1. Засвоєння методики прямих, непрямих та сумісних вимірювань (на прикладі вимірювання характеристик антен)

1. Мета роботи

Мета роботи  освоєння особливостей багаторазових прямих, непрямих та сумісних вимірювань характеристик спрямованості антени, набуття навичок роботи з вимірювальним генератором Г4-56 та вольтметром - вимірювачем відношень напруг В7-8 з відпрацьовуванням методики обчислення граничної похибки.

2. Основні теоретичні відомості

1. Антена–це пристрій, який перетворює високочастотний електричний струм в електромагнітне випромінення передавальної антени або перетворює випромінення на виході приймальної антени в напругу. Антена (без підсилювача) - це обратимий пристрій, її характеристики при прийманні та передаванні співпадають. Форма, розміри та конструкція антен залежать від довжини хвиль та призначення антени.

Антени розділяються на широко- та вузьконаправлені і характеризуються діаграмою спрямованості, тобто кутовим розподілом нормованої щільності потужності випромінення в дальній зоні. Широконаправлені антени мають форму діаграму спрямованості близьку до кругу и використовуються в радіомовленні та мобільному зв’язку. Вузьконаправлені антени концентрують потужність випромі-нення або приймання в заданому напрямі, підвищують дальність радіозв’язку та точність визначення кута цілі в радіолокації. Діаграми спрямованості відображають в полярних або декартових координатах (рис. 1) в обраних площинах.

Рисунок 1.1 – Діаграми спрямованості антен

В НВЧ діапазоні розповсюджені вузьконаправлені рупорні антени. Найвища спрямованість досягається для оптимальної рупорної антени, з розмірами (рис.2) l_опт – довжина, a_р, b_p- розміри розкриву рупорної антени, для яких виконуються співвідношення (1.1), де -довжина хвилі.

Рисунок  1.2 – Геометричні розміри рупорної антени

2. Діаграма спрямованості пірамідальної оптимальної рупорної антени теоретично [1] описується формулами:

- в площині компоненти магнітного поля Н

,

(1.2)

- в площині компоненти електричного поля Е

,

(1.3)

Направлені якості антени оцінюють також кутом головної пелюстки на діаграмі спрямованості, цей кут називають шириною проміня та визначають по рівню половиної потужності відносно максимума випромінення. Діаграма спямованості та ширина променя антени можуть бути визначені теоретичним або експеримента-льним шляхом. Значення ширини діаграми в градусах за рівнем половинної потужності 0,5P для пірамідальної оптимальної рупорної антени теоретично [1] визначено формулами:

• в площині компоненти магнітного поля Н

,

(1.4)

• в площині компоненти електричного поля Е

,

(1.5)

3. Методи вимірювання діаграми спрямованості

Діаграма спрямованості антени експериментально може бути виміряна за допомогою сумісних та непрямих вимірювань.

1. При використанні сумісних вимірювань діаграма спрямованості визначається сумісним вимірюванням рівня сигналу u на виході приймальної антени, яка розташована в дальній зонні відносно передавальної антени та кута її поворота θ навколо своєї вісі, визначення максимального розмаху сигналу u_max. Далі обчислюються нормовані показання u/u_max і показання за напруженості поля з урахуванням квадратичної характеристики детекторного діода в антені:

.

(1.6)

Після чого будується діаграма спрямованості в координатах θ, E/E_max.

2. При непрямих вимірюваннях вимірюються геометричні розміри антени (a_р, b_p), довжина хвилі λ по відомій частоті f

.

(1.7)

Діаграма спрямованості визначається використанням формул (1.2) або (1.3) та будується в координатах θ, F(θ ).

4. Методи вимірювання ширини головної пелюстки діаграми спрямованості

Ширина головної пелюстки діаграми спрямованості антени експериментально може бути виміряна за допомогою прямих та непрямих вимірювань.

1. При використанні прямих вимірювань ширина діаграма спрямованості на рівні половинної потужності визначається багаторазовим вимірюванням максимального розмаху сигналу u_max на виході приймальної антени та вимірюванням кута поворота антени θ навколо своєї вісі при досягені рівня сигналу u= u_max/2, далі проводиться обробка прямих багаторазових вимірювань.

2. При непрямих вимірюваннях ширина діаграма спрямованості визначається за геометричними розмірами антени (a_р, b_p), довжині хвилі λ використанням формул (1.4) або (1.5).

3. Завдання на самостійну позааудиторну роботу

Дати відповіді на контрольні запитання, ознайомитися з інструкціями з експлуатації генератора сигналів високочастотного Г4-56 (додаток А), вимірювача напруги 7 типа В8-7 (додаток Б).

