14,591 | -0,141 | 9,529 | 0,011 | 11,24 | -0,357 | 12,915 | 0,028 | 14,625 | -0,129 | 9,564 | 0,015 | 11,274 | -0,309 | 12,95 | 0,031 | 14,660 | -0,118 |
Література 1. Гінстон Е.Л. Вимірювання на сантиметрових хвилях. М., 1960 2. Н.А. Семенов. Технічна електродинаміка. М., 1973. 3. P.А. Валітов, В.М. Стрітенський. Радіотехнічні вимірювання М, 1970. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 Дослідження високочастотних Фідери Мета роботи Визначення основних електричних параметрів коаксіального кабелю і дослідження їх залежності від частоти. Загальні положення Високочастотний фідер представляє собою пристрій, призначений для передачі високочастотної енергії від передавача до антени або від антени до приймача. До фідера пред'являються наступні вимоги: 1. Втрати електромагнітної енергії, що передається по фідера повинні бути мінімальні. 2. Фідер повинен володіти достатньою електричною міцністю, тобто повинен бути розрахований на передачу необхідної потужності без небезпеки виникнення електричного пробою. 3. При передачі сигналу по фідера не повинно відбуватися спотворення сигналу 4. Фідерні лінії повинні бути вільні від антенного ефекту, тобто самі по собі не повинні випромінювати або приймати електромагнітні хвилі. 5. Фідерні лінії повинні бути зручними в експлуатації. У діапазоні метрових, дециметрових і, частково, сантиметрових хвиль цим вимогам найбільше повно відповідають коаксіальні кабелі. Основними електричними параметрами, що характеризують коаксіальний фідер є: хвильовий опір (W), коефіцієнт укорочення (ξ), коефіцієнт загасання (a). Спотворення сигналу в фідері визначаються його дисперсією, тобто залежністю фазової швидкості (V ф) від частоти. Основні співвідношення для електричних параметрів коаксіального кабелю можна встановити, враховуючи те, що довжина його в реальних пристроях НВЧ порівнянна з довжиною хвилі або більше її, внаслідок чого коаксіальний кабель може розглядатися як лінія передачі з розподіленими параметрами. У цьому випадку комплексні амплітуди напруги і струму в лінії (для хвилі типу "ТИМ") описуються рівняннями:  
 де:  комплексна амплітуда падаючої хвилі  комплексна амплітуда відбитої хвилі W - хвильовий опір лінії Z - координата уздовж лінії, яка відлічується від генератора γ - стала поширення (γ = β-j α) β - фазова постійна α - коефіцієнт загасання Фазова постійна визначається з таких співвідношень:  
де: V cp - фазова швидкість хвилі в кабелі; λ - довжина хвилі в кабелі; λ 0 - довжина хвилі у вільному просторі; ξ = λ / λ 0 - коефіцієнт укорочення хвилі. На хвилі типу "ТИМ" основні параметри коаксіальної лінії можна розрахувати, знаючи її геометричні розміри. Якщо позначити погонну індуктивність через L l, погонну ємність через З l, погонное опір через R l, а погонну витік через G l, то для основних параметрів справедливі формули:   [Ом];
  [М / с];
  [1 / м].
