В волноводе и в коаксиальной линии передачи
Цели работы. Ознакомление с законами распространения СВЧ-сиг-налов в ограниченных средах (коаксиальной и волноводной регулярных линиях передачи). Получение практических навыков измерения СВЧ-сигналов.
Основные положения
Фазовая скорость (vф) и длина волны (λв) в линии передачи могут отличаться от соответствующих величин для свободного пространства (c; λв). Из анализа дисперсионных уравнений можно получить:
где λкр– длина волны в свободном пространстве; εr, μr– относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; λкр– критическая длина волны в линии передачи; с – скорость света в вакууме.
Для линий с воздушным заполнением εr= μr=1 и
Наиболее распространенными типами линий передач в СВЧ-диапазоне являются коаксиальная линия и прямоугольный волновод.
Коаксиальная линия передачи. В коаксиальной линии (рис. 1.1, а) могут распространяться волны как дисперсионного, так и бездисперсионного типов. Волной бездисперсионного типа является ТЕМ-волна, для которой λкр= ∞ и λв= λ0.
Структура поля ТЕМ волны показана на рис. 1.1, б. ТЕМ-волна является основной для коаксиальной линии.
Прямоугольный волновод. В прямоугольном волноводе (рис. 1.2, а) могут распространяться только волны дисперсионного типа Hтри Eтр.Для них
,
где a, b – поперечные размеры волновода.
Наименьшую величину λкримеет волна H10(волн типов Eт0и E0nне существует), называемая основной модой. Структура поля волны H10 показана на рис. 1.2, б.
Длину волны λкри частотную дисперсию легко измерить, создавая стоячую волну. Для этого можно, например, расположить в поперечном сечении волновода проводящую стенку (короткое замыкание – КЗ) или образовать в каком-то сечении режим холостого хода (ХХ). Эпюры Еполя приведены на рис. 1.3: а – в режиме короткого замыкания и б – в режиме холостого хода. Для КЗ Г равен –1, для ХХ Г равен +1 (Г – коэффициент отражения).
Описание лабораторной установки
 |
Блок-схема лабораторной установки показана на рис. 1.4. Основным узлом установки является измерительная линия, представляющая собой отрезок соответствующей линии передачи, по которой скользит каретка зонда, связанная с измерительной линейкой. Индикатор позволяет определить положение максимумов и минимумов стоячей волны.
Коаксиальная измерительная линия (рис. 1.5) представляет собой цилиндрический проводник, расположенный между плоскопараллельными наружными пластинами. Такая линия является бездисперсионной, и структура полей в ней близка к структуре полей в коаксиальной линии.
Волноводная измерительная линия (рис. 1.6) представляет собой отрезок прямоугольного волновода соответствующего сечения (дисперсия волн в прямоугольном волноводе требует применения различных измерительных линий в разных диапазонах частот).
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему:
§ соединить СВЧ-кабелем выход генератора и вход измерительной линии;
§ телевизионным кабелем соединить выход головки детектора и вход усилителя осциллографа.
2. Включить генератор и осциллограф. Дать прогреться приборам в течение 5 мин.
3. Установить режим работы генератора . Ручкой «MHz» установить нужную частоту f.
4. Установить пределы измерения на осциллографе 1 мВ/см; 0.5 мс/дел.
5. Получить изображение меандра на экране осциллографа:
§ установить ручкой нониуса каретку зонда измерительной линии в среднее положение;
§ ручками настройки получить меандр с амплитудой 2..3 деления осциллографа.
6. Вращая ручку нониуса измерительной линии, отыскать 3 – 4 максимума стоячей волны.
7. Проделать операции пп. 3 – 6 в диапазоне частот 2.5…4.0 ГГц через 100 МГц на коаксиальной и на волноводной линиях. Результаты занести в таблицу.
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Теоретические сведения.
3. Блок-схема измерений.
4. Результаты измерений, сведенные в таблицу.
5. Графики λв= F(f) (измеренные и рассчитанные по формулам) для коаксиальной и для волноводной линий.
6. Выводы.