4. Опис лабораторної установки

1.4.1 Склад установки. Функціональну схему установки наведено на рис. 1.3 . До установки входять генератор сигналів високочастотний типу Г4-56, феритовий вентиль 2, атенюатор 3, передавальна антена 4, приймальна антена 5, детекторна секція 6 і вимірювач напруги 7 типа В8-7. Відстань між антенами відповідає умові далекої зони. Для вимірювання діаграми спрямованості приймальна антена 7 може встановлюватись на заданий кут оберту θ в горизонтальній площині.

Рисунок 1.3  Функціональна схема установки для вимірювання

характеристик спрямованості антен

2. Генератор Г4-56 є джерелом НВЧ енергії довгохвилевої області трисантиметрового діапазону довжин хвиль. Зовнішній вигляд генератора Г4-56наведено на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 – Зовнішній вигляд генератора Г4-56

2. Параметри Г4-56: діапазон частот 8,5…9,7 ГГц, похибка встановлення частоти- не більш 0,05%, нестабільність частоти не більше 1·10^-4 за 10 хвилин після 1 години прогріву. Паразитна девіація частоти в режімі НГ (безперервна генерація) не більш 1·10^-7. Вихідна калібрована потужність 10^-3…10^-13 Вт. Максимальний рівень вихідної некаліброваної потужності 20 мВт. Нестабільність потужності не більше ± 0,05 дБ за 10 хв. Внутрішня імпульсна модуляція – меандр з частотою 1000 Гц±20%. Рівень НВЧ випромінення не більш 1·10^-3 В/м.

3. Вимірювач відношень напруг В8-7 (рис.1.4). призначений для вимірювання відношень малих напруг змінного струму з цифровою індикацією у відносних одиницях. Використовується при роботі з вимірювальними лініями, при вимірюванні діаграм спрямованості антен та ін.

Рисунок 1.4 – Зовнішний вигляд вимірювача відношень напруг В8-7

Технічні характеристики В8-7: діапазон вимірювання відношень напруг N_Х: 1-31600; діапазон вихідних напруг 0,02-10 000 мкВ; частота вхідних сигналів 0,13-20 кГц: основна похибка вимірювання відношень відносно 1,000±[0,3 + 0,5(N_Х-1)] % (при U_н менш 1 мкВ); Основна похибка декадного подільника ±1 % (0,13-10 кГц);

Повний вхідний опір 600 Ом ±10%

5. Підготовка до роботи

1. Включити до мережі 220 В та поставити на прогрів вимірювач напруг В8-7.

2. Зчитати частоту НВЧ коливань f, яка встановлена на генераторі Г4-56, та занести до табл. 1.1.

3. По розташуванню широкої та вузької сторін хвилеводу визначити встановлене орієнтування передавальної і приймальної антен та площину (E або H), в якій обертається приймальна антена.

4. Виміряти лiнiйкою розміри випромінюючого розкриву приймальної рупорної антени a_p, b_p та довжини рупора l (рис.1.2), результати занести до табл.1.1.

5. Виконати розрахунки даних для проведення експерименту .

6. Розрахувати довжину хвилі (см) в вільному просторі.

7. Розрахувати за допомогою (1.1) довжину рупора l_опт і визначити, чи є встановлений рупор оптимальним. При невідповідності замінити антену.

8. Розрахувати відстань між антенами, на якій досягається умова далекої зони (дз) , результати занести до табл.1.1.

9. Розрахувати теоретичне значення ширини діаграми в градусах за рівнем половинної потужності за формулами (1.4, 1.5), результати занести до табл. 1.1.

Таблиця 1.1 – Розрахункові дані

f, МГц	λ, см	ap, см	bp, см	l, см	lопт, см	Rдз, см	2θ^E0,5P теор, град	2θ^H0,5P теор, град

6. Контрольні запитання і завдання для допуску до аудиторної роботи

1. Дайте визначення вимірювання і похибки.

2. Що таке принцип і метод вимірювання? Які бувають вимірювання?

3. Призначення, типи та характеристики антен.

4. Опишіть методику вимірювання діаграми спрямованості антени.

5. Опишіть методику вимірювання ширини діаграми спрямованості на рівні половинної потужності.

6. Заповнена табл.1.1.

7. Підготовка В8-7 до вимірювань

   1. Встановити на В8-7: СИНХРОНИЗАЦИЯ в положення ВНУТР, декадний подільник - перемикач чутливості в положення 1, ЧАСТОТА кГц в положення 1 кГц, КОНТР. СМЕЩ.(V) та УСРЕДН. в вимкнуте положення.

   2. Перевірити калібрування В8-7- підключити кабель ВХІД до розніму100 μV. На індикаторі повинен бути рівень 1,000. За необхідності проведіть калібрування:

- Регуляторами УСИЛЕНИЕ ГРУБО, ПЛАВНО встановіть на індикаторі 1,000.