Параметри L l і C l для коаксіальної лінії із суцільним заповненням (рис.1) визначається за формулами:   [Гн / м]
  [Ф / м]
де:  Гн / м, ε 0 = 8.85 ∙ 10 -12 Ф / м, ε - відносна діелектрична проникність діелектричного заповнення, D - Зовнішній діаметр коаксіальної лінії, d - внутрішній діаметр коаксіальної лінії. З урахуванням (6) і (7) отримуємо:   
  , 
 Формули (8), (9), і (10) є наближеними, оскільки вони отримані без урахування втрат в лінії. Погонное опір:   [Ом / м]
 Погонна витік:
 , [См / м] де tgδ - тангенс кута діелектричних втрат діелектричного заповнення лінії. З урахуванням (5), (11) і (12) коефіцієнт загасання в лінії:   [1 / м]
Методика експериментального визначення основних параметрів коаксіального кабелю Блок-схема вимірювальної установки наведена на рис.2. Визначення параметрів кабелю проводиться шляхом спостереження зміни настройки і добротності резонансного контуру куметра, на який подається високочастотний сигнал від внутрішнього генератора, при приєднанні до нього коаксіального кабелю. Щоб зв'язати зміна настроювання і добротності контуру з параметрами кабелю, розглянемо вхідні провідність разомкнутого на кінці відрізка кабелю довжиною l. Згідно (1) вона дорівнює:  
Розкладаючи гіперболічний тангенс комплексної величини на дійсну і уявну складові, отримаємо:  
 
Рис. 1. Рис.2. Таблиця 1. Номер кабелю | Довжина кабелю (l) | f 1, (МГц) | f 2, (МГц) | 1 | 1,59 | 50 | 70 | 2 | 1,05 | 60 | 100 | 3 | 0,68 | 125 | 145 |
При малому затуханні (α → 0) формули (15) і (16) спрощуються. Дійсно: при α → 0   ,
 звідки:  
 Якщо довжина кабелю близька до половини довжини хвилі в кабелі, то:  ,  з урахуванням цього:   ;
 . Припустимо тепер, що до налаштованого на резонанс контуру куметра з добротністю  ми під'єднали досліджуваний кабель. Для того щоб знову налаштувати контур на резонанс знадобилося зміна ємності куметра:  де:  - Свідчення барабана куметра при відключеному кабелі,  - Свідчення барабана куметра при приєднаному кабелі. Добротність контуру при цьому так само змінюється і дорівнює  . Вхідний опір кабелю цьому випадку:  
 
На частоті ω 0, при якій підключення кабелю не змінює настройку (ΔС = 0):  ;   Звідси визначаємо фазову швидкість хвилі в кабелі
 і коефіцієнт укорочення:   ,
С - швидкість світла. З (20) і (21) отримаємо вирази для хвильового опору і загасання кабелю:  
 
У виразі (24): Δ ω = ω 0 - ω, де ω - частота, на якій проводиться вимірювання W (близька до резонансної частоти кабелю ω 0), Δ С - необхідне для настройки контуру з кабелем в резонанс зміна ємності. Для того, щоб зняти залежність основних параметрів від частоти, необхідно врахувати те, що при даній методиці експериментального дослідження вимірювання параметрів виробляються на резонансній частоті кабелю (ω 0), яка визначається довжиною кабелю. Отже, виробляючи вимірювання на кабелях різкій довжини, які мають різні резонансні частоти, можна отримати залежність параметрів кабелю від частоти. Порядок виконання роботи 1. Ознайомитися з принципом роботи куметра. 2. Включити куметр. 3. Для кожного кабелю в діапазоні частот від f 1 до f 2 (Дивись таблицю 1) через 2 МГц зняти залежність резонансної ємності контуру З 1 від частоти. 4. При підключеному відповідному кабелі на тих же частотах, що і в п.З визначити резонансні ємності контуру З 2. 5. Побудувати залежність Δ С від частоти. Перетин кривої з віссю абсцис дає значення резонансної частоти даного кабелю (f 0), знаючи яку можна визначити коефіцієнт укорочення (формула 23), фазову швидкість (формула 22) і хвильовий опір (формула 24). 6. Для визначення затухання кабелю встановлюють на генераторі відповідну даному кабелю частоту f 0 і визначають добротність контуру Q 1 при відключеному кабелі і Q 2 при підключеному кабелі. За добротність Q 1 і Q 2 визначається загасання кабелю (25). 7. За геометричним розмірам і параметрам діелектрика, що заповнює кабель провести розрахунок коефіцієнта укорочення (10), фазової швидкості (9), хвильового опору (8) і коефіцієнта загасання (13) на частотах, відповідних резонансним частотам кабелів. При розрахунку прийняти: D = 5 мм, d = 0,75 мм, ε = 2,3, tgδ = 3 * 10 -4 Значення довжини кабелю взяти з таблиці 1. 8. Провести порівняння розрахункових і експериментально отриманих величин. Зміст звіту 1. Схема вимірювальної установки. 2. Ескіз високочастотного кабелю. 3. Основні розрахункові співвідношення. 4. Результати експериментального дослідження кабелю. 5. Результати теоретичного розрахунку параметрів кабелю. 6. Порівняння теоретичних та експериментальних даних. Література 1. Н.А. Семенов. Технічна електродинаміка. М.: 1973. 2. І.В. Лебедєв. Техніка та прилади НВЧ. ч. I. М.: 1970. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3 ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРІОДИЧНИХ Сповільнює СИСТЕМ Мета роботи Експериментальне визначення характеристик сповільнює системи (ЗС). Загальні положення Періодичні системи широко використовуються в генераторах і підсилювальних лампах НВЧ, у прискорювачах заряджених частинок, а також в пасивних НВЧ - лініях затримки і в антеною техніці. Одним із властивостей періодичних систем є можливість одержання "повільних" електромагнітних хвиль, тобто хвиль, у яких V Ф <C. Основою для вивчення періодичних систем служить теорема Флоке: для даного типу хвилі і фіксованої частоти, поля в одному поперечному перерізі періодичної системи відрізняються від полів в іншому поперечному перерізі на відстані одного періоду (L) структури тільки комплексної постійною. Доказ теореми базується на тому факті, що якщо структуру, що має нескінченну довжину, змістити вздовж її осі на відстань, рівне одному періоду, нічого не повинно змінюватися. Запишемо електричне поле хвилі у вигляді:  
де: Е m (X, y, z) - періодична функція аргументу z з періодом L Нехай поле в точці z 1 буде одно:  відповідно, в точці z 2 = z 1 + L  але так як   отримуємо:
 Вираз (2) є математичний вираз теореми Флоке. Наслідком теореми Флоке є висновок про те, що амплітуда полів у періодичних структурах описується періодичної функцією поздовжньої координати. Враховуючи цю обставину, вираз поля (1) можна розкласти в просторовий ряд Фур'є по координаті z, тобто   ,
E mn - амплітуда просторових гармонік (гармонік Хартрі). Таким чином, електричне поле в періодичній системі описується виразом: E =  =  = 
де:  k zn = k z +2 πn / L
-Постійна поширення n - й гармоніки (k z = 2 π / λ z). Фазова швидкість n-й просторової гармоніки  
З (6) випливає, що фазова швидкість різних просторових гармонік різна і для великих n може бути дуже малою. Частота всіх просторових гармонік однакова. Фазові швидкості просторових гармонік можуть бути спрямовані в різні сторони. Якщо n> 0 гармоніка позитивна пряма (  спрямована по осі z), якщо n <0 негативна (обернена). Просторову гармоніку, для якої n = 0, прийнято називати нульовий або основною гармонікою. Ця гармоніка як правило має найбільшу фазову швидкість. Групова швидкість просторових гармонік    ,
тобто групові швидкості всіх просторових гармонік однакові і рівні групової швидкості основної гармоніки. Цього і слід було очікувати, тому що оскільки просторові гармоніки не можуть існувати окремо, а є тільки елементами розкладання даної хвилі, поняття групової швидкості в системі не можна віднести тільки до однієї з просторових гармонік. На закінчення розглянемо основні характеристики уповільнюють систем. Головною характеристикою є дисперсійна характеристика - це залежність V ф n = f (ω), а найчастіше - ω = f (k zn). Характерний вид дисперсійних характеристик діафрагмованою хвилеводів представлений на рис.1. Рис.1 На дисперсійної кривої можна визначити V ф n і V гр n. Як видно з рис.1 фазова швидкість дорівнює тангенсу кута січної в даній точці Р.  , а - групова - тангенсу кута дотичної в цій точці Р.  . Якщо дисперсійна крива має наростаючий характер (1), то V ф n і V гр n мають один напрям і дисперсія систем називається позитивною. Навпаки, якщо дисперсійна крива має падаючий характер (крива 2 рис.1). V ф n і V гр n мають протилежний зміст, у цьому випадку дисперсія називається негативною. Для характеристики сповільнює системи, як вузла електронного приладу НВЧ, вводиться ще одна величина - опір зв'язку системи - R c в n  Опір зв'язку, це фіктивна величина, яка характеризує інтенсивність взаємодії електронного потоку з полів даної сповільнює системи. Воно визначається за формулою:  ,
де: E mn - амплітуда поздовжньої складової n-й просторової гармоніки в місці, де пролітає електронний потік,  - Енергія, збережена в одиниці довжини сповільнює системи. Теоретична оцінка електродинамічних властивостей хвилеводних систем складної конфігурація зазвичай є дуже наближеною, тому основним критерієм якості уповільнюють систем є результат експериментального дослідження. Методика експериментального дослідження ЗС Експериментальне визначення дисперсії і опору зв'язку проводиться зазвичай методом холодних вимірювань (без електронного пучка) на короткозамкнених відрізках ЗС. Це так званий резонансний метод. Схема вимірювальної установки для зняття характеристик ЗС таким методом представлена на рис.2. Рис.2 На цьому малюнку: Г - високочастотний генератор В - хвилемір А - розв'язує аттенюатор ЗС - досліджувана система І - індикаторний прилад а) Вимірювання дисперсійної характеристики. При резонансних вимірах відрізок ЗС закорачивается з двох сторін і перетворюється в об'ємний резонатор з достатньо - високою добротністю.  Амплітуда стоячої хвилі, що утворюється в резонаторі, у два рази перевищує амплітуду хвилі, що біжить, а розподіл поля її відповідає розподілу біжучої хвилі в певний момент часу. Довжина відрізка ЗС (l) вибирається кратною періоду ЗС (l).
