电磁脉冲的传播及衰减

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1、电磁脉冲的传播及衰减MIT物理系（2007年8月29日）本实验的目的是为使你了解处理电脉冲方法的原理，你将学习电磁脉冲的反射，测量不同电缆的终端阻抗和信号传播速度。1.预习问题1.给出中心导线半径为a，圆柱外壳半径为b，内外导体间充满电介常数为κ绝缘介质的同轴电缆的特征阻抗的计算公式。参考文献【1-3】。2.某波导对脉冲的削弱率为2.5%每米。求出脉冲振幅与脉冲在电缆中传播距离的精确公式。作图画出脉冲的振幅与脉冲在电缆中传播距离的图像，其中脉冲传播距离在0-200米范围内。（该公式为某基本微分方程的解）3.画出预计的振幅为-1伏特、周期为10纳秒的理想矩形

2、脉冲，在经过10米长的同轴电缆后从末端反射回来得到的脉冲的形状和振幅。2.实验简介很多实验包括电磁波产生和测量。根据信号Δt的长度，处理手段都将不同：Δt≤1ms→可以任意操作导线。如果信号很小，可能需要使用屏蔽电缆。1ms≥Δt≥0.1μs→电脑使用的典型的信号。使用带状电缆，“双绞线”或者没有终端的电缆。100ms≥Δt≥0.1ns→我们感兴趣的“快”信号处在该区域。电缆需要被终止否则将会发生不想要的反射。在低年级实验室中，这种信号经常显示为光电倍增管信号，但后来的放大器将会将信号降频到中频区间。人们可能会想知道电磁波频率，振幅分布，以及相对于其

3、他脉冲发生次数的关系。这些一般都通过示波器，多通道分析仪，放大器，鉴别器，相合电路等1进行测量，这些仪器可能正常也可能不正常工作。因此，测试设备如脉冲发生器和示波器的正确使用，可以对脉冲测量仪器的性能进行逐点检查。电脉冲在实验室周围通过这种或那种输电线传输，每种传输线对电磁波的延迟，衰减，与反射产生不相同效应和影响。重要的是要了解这些影响，并知道1示波器按附录描述的方式显示信号V(t)-t。多通道分析器MCA’s将不同高度的信号事例分类到不同的直方图的BIN中去。放大器放大这些信号并且可能改变其形状。电荷敏感的前置放大器生成与在探测器中产生的电荷量成正比的

4、输出。鉴别器在当输入信号超过一定阈时释放一个逻辑(方形V(t))信号。符合单元在两个（或者多个）信号时间上交迭时产生一个信号脉冲。如何来测量它们。因此，这个实验是研究脉冲在传输线中的传输过程。你将学到你必须正确的终止所有输电线路，以免产生错误。3.实验操作3.1非连续传送电缆中反射电磁波脉冲将BNC模型555的脉冲延迟发生器通过一个T-连接器接到电子示波器的输入端，T-连接器的另一个三面接长RG-58电缆，具体可查看图1。用输出固定的脉冲发生器产生振幅为5.0V且周期最短（~4-30nsec）的脉冲。在设置重复率时应注意重叠脉冲所造成的影响。将示波器的垂直

5、信号放大器调到2V/div，扫描速度（一般叫做时基）调到50nsec/div，触发器调成内部、普通、斜率为正。观察脉冲发生器得到的主要脉冲并描述当终端为1）敞开，2）削短，3）被阻值在~10-200的欧姆电阻中断，三种情况下电缆终端反射回来的脉冲，这步是为了计算RG-58和RG-59电缆的特征阻抗。将另一块电缆用夹头（也就是很差的连接器）接到第一个电缆的终端并观察在传输线中产生的不连续效应不连续产生的。记住在实验纸上画出观察到的波形并标注时间和振幅轴！你将会看到一个典型的反射过程。为什么不是n+1？提示：脉冲发生器也有内阻抗（50欧姆）。3.2电缆中脉冲的

6、传输速度和衰减通过测量直接和反射脉冲到达示波器的时间差来计算电缆中脉冲的速度，记录足够的数据和其它信息，以便足够准确的评估计算中的随机和系统误差。比较电缆中脉冲速度与真空中的光速，并解释差异的原因。加上三条已知长度的电缆做时间与长度关系的测量。通过比较有和没有通过BNC连接的附加电缆两种情况下，从开放端反射回来的脉冲振幅来测量RG-58电缆的衰减。（注意这个方法把对电缆延迟效应的测量，从在示波器与脉冲产生器连接处的电路中不连续性的可能复杂效应中孤立开来。）3.3在传输线中的CW传播探究在具有各种各样的终端和频率的传输线中传播正弦连续波（CW）的现象。使用示

7、波器两个已经刻度过的通道来分别测量Vinput和Voutput，注意确认输出已被断开。思考为什么这是必要的。利用Agilent33120A函数发生器对RG-58传输线产生一个相对于频率的衰减曲线图。对频率在1Hz到10MHz内的脉冲求其衰减值。当你打开函数发生器时，它应该缺省设置为频率1KHz、振幅100mV的正弦波。确认你使用的是OUTPUT端而不是SYNC端。为了调整频率，首先按Freq按钮，将会显示当前的频率，闪烁的数字可用可右上角的旋钮调整。你也可以通过按EnterNumber键，然后输入想要频率的数值，然后按适当单元的按钮。例如，你可以按∧按钮选

8、择MHz。图1测试各种终端电阻对同轴电缆中电磁波传播的影响表示衰减