- Встановити декадний подільник в положення 10 та потенціометром під шліц КАЛИБРОВКА 0,100 встановіть показання індикатора 0,10. Якщо при положенні декадного подільника 1, показання відрізняються від 1,000 більше, ніж на 1 знак, проведіть калібрування декілька раз .

1. Включити на В8-7: декадний подільник 10, УСРЕДН.

2. Підключити кабель ВХІД В8-7 до кабелю виходу детектору антени.

1. Підготовка Г4-56 до вимірювань

   1. Перевірити заземлення пристрою. Перевірити з’єднання входу передавального тракту до фланця “ВИХОД НЕКАЛИБРОВАННЫЙ”.

   2. Ручку “РОД РОБОТЫ” встановити у положення “НЕСТАБИЛЬНО”, яке відповідає внутрішній модуляції меандром. Ручку “УСТАНОВКА УРОВНЯ МОЩНОСТИ” обернути проти годинникової стрілки до упора, а ручку “ОСЛАБЛЕНИЕ” – за годинниковою стрілкою до упора.

   3. Включити до мережі 220 В, увімкнути тумблер “СЕТЬ” і прогріти генератор Г4-56 протягом 15 хв. (за паспортними даними – 1 год).

   4. Натиснути кнопку “КОНТРОЛЬ НУЛЯ” та, обернувши її за годинниковою стрілкою, зафіксувати. Ручкою “УСТАНОВКА НУЛЯ” встановити нульові показання пристрою “ИНДИКАТОР УРОВНЯ МОЩНОСТИ”. Відпустити кнопку “КОНТРОЛЬ НУЛЯ”.

   5. Встановлення частоти. Перемикач “РОД РАБОТЫ” встановити у положення “НЕСТАБИЛЬНО НГ”. Ручкою “УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ” за шкалою частот “МГц” встановити потрібне значення частоти. Повільно обертаючи ручку “ПЕРЕСТРОЙКА КЛИСТРОНА” у інтервалі, визначеному за шкалою та таблиці частот, знайти момент різкого відхилення стрілки “ИНДИКАТОР НАСТРОЙКИ” спочатку в одну, а потім у іншу сторону. Перемикач “РІД РОБОТИ” встановити в положення внутрішньої модуляції меандром “ВНУТР. МОД.”, “НЕСТАБИЛЬНО”.

9. Підготовка установки до вимірювань

   1. Поверніть приймальну антену до максимуму показань В8-7 та встановіть шкалу показчика кута обертання приймальної антени на 0 градусів.

   2. Потенціометром В8-7 РЕГУЛИРОВКА СМЕЩ. (під шліц) встановіть максимальне значення показань встановленням оптимального зміщення діода детектора.

   3. Переключати подільник В8-7 (1,10) до отримання результатів в межах 0,1-3,16.

   4. Повернути приймальну антену в положення, при якому показання В8-7 u зменшаться в 2 рази, при цьому кут повороту повинен приблизно дорівнювати половині теоретичного значення 2θ_{0,5P теорет}, розрахованого в п. 1.5.9.

9. Вимірювання діаграми спрямованості антени

   1. Встановити перемикач чутливості В8-7 в положення 1.

Повертаючи антену з кроком кута 2° від θ=90° до 0°, знімати відліки напруги u вольтметра В8-7 через час 20 с та заносити результати до табл.1.2.

Таблиця 1.2- Результати вимірювання діаграми спрямованості

кут θ, град	Відлік u	u/umax	√ u/umax	кут θ, град	Відлік u	u/umax	√ u/umax
90				-2
88				-4
86				-6
84				-8
82				-10
80				-12
78				-14
76				-16
74				-18
72				-20
70				-22
68				-24
66				-26
64				-28
62				-30
60				-32
58				-34
56				-36
54				-38
52				-40
50				-42
48				-44
46				-46
44				-48
42				-50
40				-52
38				-54
36				-56
34				-58
32				-60
30				-62
28				-64
26				-66
24				-68
22				-70
20				-72
18				-74
16				-76
14				-78
12				-80
10				-82
8				-84
6				-86
4				-88
2				-90
0				-92

2. При показаннях більше 3,1 встановити декадний подільник В8-7 в положення 10 або 100 та ураховувати множник при занесенні даних до таблиці.

3. Провести аналогічні вимірювання, повертаючи антену вправо від кута θ мінус 2°до θ мінус 92°. При показаннях uменше 0,1 встановити перемикач чутливості В8-7 в положення 1. Результати занести до табл.1.2.

4. Серед результатів вимірювань знайти масимальне показання u_max

5. Обчислити нормовані показання u/u_max.

6. Обчислити нормовані показання за напруженістю поля з урахуванням квадратичної характеристики діода в антені: .