тобто   На резонансній частоті уздовж такого резонатора укладається ціле число півхвиль:
 ,  Для хвиль типу "Е", р може так само приймати значення рівне нулю. Фазовий зсув поля на один період системи (L) можна визначити як:  
Для основної гармоніки фазовий зсув на один період може набувати значення від 0 до π. Так, при N = 4 в резонаторі можуть порушуватися лише види коливань, відповідні p = 0, 1, 2, 3, 4; тобто θ = 0; π / 4; 2π / 4; 3π / 4; π. Якщо число періодів збільшити, наприклад, до шести, то можна зафіксувати сім видів коливань, відповідних p = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 і  = 0; π / 6; 2π / 6; 3π / 6; 4π / 6; 5π / 6; π. Для зняття дисперсійної характеристики необхідно встановити відповідність резонансної частоти тому чи іншому виду коливання. Якщо правильно підібрані розміри збудливою і приймальні петель зв'язку, то число відзначаються резонансів точно дорівнює N +1. Вид коливання можна ідентифікувати, якщо скористатися маленьким металевим циліндром, що переміщуються вздовж осі резонатора. Якщо циліндрик розташований в максимумі поздовжньої складової електричного поля, то, відповідно до теореми обурення максимально змінюється власна частота резонатора. Якщо циліндрик потрапляє в точку з E z = 0, то резонанс спостерігається на частоті, рівній резонансної частоті резонатора без циліндрика. Переміщуючи циліндрик по осі резонатора і відзначаючи по частотоміри число максимальних змін резонансної частоти, визначаємо число півхвиль p, тоді для основної гармоніки (n = 0):  
Побудувавши залежність резонансної частоти резонатора від k zo, отримаємо дисперсійну характеристику ЗС. Звичайно зміни резонансної частоти при використанні збурюючих тіл малих розмірів також малі, і для фіксації їх потрібні точні вимірювання частоти. У даній роботі досліджується ЕС типу «діафрагмованою хвилевід», вигляд якої зображено на рис. 3. Рис.3 Конфігурації силових ліній електричного поля і епюри поздовжньої складової поля в макеті для різних видів коливань представлені на мал.4. Рис.4 б) вимірювання опору зв'язку Згідно з визначенням для основної гармоніки  де: E mo = E m A o, A o-коефіцієнт Фур'є для основної гармоніки. У цій формулі величину k zo = 2 π / λ zo і V гр можна визначити за дисперсійним характеристиці ЗС. Отже, визначення опір зв'язку зводиться до визначення  (W ¢-енергія електромагнітного поля, запасена в одиниці довжини ЗС). Для визначення зазвичай використовує метод обурення. Метод збурення заснований на зміні резонансної довжини хвилі порожнини при малих деформаціях її об'єму V, або при введенні в досліджувану порожнину пробного тіла досить малого обсягу Δτ. Цей зсув резонансної частоти визначається теоремою Слетера:   ,
де: ΔW E і ΔW H - зміни енергії запасеної, в електричних і магнітних полях резонатора при введенні пробного тіла; W ср - середній за період коливань високої частоти запас енергії в резонаторі; К - коефіцієнт, що залежить від геометрії і електричних властивостей тіла (до → 1 при Δτ → 0). Для вимірювання R сво зручно використовувати металевий циліндрик. Оскільки для хвилі E 01 на осі системи Н = 0, то (14), якщо Δτ малий, запишеться наступним чином:   ,
звідки:  , де:  При вимірі R сво пробне тіло вводять в одну з пучностей поздовжньої електричної складової стоячій хвилі, що встановлюється вздовж закороченому відрізка ЗС при резонансі для заданого типу коливань. на одиницю довжини ЗС в (13) визначають як  . Остаточно вираз для R сво буде мати наступний вигляд:  
Оскільки визначення коефіцієнта А 0 вимагає спектрального аналізу знятої картини поля у резонаторі, що досить трудомістко, в даній роботі визначаються відносна величина:  
