- •Измерительные линии
- •Указание мер безопасности
- •Подготовка к работе измерительной волноводной линии
- •Методика измерения
- •Метод «удвоенного минимума»
- •Порядок работы с генератором
- •Практическая часть работы
- •Короткозамкнутый отрезок волновода
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Список рекомендуемой литературы
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Изучить теоретические сведения и ознакомиться с принципом работы используемых в работе приборов:
- •Ответить на контрольные вопросы.
- •Оформить отчет. Сведения из теории
- •Методика измерения
- •Практическая часть работы
- •Ход выполнения эксперимента
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Список рекомендуемой литературы
- •Задание
- •Сведения из теории Прямоугольный волновод
- •Волны типа е в прямоугольном волноводе
- •Методика измерений длины волны в волноводе
- •Содержание отчёта
- •Контрольные вопросы
- •Список рекомендуемой литературы
Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен включать следующие пункты:
-
Название и цель работы.
-
Расчет положения опорной плоскости и длины волны в линии.
-
Снять распределение амплитуды колебаний напряжения вдоль линии для следующих нагрузок: короткое замыкание, с малым КСВ, средним КСВ, большим КСВ. Результаты снятых измерений занести в таблицу 1.
-
Расчет эквивалентной ёмкости и индуктивности для короткозамкнутых отрезков линии.
-
Таблица результатов работы.
-
Графики экспериментальных зависимостей амплитуды от относительной длины волны при различных нагрузках.
-
Вывод по работе.
Контрольные вопросы
-
Что называется волноводом?
-
Что такое КСВ?
-
Как определить потери в коаксиальной линии? Какие существуют потери?
-
Что называют линией передачи или направляющей системой?
-
Перечислите виды регулярных направляющих структур.
-
Какие виды волн вы знаете?
-
Какие виды волн могут распространяться в коаксиальной линии передач?
-
Какими величинами характеризуется волна в передающей линии?
-
Что такое падающая и отраженная волны?
-
Что называют коэффициентом бегущей волны?
-
При каких условиях волну называют стоячей?
Список рекомендуемой литературы
-
Вольман, В.П., Техническая электродинамика / В.П. Вольман, Ю.В. Пименов. – М.: Связь, 1971.– 486 с.
-
Григорьев, А.Д. Электродинамика и техника СВЧ / А.Д. Григорьев. – М.: Высш. шк., 1990. – 331 с.
-
Ефимов, И.Е. Радиочастотные линии передачи / И.Е. Ефимов. – М.: Советское радио, 1964. – 592 с.
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ СОБСТВЕННЫХ ВОЛН ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА
Цель работы: исследование частотной зависимости длины волны в волноводе для основного типа волны.
Задание
-
Изучить теоретические сведения и ознакомиться с принципом работы используемых приборов.
-
Сделать необходимые измерения:
-
определить теоретическое значение длины волны в волноводе для основного типа волны ;
-
определить экспериментальное значение длины волны в волноводе для основного типа волны.
-
Произвести обработку результатов согласно порядка выполнения работы.
-
Ответить на контрольные вопросы.
5. Оформить отчет.
Сведения из теории Прямоугольный волновод
Прямоугольный волновод является линией передачи электромагнитных волн, представляющей собой трубу с прямоугольной формой поперечного сечения (рис. 1). Размер сечения по широкой стенке обозначается а, размер по узкой стенке b. Данный волновод связан с декартовой системой координат x,y,z. Волновод предполагается бесконечно протяженным по оси z, которая принимается за ось распространения электромагнитной энергии (волны). Стенки волновода предполагаются идеально проводящими, т. е. изготовленными из материала с удельной объёмной проводимостью .
Рис. 1. Прямоугольный металлический волновод
Волны типа е в прямоугольном волноводе
Волны Е–типа в линиях передачи характеризуются тем, что в их электромагнитных полях присутствуют продольные и поперечные составляющие электрического поля так и поперечные составляющие магнитного поля. Другими словами, здесь , . Этот характер позволяет однозначно выразить все поперечные составляющие электромагнитного поля через по поперечным координатам. Составляющие электромагнитного поля имеют вид:
(1)
, ,
где h – продольное волновое число,
g – поперечное волновое число,
– абсолютная диэлектрическая проницаемость.
, (2)
где – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
– размерная постоянная, найденная экспериментально и названная электрической постоянной вакуума.
, (3)
где – поперечный коэффициент по оси ox;
– поперечный коэффициент по оси oy;
, (4)
где m, n – любые целые числа положительные числа;
a, b – размеры волновода.
Волновой процесс описывается уравнением Гельмгольца:
(5)
Общее решение распространения волны вдоль оси Z :
(6)
где , – проекция поперечного волнового числа на соответствующую ось.