7. Побудувати діаграму спрямованості в координатах θ, u/u_max. Через нестачу місця, паразитні відбиття, люфт механізму обертання виникає похибка вимірювання. В результаті характеристики антени по обидва боки максимума можуть бути неідентичними.

8. За допомогою програми Excel побудувати теоретичну діаграму спрямованості за формулами (2,3), яка відповідає орієнтуванню антени.

9. Оцінити ширину діаграми за рівнем половинної потужності або 0,707u/u_max.

9. Вимірювання ширини діаграми спрямованості

   1. Повертаючи приймальну антену, знайти кут, при якому досягається максимум u_max показань В7-8. Відлік u_max занести до табл.3.

   2. Розрахувати значення половини напруги u_max/2 і занести до табл.3

   3. Повертаючи приймальну антену наліво від максимума, домогтися зменшення показань індикатора В7-8 вдвічі до u_мах/2. Зняти цей відлік кута повороту і занести до табл.3.

   4. Повертаючи приймальну антену направо від максимума, домогтися зменшення показань індикатора В7-8 вдвічі до _мах/2. Зняти відлік кута повороту і занести до табл.3.

   5. Провести багаторазові спостереження 7 разів згідно пп. 1.11.1…1.11.4 і результати занести до табл.1.3.

   6. Обчислити ширину діаграми спрямованості в кожному спостереженні.

   7. Провести обробку результатів прямих вимірювань - знайти середнє значення, абсолютне СКВ спостережень, абсолютне СКВ вимірювань.

   8. По таблицям знайти коефіцієнт Ст’юдента для довірчої ймовірності P=0,9 та n=7 і знайти довірчий інтервал.

Таблиця 1.3 - Результати спостережень ширини діаграми спрямованості на рівні 0,5

і	Відлік umax, мВ	Відлік umax/2	Кут, град	кут, град	кутексп, град	δ, %
1
2
3
4
5
6
7
Середнє значення
Абсолютне СКВ спостережень σ
Абсолютне СКВ вимірювань
Коефіцієнт Ст’юдента t 0,9;7-1
Довірчий інтервал
Результат вимірювання, град
Розходження з теоретичним значенням, δ %

9. Записати результат вимірювання ширини діаграми спрямованості на рівні половинної потужності.

10. Порівняти виміряну ширину діаграми спрямованості з теоретичною , визначеною за формулами (4,5)

, та занести до табл.3

9. Зміст звіту

Звіт має містити: мету роботи; принципові схеми вимірювань;дані розрахунків

результати вимірювань за 1.4.3-1.4; заповнені табл. 1.1, 1.2, 1.3; висновки з указівкою домінуючих похибок.

9. Питання та завдання до захисту звіту

1. Визначення вимірювання, похибки, істинного і дійсного значень.

2. Класифікація вимірювань.

3. Класифікація похибок.

4. Характеристики спряиованості антен.

5. Методика вимірювання діаграми спрямованості антени.

6. Методика вимірювання ширини діаграми спрямованості.

7. Розрахунок середньоквадратичної похибки результату вимірювання.

8. Визначення довірчого інтервалу та запис результату вимірювань.

2. ЗАСВОЄННЯ МЕТОДИКИ НЕПРЯМИХ ВИМІРЮВАНЬ

(на прикладі вимірювання повного опору)

1. Мета роботи

Мета роботи  освоєння практичної роботи з радіовимірювальними приладами та

особливостей вимірювання параметрів елементів у лініях передачі з розподі-леними параметрами з відпрацьовуванням методики непрямих вимірювань.

2. Основні теоретичні відомості

1. Узгодження опорів кіл має велике значення в радіовимірюваннях. Узгодження опорів в надвисокочастотних (НВЧ) колах визначає передавання максимальної енергії (потужності) від генератора до навантаження - наприклад від передавача до антени.

Повний опір Z -це комплексна величина, яка складається з активного опору R і реактивного опору X: .

Якщо лінія передавання замикається на опір, що дорівнює хвильовому опору лінії ρ₀, то електромагнітна хвиля цілком поглинається в навантаженні, тобто використовується за призначенням – випромінюється. Розподіл напруги впродовж лінії рівномірний. Якщо ж лінія замкнута на опір, відмінний від ρ₀, то частина енергії хвилі відбивається від нього. Відбита хвиля накладується на хвилю, що біжить в прямому напрямку і виникають максимуми та мінімуми напруги вздовж лінії- стійна хвиля.

2. Електромагнітні хвилі в НВЧ діапазоні можуть передаватися у хвилеводах, де відбиваються від металевих стінок та поширюється під кутом α (рис.1).