Як обурює тіла використовується металевий циліндрик з розмірами: діаметр = 3 мм, довжина = 7 мм. Порядок виконання роботи 1. Включити генератор НВЧ. 2. Включити індикаторний прилад В3 -38. 3. Вивести обурює тіло з резонатора. 4. Обертаючи ручку налаштування частоти генератора по відхиленню стрілки індикаторного приладу визначити резонансні частоти резонатора (у нашому випадку N = 4, отже, має бути п'ять резонансних частот). 5. На кожній частоті, переміщаючи обурює тіло по осі системи, знімається картина електричного поля, за якою визначається довжина хвилі в ЗС. 6. За отриманими даними будується дисперсійна характеристика ω = f (k zo) 7. За завданням викладача, на зазначених частотах за методикою, викладеної вище, визначається R сво / A Зміст звіту 1. Блок-схема установки. 2. Основні розрахункові співвідношення. 3. Результати експерименту (в тому числі розподіл поля). 4. Дисперсійна характеристика. 5. Розраховані за дисперсійним характеристиці залежності: v = f фо (ω); v = f гро (ω) 6. Результати вимірювання опору зв'язку. Література: 1. І.В. . Лебедєв. Техніка та прилади НВЧ. Т.1.М., 1970. 2. Н.А. Семенов. Технічна електродинаміка. М., 1973. 3. З.І. Тараненко, Я.К. Трохименко. Уповільнюючи системи. Київ, 1965. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4 ДОСЛІДЖЕННЯ ХВИЛЬ В прямокутному хвилеводі І ПОЛІВ У об'ємних резонаторів НВЧ Мета роботи 1) Дослідження дисперсійних властивостей основної хвилі (Н 10) у прямокутному хвилеводі. 2) Дослідження структури поля об'ємних резонаторів Загальні положення 1. Прямокутний хвилевід, як лінія передачі НВЧ являє собою порожню металеву трубу прямокутного поперечного перерізу і знаходить переважне застосування у верхній частині діапазону НВЧ (λ ≤ 10 см). Його переваги особливо великі в тих випадках, коли необхідно забезпечити міцність і жорсткість конструкції, мінімальні втрати енергії сигналу, високу граничну потужність, простоту і низьку вартість апаратури. Характер поширення хвиль у прямокутному хвилеводі можна визначити методом парціальних хвиль. Як відомо, напрямок і щільність потоку електромагнітної енергії визначається векторним добутком полів  і  . Вектор Умова - Пойнтінга орієнтований нормально до площини, в якій розташовані вектори напруженості цих полів. Вирішуючи рівняння Максвелла для полого хвилеводу, можна показати, що поширення хвиль можливе лише при наявності поздовжньої складової: поля або . Останнє вказує на похиле положення фронту хвилі, в площині якого знаходяться вектори і , Що є ознакою руху електромагнітної енергії під деяким кутом до осі хвилеводу. Відповідно до законів електродинаміки слід зробити висновок, що переміщення енергії вздовж хвилеводу має зигзагоподібний характер, обумовлений багатократним віддзеркаленням фронту хвилі від протилежних стінок (рис.1.) Рис.1 Хвилі подібного типу прийнято називати поперечними електричними "Н" або ("ТІ"), коли відсутня поздовжня компонента вектора , І поперечно-магнітними - "Е" або ("ТМ") хвилями, коли немає складової магнітного поля у напрямку осі. (Наявність поздовжніх складових Е z і Н z, одночасно може означати лише суперпозицію двох незалежних і самостійних хвиль "Е" і "Н"). Рух фронту хвилі завжди відбувається в напрямку перпендикулярному до його площини (тобто площині взаємного розташування векторів і ) Зі швидкістю, рівної швидкості світла в даному середовищі. Зигзагообразное поширення хвилі з тією ж швидкістю в хвилеводі має означати уповільнення її поширення в напрямку осі. Швидкість руху сигналу вздовж хвилеводу називається груповий і може бути виражена через кут нахилу фронту хвилі θ до поздовжньої осі як:  Відстань між сусідніми максимумами (гребенями) хвилі, виміряний уздовж осі, не буде найкоротшим, якщо має місце зазначений нахил фронту, тобто:  Отже, довжина хвилі в хвилеводі (λ в), яка вимірюється як інтервал між гребенях на його осі (або стінці), відрізняється від довжини хвилі у вільному просторі:  Швидкість осьового переміщення гребеня, звана фазовою швидкістю, в силу сталості частоти сигналу може бути знайдена просто:  Таким чином, швидкість сигналу і швидкість переміщення точок його постійної фази вздовж лінії (тобто швидкість точки перетину гребеня хвилі з віссю або стінкою лінії) у підлогою хвилеводі виявляються різною. При цьому мають місце співвідношення:  ,  ,  . Викладені вище міркування можна ілюструвати рис.1, де пунктирною лінією показано напрямок руху фронту плоскої хвилі. Поширення електромагнітної енергії всередині хвилеводу відбувається відповідно до законів електродинаміки, згідно яким, зокрема, тангенціальна складова електричного поля і нормальна складова магнітного поля в ідеально провідної поверхні не можуть