Изменение фазы вдоль оси распространения описывается экспоненциальным множителем вида .
Вычисление критической длины волны и длины волны в волноводе
Критическая длина волны для , рассчитывается по формуле
(7)
Связь между тремя длинами волн выражается соотношениями:
, (8)
где – длина волны в волноводе,
– длина волны в свободном пространстве,
– критическая длина волны.
Закон зависимости длины волны в волноводе от длины волны в свободном пространстве носит название дисперсионной характеристики волновода. В явном виде эта характеристика описывается формулой, вытекающей из (8):
. (9)
Длина волны в свободном пространстве меньше длины волны в волноводе, обусловленной тем, что волны типа E, и типа H в волноводах с идеально проводящими стенками распространяются с фазовыми скоростями большими, чем скорость света в вакууме. Поскольку , и частота связаны очевидным соотношением, то из формулы (8) следует формула для вычисления фазовой скорости :
. (10)
При переходе через граничное значение в волноводе имеются уже не бегущие, а экспоненциально затухающие волны. Всю область частот, которой соответствуют , называют областью отсечки.
Волны типа Н в прямоугольном волноводе
Волны типа Н в линиях передачи характеризуются тем, что в их электромагнитных полях присутствуют продольные и поперечные составляющие магнитного поля, также и поперечные составляющие электрическое поле. Все составляющие электромагнитного поля могут быть выражены через составляющую следующими соотношениями:
(11)
, ,
где – абсолютная магнитная проницаемость
, (12)
где – относительная магнитная проницаемость;
– магнитная постоянная вакуума.
Волновой процесс описывается уравнением Гельмгольца:
.
Общее решение распространения волны вдоль оси Z :
(13)
где , – проекция поперечного волнового числа на соответствующую ось.
Практическая часть работы
Описание экспериментальной установки
Для проведения данной работы необходимо собрать лабораторную установку, включающую следующее оборудование (см. рис. 2):
1) генератор сигналов Г4-91;
2) измерительная линия (волноводная) Р1-12А;
3) подвижная короткозамкнутая нагрузка НКП-7;
4 ) микроамперметр.
Рис.2. Схема лабораторной установки
Устройство и принцип работы линии, и ее составных частей
См. лабораторную работу № 1.
Порядок работы с генератором
См. лабораторную работу № 1.
Порядок работы
См. лабораторную работу № 1.
Сборка экспериментальной установки
Экспериментальная установка собирается в следующей последовательности:
-
К одному фланцу линии через развязывающий высокочастотный аттенюатор подсоедините СВЧ – генератор. Включение в тракт развязывающего аттенюатора обязательно. Точность измерения обеспечивается лишь при наличии развязывающего аттенюатора с ослаблением 10 – 15 дБ.
-
К другому фланцу подсоедините испытываемый волноводный тракт. Все высокочастотные соединения должны быть выполнены весьма тщательно и при обязательном использовании установочных болтов или штифтов. Несоблюдение этих мер приводит к возникновению дополнительных отражений и потерь в тракте, способствующих увеличению общей погрешности измерения.
-
Подключите кабель от измерителя отношений к штуцеру низкочастотного разъёма зондовой головки линии, но перед подключением убедиться, что корпус линии и корпус измерителя отношений взаимно заземлены. Если генератор работает в режиме немодулированных колебаний, в качестве индикатора прибора следует использовать микроамперметр постоянного тока класса 1.
-
Включите генератор и установите необходимую глубину погружения зонда измерительной линии. Выбор глубины погружения зонда зависит от мощности колебаний в тракте, чувствительности применяемого индикатора, чувствительности диода, а также от метода проводимых измерений. Оптимальная глубина погружения для линии равна 0.4 мм.
-
По максимуму показаний индикатора настройте в резонанс контур зонда, пользуясь верхней настроечной гайкой зондовой головки, затем при помощи нижней гайки настройте в резонанс детекторный контур зондовой головки. Настройку контуров повторяйте до получения максимума показаний индикатора. Может оказаться, что зонд линии находится в минимуме напряженности поля стоячей волны, вследствие чего невозможно обнаружить сигнал. Тогда следует немного сместить каретку и повторить операции настройки зондовой головки.
-
Введите развязывающим аттенюатором такое затухание, чтобы показания индикатора не превышали уровня, до которого ещё сохраняется квадратичность характеристики диода. Ориентировочно характеристика диода квадратична при выходных напряжениях, не превышающих 0.001 В при Rнагр = 500…1000 Ом.
-
Работу линии считать нормальной, если:
– при передвижении зонда вдоль линии наблюдаются максимумы, отличающиеся между собой не более чем на 2.8 %;
– неоднозначность настройки зондовой головки органами регулировки на максимальное показание индикаторного прибора не приводит к нестабильности его показаний.