а

Рисунок 1- Поширення електромагнітної хвилі у хвилеводі

Значення кута α відповідає формулі ,

(2.1)

де довжина хвилі в вільному просторі (шлях, який хвиля проходить за період коливань) , с- швидкість світла в вакуумі, f –частота, a  розмір широкої стінки хвилеводу. Фазова швидкість розповсюдженя у хвилеводі більше швидкості світла у відкритому просторі, тому що хвилі відбиваються від його стінок і фронт хвилі проходить за період більший шлях Λ впродовж хвилеводу, ніж у відкритому просторі. Групова швидкість росповсюдження хвилі (передавання енергії)менше швидкості світла.

Оскільки швидкість рпоширення у хвилеводі більше, ніж у вільному просторі , то довжина хвилі у прямокутному хвилеводі більше λ, та теоретично визначається за формулою.

3. Експериментально довжина хвилі у хвилеводі може бути визначена по розподілу напруги стійної хвилі в вимірювальному хвилеводі. Розподілення напруг вимірюється за допомогою вимірювальної лінії з квадратичним детектором. При цьому максимуми та мінімуми позитивні і відстань між мінімумами дорінює половині довжини хвилі, тому довжина хвилі у хвилеводі може бути визначена як подвоєна відстань між точками мінімума напруги у хвилеводі (рис.1.3). при повному відбитті хвилі від короткозамненого навантаження.

4. Передавання потужності в навантаження характеризується коефіцієнтом стійної хвилі напруги (КСХН), який визначається максимальною U_max та мінімальною U_min напругою в лінії. Максимальне проходження потужності від генератора до навантаження відповідає U_max=U_min і КСХН =1. Повне відбиття потужності від навантаження відповідає КСХН=∞. Реальні прийнятні значення КСХ =1,1…1,5.

5. При показаннях квадратичного детектора u_max і u_min

,

(2.2)

6. При проходженні НВЧ коливань на неузгоджене навантаження максимуми і мінімуми виражені значно слабше (рис.2.4), ніж у короткозамкнутій лінії.

Для підвищення точності визначення положення мінімуму використовується метод "вилки", при якому знаходяться положення каретки зліва і зправа від мінімума, при котрих показання вольтметра однакові і співпадають з відмітками шкали вольтметра, а положення мінімума визначається як напівсума положень каретки зліва і зправа від мінімума напруги.

7. При проходженні НВЧ коливань на неузгоджене навантаження у відбувається також зсув мінімума напруги ΔL відносно положення при короткозамкнутій лінії. Зсув мінімума у довжинах хвиль складає ,а фази Ψ

у радіанах .

8. Якщо відомі КСХ і зсув фази Ψ, то непрямими вимірюваннями можна визначити відносні значення активного r та реактивного опорів x

(2)

9. Значення хвильового опору вимірювальної лінії ρ0 виражаються через формулу для прямокутного хвилевода Ом (3)

де a  розмір широкої стінки хвилеводу, b – розмір вузької стінки прямокутного хвилевода.

10. Абсолютні значення активного, реактивного та повного опорів

;;(4)

3. Завдання на самостійну позааудиторну роботу

Ознайомитися з інструкцією з експлуатації хвилеводної вимірювальної лінії типа Р1-30, (ИВЛ-140) [2, с.5  10], та блока генератора сигналів вимірювача панорамного типа Р2-61 [2, с.21  26] (додаток В наведені в додатковому файлі).

4. Опис лабораторної установки

1. Функціональна схема установки наведена на рис. 2.3. До установки входять: генератор НВЧ 1 типу Р2-61 ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ, феритовий вентиль 2, регульований атенюатор 3, хвилеводна вимірювальна лінія 4 типу Р1-30 (ИВЛУ-140), регульований реактивний елемент 5, узгоджене навантаження 6, короткозамкнене навантаження 7, голівка вимірювальної лінії 4, індикаторний прилад 8.

2. Вимірювальна хвилеводна лінія ИВЛУ-140 призначена для вимірювання узгодження опорів елементів хвилеводних трактів з січеннями 10х23 мм. Похибка вимірювання КСХ без урахування похибки індикаторного приладу не перевищує ± 5%. Похибка вимірювання положення зонда за ноніусом не більш 0,05 мм. Максимальна потужність в лінії, необхідна для відхилення індикатора на всю шкалу - 0,05 мм.

Рисунок 2.3 Функціональна схема установки для вимірювання повного опору

5. Підготовка до виконання роботи

   1. До виходу хвилеводу вимірювальної лінії прикрутити гвинтами короткозамикаючу металеву пластину.

   2. З’єднати високочастотним кабелем рознім ВЫХОД прилада Р2-61 ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ та рознім хвилеводно-коаксіального переходу, підключеного до входу вимірювальної лінії.