існувати:  ;  Використовуючи цю вимогу в якості граничних умов при вирішенні рівнянь Максвелла, можна переконатися, що даної робочої довжині хвилі відповідають певні і єдино можливі швидкості її поширення у хвилеводі. Це можна тлумачити як наявність єдино можливих кутів нахилу фронту хвилі θ, при яких багаторазово відбивані гребені хвиль (змінюють полярність при кожному віддзеркаленні) в результаті інтерференції компенсують один одного у провідних стінок труби. Іншими словами, швидкість поширення сигналу (так само як і визначає її кут нахилу θ) залежить від співвідношення між робочою довжиною хвилі і поперечними розмірами лінії. Лінії, в яких швидкість розповсюдження сигналу залежить від частоти чи довжини хвилі називаються дисперсними, а хвилі типу "Е" і "Н" - дисперсними хвилями. Очевидно, що для деяких значень довжини хвилі граничні умови можуть дотримуватися тільки при дуже сильному нахилі фронту хвилі до осі, коли θ → 0. Граничний випадок - орієнтація фронту паралельно стінках - означає поперечний резонанс усередині хвилеводу, коли розповсюдження енергії вздовж осі припиняється. Це явище називається "відсіченням" хвиль, а відповідний режим хвилеводу критичним. Довжина хвилі, при якій настає відсічення, тобто припинення передачі енергії, є критичною (λ кр). Її значення, як це випливає з попередніх міркувань, залежить від поперечних розмірів хвилеводу. Якщо виразити кут нахилу фронту θ через ті ж розміри хвилеводу і робочу довжину хвилі λ, то можна отримати вирази:   ;
  ;
 . Таким чином, особливістю волноводной передачі є дисперсне поширення сигналу і існування відсічення для хвиль, довжина яких перевищує λ кр. Цей недолік хвилеводу є істотним, оскільки змушує обмежувати робочий діапазон частот для кожного з стандартних розмірів хвилеводу у межах 20 - 30% від середньої робочої частоти. Згадується вище інтерференція хвиль при їх переміщенні зигзагоподібний визначає характерну структуру в.ч. полів у поперечному перерізі хвилеводу. Можливе різноманіття цієї структури обумовлено тим, що при зміні співвідношення довжини хвилі і розмірів хвилеводу умови поширення сигналу (тобто відповідність кута граничним умовам) реалізується багато разів. Однак кожного разу буде мати місце своя, відмінна від інших, періодичність електромагнітного поля в площині поперечних координат, яка становить у загальному випадку m і n циклів. Відповідно до цього вводиться додаткова класифікація хвиль у межах кожного типу за допомогою індексів m і n: «  »І«  » Для кожної з них критична довжина хвилі λ кр має різне значення і убуває, як правило, зі збільшенням періодичності m і n. Для прямокутного хвилеводу з розмірами стінок a і b  
Залежність λ кр від типу хвилі дозволяє використовувати хвилевід при одному, основному типі хвиль, що полегшує завдання зв'язку та узгодження елементів тракту, а також виключає "ращепленіе" сигналу на складові частини з різними умовами поширення. Для цієї мети в якості основного використовується найбільш "довгохвильовий" тип хвилі має максимальну величину λ кр, а поперечні розміри хвилеводу вибираються "закритичні" для всіх інших типів хвиль, званих вищими. Методика експериментального дослідження хвиль в хвилеводі У даній роботі проводиться дослідження дисперсійних властивостей хвиль типу Н 10 в прямокутному хвилеводі за допомогою установки, блок-схема якої представлена на рис.2 Рис.2 Потужність від генератора (Г) по коаксіальному кабелю надходить на коаксіально - хвилепровідий перехід (П) і далі на вимірювальну лінію (ШВЛ). Вимірювальна волноводная лінія - являє собою відрізок прямокутного хвилеводу, у якого в середині широкої стінки прорізана подовжня щілина. Щілина не викликає спотворень поля для основного типу коливань, так як вона не перетинає шлях струмів в стінках хвилеводу. У щілину занурюється зонд. Частина силових ліній поля замикається на зонд. Зонд пов'язаний з детекторної головкою, що має два елементи налаштування: один налаштовує камеру голівки, інший - змінює зв'язок детектора з лінією. Зонд з детекторної головкою встановлений на каретці, положення якої можна реєструвати за шкалою. При русі зонда індикатор І покаже розподіл електричного поля вздовж