高到了60mhz左右，原因我们猜测为面包板的电容效应在高频下愈发明显。 同时，我们决定采用电感并联的方式进一步减小电感，得到如下电路：

仪器的制作与调试 由于面包板本身体积、结构的限制， 我们仅仅并联了5只电感，其中两只1uh 的功率电感，三只100nh的色环电感，理 论上等效电感为：0.03uh，相应频率应 为大约1.6ghz，当然这是不可能的，因为 mc1648p的最高输出频率也仅仅为 225mhz。然而实际上我们测量时得到的 输出频率仅仅为120mhz左右：

仪器的制作与调试 频率仍然达不到预期。同时，频率提高导致波形变得不平稳， 这是因为面包板电容的不稳定性。输出幅度也越来越小。为此我们 加回了LC回路中已经拔除的电容，这样虽然会降低频率，但可以使 波形稳定下来。

下一步的计划与预期 我们认为，面包板的限制，尤其是面包板的电容是限制电路频 率进一步提高的主要瓶颈。为控制研制的节点，我们并不打算在这 上面花费更大的精力，将这个问题留待后面解决。 目前的进展是，高频正弦信号已经可以产生，频率可大致达到 预期，功率无法达到预期。下一步的主要任务为：

下一步计划与预期 1.射频功放的链接与调试。我们已经订购了BNC公头转SMA母头转接 头以及射频功放面板，待零件到齐之后，在电路的信号输出端加上射频 功放，并通过示波器观察输出信号的强度。 2.场强计电路的制作。在输出信号的频率和功率都大致能够达到要求 时，开始做场强计。 3.绕指天线，制作反射屏。将信号通过天线发射出来，并在反射屏的 阻挡下形成驻波。此时放入场强计进行检测，看能否检测到随空间位置 的不同信号灯发光强度的不同。

结语 新型电磁波的演示装置，虽然本学期没有做完，但通过本学期 大量相关知识的学习与讨论调研，我们已经有了详细的方案与计划， 为后面进一步的工作定下了方向与基调。总结下来，本学期主要有 以下收获与总结：

结语 1.物理离不开工程与电子。本学期初我们进展缓慢的主要原因是作者不懂电子电路方面的 知识。为此我们学习了许多相关方面的知识，包括模拟电子电路，数字电子电路，以及通信 电子电路等等。 2.充分的文献调研与学习是任何工作的前提条件。本学期我们大部分时间花在文献调研与 方案设计工作上。由于是从无到有的过程，我们进行了各方面的讨论，才定下了确切的方案。 学期初我们有一次失败的尝试，总结下来是因为我们功课做得非常不够，这直接导致了我们 的工作毫无价值。 3.动手实践能力的培养是我们的当务之急。 感谢吕景林老师本学期对我们的指导。本学期的工作虽已结束，但向我们仍会继续这项 仪器的开发与制作，希望我们能够最终克服困难，将这部仪器做成。

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