   3. Підключити до мережі 220 В прилад ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ та включити генератор Р2-61 на прогрів тумблером СЕТЬ

   4. Встановити на блоці ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ:

- перемикач АМ в положення НГ;

-перемикач ПЕРЕСТРОЙКА, S в положення РУЧ;

- кнопку перемикача РЕЖИМ ПЕРЕСТРОЙКИ F0 нажати.

- перемикач РЕЖИМ ПЕРЕСТРОЙКИ в положення F2.

- включити тумблер ВКЛ, при цьому включиться генератор і індикатор.

5. Ввести мінімальне затухання атенюатора вимірювальної лінії (0 дБ).

6. Встановити положення каретки вимірювальної лінії до одержання максимальних відхилень umax стрілки індикаторного вольтметра.

7. Ручкою F0F1 прилада ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ встановити частоту f, при якій максимальні показання вольтметра .

8. Ручкою УРОВЕНЬ на блоці ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ встановити максимальну потужність та показання вольтметра u_max більше половини шкали вольтметра.

9. Виконати розрахунки даних для проведення експерименту бригадою.

10. Значення частоти коливань f (ГГц), встановлену на генераторі Р2-61, занести до табл.2.1.

11. Розрахувати довжину хвилі (мм) в вільному просторі, де, частоту f в Гц та занести до табл.2.1.

12. Розрахувати значення кута α, під яким поширюється електромагнітнахвиля у хвилеводі , де a = 23 мм розмір широкої стінки хвилеводу. Результати занести до табл.1.

13. Обчислити теоретичне значення довжини хвилі в прямокутному хвилеводі за формулоюта занести до табл.2.1. Експериметальновимірюється в п.6.3.15 як подвоєна відстань між точками мінімума напруги у хвилеводі при короткозамкненому навантаженні.

14. Обчислити значення хвильового опору прямокутного хвилевода за спрощеною формулою (3), Ом, де b=10 мм –розмір вузької стінки прямокутного хвилевода, та занести до табл.2.1

Таблиця 2.1 - Результати обчислення довжини хвилі в необмеженому просторі , довжини хвилі у хвилеводі, та хвильового опору ρ хвилевода

f, ГГц	, мм	cos α	, мм	ρ0, Ом

1. Контрольні запитання і завдання для допуску до аудиторної роботи

1. Чому довжина хвилі в хвилеводі більше, ніж у відкритому просторі?

2. Опишіть експериментальну методику вимірювання довжини хвилі в хвилеводі.

3. Опишить метод «вилки» для уточнення положення каретки в мінімумі напруги.

4. Що таке КСХ?

5. Опишить методику вимірювання КСХ за допомогою вимірювальної лінії.

6. Опишіть методику вимірювання зсуву фази в вимірювальній лінії.

7. Дані розрахунків табл.2.1.

7. Визначення положення умовного кінця лінії та довжини хвилі у хвилеводі

   1. Перевірити встановлену частоту та за необхідністю ручкою F0F1 прилада ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ скорегувати частоту f, ГГц.

   2. За необхідністю настроїти вимірювальну лінію на обрану частоту, регулюючи резонатор лінії та гвинти погруження зонда до одержання максимальних відхилень стрілки індикаторного прилада.

   3. При зашкалюванні прилада ввести затухання в атенюаторі більше 0 дБ.

   4. Пересуваючи каретку зонда вимірювальної лінії, спостерігати розподіл напруги на виході детектора у короткозамкненій вимірювальній лінії (рис.2.3). Визначити положення першого найближчого до короткозамикача мінімуму стійної хвилі. Це положення зонда вважається умовним кінцем лінії Lук.

Рисунок 2.3 - Розподіл напруги в короткозамкненій вимірювальній лінії

5. Визначити положення першого мінімуму напруги на лінії - умовного кінця лінії Lук. Пересунути каретку вимірювальної лінії вбік короткозамикача до встановлення в положення, при якому показання вольтметра u мінімальні. Встановлене положення каретки вимірювальної лінії позначене L1.

   1. Виміряти положення каретки L1 за допомогою вбудованого в вимірю-вальну лінію штангельциркуля. Ціле число міліметрів зчитати від нуля основної шкали лінії до нуля ноніусної шкали. Дрібну частину міліметрів відстані зчитати від нуля ноніусної шкали до відмітки, яка збігається з однією з поділок основної шкали. Ноніусна шкала має 20 малих поділок з ціною 0,05 мм, та 4 великих поділки, що розділяють шкалу на відризки 0,25;0,5;0,75;1 мм. Записати положення зонду L1 в мм з дрібними частинами, кратними 0,05 в перший рядок першої колонки табл.2.2.

Таблиця 2.2- Вимірювання положень першого та другого мінімумів напруги

i	1 1	2	3	4	5	6	7	середнє	Ско Спостер.	Ско Вимір.	Коеф. Корел.
L1
L2

1. Перемістити каретку вимірювальної лінії вправо убік генератора і знайти другий мінімум напруги, це необхідно для знаходження довжини хвилі у хвилеводі .