хвилеводу. За рахунок віддзеркалень від переходів до вимірювальної волноводной лінії існує змішана хвиля. Відстань між двома сусідніми мінімумами одно λ в / 2. Характеристика детектора квадратична, тому, зокрема, відлік мінімуму виявляється більш точним, ніж відлік положення максимуму хвилі. З волноводной лінії потужність через другий перехід (П) надходить в узгоджене навантаження (Н). Для зняття дисперсійної характеристики хвилі "H" 10 (λ в = f (λ)) встановлюється довжина хвилі генератора нижче, ніж  на 0,5 - 0,6 см. визначається за формулою (3) (а = 2,3 см, b = 1,0 см). Вимірюється довжина хвилі в хвилеводі при цій довжині хвилі генератора, а також при інших довжинах хвиль (4-5 точок). Рекомендується змінювати довжину хвилі через 0,2 см у бік зменшення. II. Об'ємний резонатор є різновид коливального контуру для діапазону НВЧ. На відміну від коливальних контурів звичайного типу він виконується як певний об'єм, обмежений добре проводить поверхнею. У резонаторі, як і в LC - контурі, може здійснюватися накопичення коливальної енергії, періодично перетворюється з електричної в магнітну і навпаки. Однак цей процес зручніше розглядати, як накладення електромагнітних хвиль, багаторазово розкритих провідними стінками. На відміну від звичайного контуру тут важко виділити області переважної локалізації полів Е і Н, що характеризує резонатор як ланцюг з розподіленими постійними. Крім того, резонатор володіє не однією, а безліччю резонансних частот. Кожна з них має місце, коли співвідношення розмірів камери і довжини хвилі обумовлює синфазное накладення хвиль при їх багаторазовому відбитті від стінок. Внаслідок цього, кожної резонансної частоті відповідає певний вид коливань, що відрізняється структурою електричного і магнітного полів всередині камери. Поблизу кожної з резонансних частот поведінка резонатора має схожість з поведінкою звичайного контуру. Структуру поля в резонаторі в загальному випадку можна визначити, вирішивши рівняння Гельмгольца.  ;  . при заданих граничних умовах  Для досліджуваних у даній роботі прямокутного резонатора і циліндричного резонатора ці рівняння дають такі вирази для основних типів коливань: а) Хвиля "H 101" в прямокутному резонаторі:  ;  ;  ;  б) хвиля "E 010" в циліндричному резонаторі  ;  ;   Структура і епюри полів у резонаторах представлені на рис.3. Рис.3 Методика експериментального дослідження структур полів в об'ємних резонаторах Дослідження полів у резонаторах проводяться зазвичай по блок-схемі, представленої на рис. 4. Рис. 4. Г - генератор | Р - досліджуваний резонатор | В - хвилемір | Д. - детекторна головка | А - аттенюатор | ІП - вимірювальний прилад |
У даній роботі експериментальне визначення структури поля проводиться методом малих збурень. В основі його лежить теорема малих збурень, яка встановлює зв'язок відносної зміни частоти резонатора з обсягом, формою, матеріалом і розташуванням обурює тіла:  (3) Тут Е і Н - напруженість електричного і магнітного полів в місці розташування обурює тіла; W - електромагнітна енергія, збережена в резонаторі, Δ V - обсяг обурює тіла; f різ - резонансна частота; Δ f різ - зміна резонансної частоти Δ f = f i - f ре з (f i - резонансна частота при введенні обурює тіла); до - коефіцієнт, що залежить від форми, матеріалу обурює тіла та орієнтації його щодо електромагнітного поля; ε a і μ a - Діелектрична і магнітна проникність середовищ. Інтеграл у чисельнику відповідає різниці магнітної та електричної енергії, запасених в збуреному обсязі. Для визначення складових напруженостей електричного і магнітного полів зазвичай використовує возмущающие тіла у вигляді металевих і діелектричних голок, дисків і кульок. Напруженість електричного поля можна виміряти за допомогою металевої або діелектричної голки, розташованих паралельно силовим лініям електричного поля. Голка з металу викликає значну зміну частоти, а голка з діелектрика забезпечує більш точне вимірювання напруженості електричного поля через відсутність взаємодії з магнітним полем. Для отримання складових напруженості магнітного поля застосовують тонкі металеві диски. Однак вимірам з металевими дисками повинні передувати вимірювання з