2. Виміряти положення другого мінімуму напруги L₂. Записати положення зонду L₂ в мм з дрібними частинами в другий рядок першої колонки табл.2.2.

3. Повернутись до першого мінімума напруги та повторити вимірювання положення L₁ в лінії, результат занести в другу колонку першого рядка табл.2.2.

4. Повернутись до першого мінімума напруги та повторити вимірювання положення L₂, результат занести в другу колонку другого рядка табл.2.3.

5. Послідовно повторити ще 5 раз вимірювання першого і другого мінімумів напруги та занести результати до табл.2.2.

6. Знайти середні значення L_1сер та L_2сер. Значення L_1сер дорівнює положенню умовного кінця лінії L1_сер=L_ук.

7. Обчисліть довжину хвилі у хвилеводі Λ=2(L2_сер- L1_сер).

8. Визначити відносну похибку відхилення експериментального результату Λсер від розрахункового значення  , що найдене в п.2.5.13 , та занести до табл.2. Якщо похибка перевищує 10%, повторити вимірювання і перевірити положення мінімумів.

9. Вдома обчислити:

• СКВ спостереження і вимірювання положення умовного кінця лінії ук.

• СКВ спостереження і вимірювання положення другого мінімуму

• Коефіцієнт кореляції

• абсолютне середньоквадратичне відхилення (СКВ) _ результатів вимірювання довжини хвилі в хвилеводі

• відносне середньоквадратичне відхилення (СКВ) _ результатів вимірювання довжини хвилі в хвилеводі

8. Вимірювання коефіцієнту стоячої хвилі і зсуву фази при підключенні навантаження

   1. Вимкнути тумблер високої напруги блоці ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ , при цьому виключиться виключиться потужність НВЧ на виході та світловий індикатор.

   2. З виходу вимірювальної лінії шляхом відвертання гвинтів відключити металеву пластину короткого замикання.

   3. До виходу вимірювальної лінії прикрутити гвинтами видане викладачем навантаження, повний опір якого вимірюється.

   4. Включити високу напругу ГЕНЕРАТОРА КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ тумблером ВКЛ, при цьому включиться потужність НВЧ на виході генератора та світловий індикатор.

   5. Пересуваючі каретку вимірювальної лінії, спостерігати максимуми і мінімуми показань індикатора, які виражені значно слабше (рис.4), ніж у короткозамкнутій лінії.

Рисунок 2.4 - Розподіл напруги в вимірювальній лінії з навантаженням

6. Перемістити каретку зонда у максимум стійної хвилі. При зашкалюванні прилада ввести затухання атенюатора більше 0 дБ. Записати показання прилада umax до 1-го рядка табл.2.3.

7. Поставити каретку в положення L_ук (рис.3) , визначене в п.2.7.11.

8. Пересунути каретку вправо та знайти нове положення каретки L_1min, при якому досягається мінімум напруги u_min, найближчий в бік генератора до умовного кінця лінії L_ук.

9. В положенні мінімуму стійної хвилі, записати показання u_min до першого рядка табл.3.

10. Уточнити положення мінімума L_1min, методом "вилки". Виміряти положення каретки L_11Ψ зліва від мінімума та L_12Ψ зправа від мінімума при показаннях вольтметра u, що відповідають цілим поділкам шкали вольтметра, більшим мінімумуму напруги. Результати занести до першого рядка табл.2.3.

11. Повторити вимірювання першого максимуму напруги umax, перестроївши каретку вимірювальної лінії до одержання максимума. Результат занести до другого рядка табл.2.3.

12. Повторити вимірювання положення мінімуму L_1min методом вилки. Для цього виміряти L_11Ψ зліва від мінімума та L_12Ψ зправа від мінімума при однакових поділках вольтметра u.

13. Показання вольтметра в мінімумі umin занести до другого рядка табл.2.3.

14. Повторити вимірювання u_max, u_min, L_11Ψ зліва від мінімума та L_12Ψ зправа від мінімума ще 5 разів, результати занести до третього.. сьомого рядків табл.2.3.

15. Обчислити середні значення umaxсер, u minсер, L_11ψсер, L_12ψсер.

16. Обчислити значення мінімума L_Ψ1міn=(L_11Ψсер+L_12Ψсер)/2 і занести дл табл.2.3.

17. Обчислити значення зсуву мінімуму при підключенні навантаження відносно умовного кінця лінії ∆Lψ= L_φ1min- L_уксер та занести до табл.2.3.

18. Обчислити зсув мінімума у довжинах хвиль та занести до табл.2.3

Таблиця 2.3 - Результати вимірювання напруг u та положення першого мінімуму L_{ min}

i	umax	umin	КСХ	L11ψ	L12ψ	Lφ1min= (L11ψ+L12ψ)/2	ΔLψ= Lφ1min-Lук	ΔLφ/Λвим	ψ
1			-			-	-	-	-
2			-			-	-	-	-
3			-			-	-	-	-
4			-			-	-	-	-
5			-			-	-	-	-
6			-			-	-	-	-
7			-			-	-	-	-
Cер.знач.
абс СКВ спост.
абс СКВ вим.
Відн СКВвим, %

19. Обчислити зсув фази коливань у радіанах і занести до табл.2.3

20. Обчислити КСХ за формулою та занести до табл.2.3

21. Вдома обчислити відносні середньоквадратичні відхилення (СКВ)  результатів вимірювання довжини хвилі у хвилеводі , КСХ і зсуву фази ψ.

9. Визначення опору навантаження за допомогою діаграми Вольперта-Сміта

1. На поворотній прозорій лінійці діаграми знайти відмітку, що відповідає значенню КСХ.

2. Лінійку діаграми повернути вправо в положення , з урахуванням напрямку зміщення мінімума до генератора.

3. Визначити через прозору лінійку на діаграмі крапку, що відповідає даним вимірювання, ця крапка має криволінійні координати, шо відповідають складовим повного опору r та х.

4. Визначити горизонтальну координату крапки по лінії вісі симетрії шкали діаграми шляхом переносу крапки по кривим лініям опору. Знайдене відносне значення опору r занести до табл.4.

5. Шляхом переносу крапки по кривій лінії на внутрішню кругову шкалу діаграми, визначити відносне значення реактивного опору х навантаження. Знайдене значення х занести до табл.2.4.

10. Розрахунок опору навантаження

    1. Розрахувати за формулами (2) відносні активні і реактивні складові повного опору r та x за результатами вимірювань КСХсер і зсуву фази Ψсер та занести до 3 колонки табл.2.4 .

Таблиця 2.4  Розрахунок складових повного опору

Параметр	Відносне значення за діаграмою	Відносне значення за формулами	δ,%	Абсолютні значення за формулами
Активний опір r
Реактивний опір x

2. Визначити відносну похибку значеннь знайдених за допомогою діаграми Вольперта-Сміта та розрахунковим шляхом δ,%.

3. Розрахувати за формулами (4) абсолютні значення активного і реактивного повного опору R та X на вихідному фланці вимірювальної лінії за значеннями хвильового опору ρ₀.

11. Визначення СКВ похибки непрямих вимірювань R, X

    1. Відносне СКВ похибки непрямих вимірювань визначається як

,

де К_j^F- відносний коефіцієнт впливу, - відносні СКВ аргументів.

,

Розрахувати відносні коефіцієнти впливу похибок КСХ і Ψ за формулами, що наведені в табл.2.5.

Таблиця 2.5  Розрахунок відносних коефіцієнтів впливу

Коефіцієнт впливу	Формула	Результат

2. Розрахувати відносні СКВ похибки непрямих вимірювань згідно формул таблиці 2.6.

Таблиця 2.6  Формули для розрахунку відносних СКВ похибок

Формули	Результат

3. Розрахувати абсолютні СКВ похибки непрямих вимірювань ;

4. При довірчій ймовірності P=0,9, визначити коефіцієнт Ст’юдента для n=7 спостережень t_P,n-1 та довірчі інтервали ,.

5. Записати результат вимірювання ,;; P=0,9

12. Зміст звіту

Звіт має містити результати спостережень і вимірювань за пунктами 2.7-2.9, заповнені таблиці 2.1; 2.2; 2.3 та графіки за пунктами 2.7.13 та 2.7.16; висновки.

13. Питання і завдання до захисту звіту

1. Визначення вимірювання, похибки, істинного і дійсного значень. Поняття засобу, принципу, методу вимірювання.

2. Класифікація похибок: абсолютні і відносні, об'єктивні і суб'єктивні, методичні і інструментальні, випадкові і систематичні, промахи.

3. Методика вимірювання умовного кінця лінії в хвилеводі

4. Методика вимірювання довжини хвилі в хвилеводі.

5. Методика вимірювання КСХ і зсуву фази за допомогою вимірювальної лінії.

6. Методика вимірювання зсуву фази за допомогою вимірювальної лінії.

7. Методика вимірювання повного опору за допомогою вимірювальної лінії.

8. Методика визначення складових повного опору за допомогою діаграми Вольперта-Сміта.

9. Методика розрахунку середньоквадратичної похибки результатів прямих вимірюваннь.

10. Методика розрахунку середньоквадратичної похибки результатів непрямих вимірюваннь.

11. Визначте за результатами вимірювань (частоти, довжини хвилі у хвилеводі, розміру хвилевода) швидкість світла .