голками, оскільки диск обурює резонансну частоту в результаті дії на магнітні та електричні поля в місці його розташування. В областях резонатора з переважною напруженістю електричного поля можна як обурює тіла використовувати діелектричні або металеві кульки. У цій роботі пропонується визначити розподіл електричного поля в резонаторах за допомогою металевої голки, яка обурює переважно електричне поле. У цьому випадку вираз (6) спрощується і приймає вигляд:  звідки:  (7) При використанні малих збурюючих тіл, відходи частоти Δ f теж малі і їх фіксація скрутна, тому якісно розподіл поля в резонаторі можна побудувати по зміні показань вимірювального приладу при обурення резонатора. Порядок виконання роботи 1. Включити генератор НВЧ. 2. Включити індикаторні прилади В3 - 38 3. Розрахувати критичну довжину хвилі "Н 10" в прямокутному хвилеводі (а =- 23мм, в = 10мм), резонансну довжину хвилі "Н 101" прямокутного резонатора (а =- 7мм, в = 34мм, l = 80 мм) 4. Підключити хвилевід до генератора і, користуючись методикою викладеної вище, визначати дисперсію хвилі "H 10" в прямокутному хвилеводі - λ в = f (λ). 5. Підключити резонатори до генератора. 6. Налаштувати генератор на резонансну частоту прямокутного резонатора на типі "Н 101" і, користуючись методом малих збурень визначити розподіл поля на цьому типі коливань. Зміст звіту 1. Блок-схеми установок. 2. Основні розрахункові співвідношення. 3. Розрахункові характеристики для хвилі "H 10" в прямокутному хвилеводі: λ в = f (λ), V ф = f (λ), V гр = f (λ) 4. Порівняння розрахункових і експериментальних характеристик для хвилі. 5. Структура полів "Н 101" у прямокутному хвилеводі і резонаторах. 6. Порівняння розрахункових і експериментально виміряних розподілів поля в резонаторі і резонансної частоти резонатора. Література 1. І. В. Лебедєв. Техніка та прилади НВЧ. Т.1., М., 1970. 2. Н. А. Семенов. Технічна електродинаміка. М., 1973. ІНСТРУКЦІЯ За технікою безпеки для студентів, що виконують лабораторні роботи з курсу "Технічна електродинаміка". 1. Кожен приступає до роботи в лабораторії повинен ознайомитися зі змістом цієї інструкції і прийняти зобов'язання її виконувати. 2. Всі роботи в лабораторіях можуть проводитися тільки з дозволу викладача, який проводить заняття в даній групі або чергового лаборанта. 3. До початку роботи всі її учасники повинні детально ознайомитися зі схемою з'єднань приладів, засвоїти розташування ланцюгів та елементів схеми, звернувши особливу увагу на місце розташування вимикача живлення. 4. Включення напруги повинно проводитися однією рукою. В цей час друга рука не повинна стосуватися заземлених частин, або частин, що знаходяться під напругою. 5. У лабораторії використовуються малопотужні джерела НВЧ енергії, що представляють небезпеку для організму, особливо для очей. При тривалому опроміненні надвисокочастотної енергією невеликої потужності утворюються помутніння і катаракти очей. Для зменшення опромінення атенюатори генераторів регулюють вихідну потужність, до початку вимірювань повинні бути повністю введено. 6. Забороняється: а / залишати без нагляду працюючі установки; б / робити які-небудь перемикання і замінювати запобіжники на щитах; в / дивитися у відкритий кінець хвилеводу при працюючому генераторі. 7. Після закінчення роботи атенюатори повинні бути введені, апаратура повинна бути вимкнена. ЗМІСТ 1. Робота № 1 "Визначення електричних параметрів діелектриків хвилеводних методом". 2. Робота № 2 "Дослідження високочастотного фідера". 3. Робота № 3 "Дослідження характеристик періодичних уповільнюють систем". 4. Робота № 4 "Дослідження хвиль у прямокутному хвилеводі і полів в об'ємних резонаторах НВЧ". 5. Інструкція з техніки безпеки.
Додати в блог або на сайт
Цей текст може містити помилки.
Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Методичка
249.3кб. | скачати
Схожі роботи:
Класична електродинаміка
Іонометрія і електродинаміка
Електродинаміка Ампера
Електродинаміка кульової блискавки
Безвихорової електродинаміка математична модель
Гравітація і електродинаміка Організація живої матерії Каталітичні реакції
Технічна підготовка виробництва
Міжнародна технічна допомога
Технічна служба АТП
| 