Приборы и методики измерений в свч-диапазоне

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Лабораторный практикум

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

УДК 621.372.8 + 621315.2/3

ББК 3 845.7 + 3 843.232

Т 38

Т 38 Техническая электродинамика: Лабораторный практикум / С. В. Грачев,
Ю. Е. Лавренко, В. Н. Малышев, В. А. Степанов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ
«ЛЭТИ», 2011, 112 с.

ISBN 978-5-7629-1160-3

Представлены описания лабораторных по первой части дисциплины «Техническая электродинамика», посвященных теории волновых процессов в длинных линиях и волноводах, теории СВЧ-цепей и СВЧ-узлов.

Предназначен для студентов радиотехнических специальностей СПбГЭТУ.

УДК 621.372.8 + 621315.2/3

ББК 3 845.7 + 3 843.232

Рецензенты: кафедра антенно-фидерных, передающих устройств и средств СЕВ ВКА им. А. Ф. Можайского; д. ф.-м. н., профессор А. П. Лавров, канд. ф.-м. н., доц. И. И. Саенко (СПбГПУ).

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru ISBN 978-5-7629-1160-3 ã СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011

ПРИБОРЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ

Плоская волна свободного пространства

Плоская волна представляется известными формулами:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.1)

где приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – орты декартовой системы координат, перпендикулярные направлению распространения волны, т. е. оси z.

Из формул (2.1) видно, что вектора напряженностей электрического приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и магнитного приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru полей взаимно перпендикулярны ( приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru ) и синфазны, отношение их модулей равно волновому сопротивлению свободного пространства: приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Продольные составляющие поля отсутствуют: приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru ; приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Такие волны называются поперечными электромагнитными волнами, Т-волнами.

Согласованная линия

Из формулы (2.28) следует условие согласования:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.29)

что означает приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru коэффициент отражения от нагрузки приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru при подстановке (2.29) в (2.28) обращается в нуль:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.30)

В этом случае приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Отношение напряжения к току на нагрузке точно соответствует отношению амплитуд напряжения и тока падающей волны. Вся мощность, переносимая падающей волной, поглощается в активном сопротивлении нагрузки приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Длинная линия согласована с нагрузкой, в ней устанавливается режим бегущей волны. Подстановка (2.30) в (2.23) и (2.24) дает:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.31)

Амплитуда напряжения вдоль линии не меняется: приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

Входное сопротивление линии в любом поперечном сечении с координатой приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , равное отношению комплексных амплитуд напряжения и тока в данном сечений линии приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru неизменно вдоль линии и равно ее волновому сопротивлению приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

Несогласованная линия

Если отрезок линии нагружен на конце на двухполюсник с сопротивлением приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru то, в отличие от (2.31), наряду с падающей волной в линии возникает отраженная волна, бегущая от нагрузки к генератору. Распределение напряжения и тока в линии равно в этом случае сумме прямой и обратной волн (2.18), (2.19) напряжений и токов соответственно. Из этих формул легко получить распределения вдоль линии модулей напряжения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и тока приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru нормированных к модулю амплитуд падающих волн приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.32)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.33)

Такой режим в линии называется режимом смешанных волн. В линии устанавливается интерференционная картина распределения модулей напряжения и тока (рис. 2.3). В тех сечениях приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru где прямая и обратная

волны складываются в противофазе приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru наблюдается минимум напряжения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и максимум тока приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru из (2.32), (2.33) легко получить:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.34)

В точках приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru фазы приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru совпадают и равны нулю. В тех сечениях приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru где прямая и обратная волны складываются в фазе приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru наблюдаются максимумы напряжения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и минимумы тока приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru из (2.32), (2.33) легко получить:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.35)

В точках приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru фазы приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru совпадают и равны нулю. Отношение модулей минимального и максимального напряжений (токов) (2.34), (2.35) называется коэффициентом бегущей волны (КБВ), а обратная величина – коэффициентом стоячей волны (КСВ):

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.36)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.37)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru
Формулы (2.36) и (2.37) являются расчетными. Из формул (2.23), (2.24) легко получить нормированные значения функций напряжения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и тока приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.38)

которые удобно представить в виде векторов на комплексной плоскости с вещественной приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и мнимой приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru осями (рис. 2.3). Модуль коэффициента отражения не зависит от приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , поэтому с ростом приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru конец вектора приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru описывает по часовой стрелке окружность радиуса приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Легко показать, что длина всей окружности соответствует приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . В процессе поворота приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru меняются модули приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru от приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru до приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Значения модулей приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru представлены в виде интерференционного распределения напряжения и тока вдоль оси линии приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . На рис. 2.3, согласно формулам (2.38), изображены три состояния векторной диаграммы:

1) при приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (на нагрузке)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

2) при приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (в точке минимума)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

3) при приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (в точке максимума)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

Коэффициент отражения по мощности – это отношение мощности, переносимой отраженной волной приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , к мощности, переносимой падающей волной приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.39)

С учетом формул (2.39) и (2.31) мощность, поглощаемая в активном сопротивлении нагрузки приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru определится как

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.40)

где приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – нормированные активное приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и реактивное приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru сопротивления нагрузки. Из (2.40) видно, что при приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (согласованная линия) вся мощность падающей волны приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru поглощается в нагрузке: приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru .

Режим стоячей волны

При подключении к концу линии коротко замыкающей перемычки (заглушки) напряжение на конце линии обращается в нуль: приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Поскольку приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru есть сумма падающей и отраженной волн: приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru напряжения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru должны быть равны друг другу по модулю и противоположны по фазе: приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Таким образом, коэффициент отражения на конце линии

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

т. е. приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru В линии устанавливается режим стоячей волны с нулем напряжения на конце (рис. 2.4). Стоячей волной называют распределение напряжений, в которых минимумы доходят до нуля. Поскольку нули повторяются через приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , они, очевидно, совпадают с «условными концами линии». Распределение модуля напряжения и тока в линии находится по формулам:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.41)

Используя (2.41), легко найти координаты условных концов:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru 2.42)

Условные концы (2.42) можно определить по положениям каретки ИЛ, соответствующим нулевым показаниям прибора (см. рис. 2.4).

Отрезки линий с подвижным короткозамыкателем называются плунжерами (ПЛ) (рис. 2.5). Модуль коэффициента отражения не зависит от приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и равен единице. Фаза коэффициента отражения на входе плунжера приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru линейно зависит от электрической длины приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru между входом и короткозамыкателем и определяется очевидной формулой:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.43)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

На рис. 2.6 изображен график изменения фазы приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru от приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru согласно формуле (2.43); период пилообразной зависимости составляет приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru .

Порядок выполнения работы

1. Установите на конце ИЛ короткозамыкатель и определите положение трех соседних условных концов линии в зависимости от частоты. Измерения достаточно провести на 3–4 частотах в пределах диапазона генератора. При изменении частоты не забывайте перестраивать резонатор ИЛ на максимум показаний. Результаты сведите в таблицу. Постройте соответствующий график.

2. Установите (по указанию преподавателя) одну из частот, на которых проводились измерения в п. 1. Выберите пару соседних условных концов, которые будут использоваться в дальнейшем при измерении коэффициента отражения различных нагрузок. Определите длину волны экспериментально.

3. Отсоедините нагрузку от конца ИЛ и экспериментально определите модуль и фазу коэффициента отражения на конце разомкнутой линии по методике из 1.4. Приведите эскиз типа рис. 1.6.

4. Подключите к концу ИЛ плунжер. При сочленении плунжера с ИЛ нужно обеспечить надежный контакт их внутренних проводников в месте стыка и затем закрепить внутренний проводник ПЛ стопорным винтом. Снимите зависимость фазы коэффициента отражения на входе ПЛ от положения его короткозамыкателя.

Установите отсчет по шкале ПЛ, равный нулю. Найдите минимум (узел) в ИЛ между выбранными ранее условными концами. Изобразите соответствующий эскиз (типа рис 1.6). По формуле (1.23) вычислите фазу приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , приведите ее к интервалу –180...180° путем выбора знака перед π в формуле (1.22). Далее переместите короткозамыкатель плунжера на расстояние порядка (0,08…0,1)l и найдите новое местоположение минимума в ИЛ. Он должен сместиться к концу ИЛ на расстояние, равное смещению короткозамыкателя. В случае не полного равенства волновых сопротивлений коаксиальных линий ИЛ и ПЛ или наличия небольшой паразитной (технологической) неоднородности в месте соединения коаксиальных линий ПЛ и ИЛ смещение минимума направления будет немного отличаться от соответствующего смещения короткозамыкателя плунжера. Найдите новое значение приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , при этом знак перед π в формуле (1.23) возьмите прежним.

В дальнейшем, смещая короткозамыкатель шагами ~ (0,08…0,1)l, определите приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru для 12–15 положений короткозамыкателя ПЛ. Приводить приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru к интервалу –180...180° не нужно. Результаты измерений и расчетов сведите в таблицу. Постройте график зависимости приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru от отсчета по шкале ПЛ. На графике отметьте те отсчеты, при которых короткозамыкатель находится на расстоянии целого числа полуволн от его входа (фаза приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru ).

5. К концу ИЛ присоедините КЗ перемычку и установите зонд ИЛ в узле стоячей волны (т. е. в условный конец). Затем к концу ИЛ подключите плунжер и перемещайте короткозамыкатель до тех пор, пока не будут достигнуты нулевые показания прибора ИЛ. Это говорит о том, что на конце ИЛ сформировался узел напряжения, т.е. короткозамыкатель ПЛ находится на расстоянии приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru от его входа. Запишите отсчет по шкале ПЛ.

6. Отключите плунжер от конца ИЛ и замените его КЗ перемычкой. Снимите распределение напряжения в ИЛ с помощью прибора для измерения напряжения.

Измерения начинаются от местоположения максимума напряжения, которое находится между двумя соседними условными концами: приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Установите каретку в положение, соответствующее отсчету приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . В этом положении максимума откалибруйте измерительный прибор. Для этого стрелку индикаторного прибора с помощью плавных регулировок поставьте на единицу.

Выберите шаг перемещения каретки вдоль ИЛ приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru округлив его до целого числа миллиметров. Перемещая каретку шагами приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru с помощью потенциометра измеряйте каждый раз отношение приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Здесь приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – показания измерительного прибора соответствующие напряжениям приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Для откалиброванного прибора приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Полное перемещение каретки возьмите порядка приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru от одного максимума до другого. Определите КБВ.

Из формулы (2.32), положив в ней приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru можно получить нормированное распределение напряжения в короткозамкнутой линии:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (2.44)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

Рис. 2.7

На одном графике постройте экспериментальную приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и расчетную (по формуле (2.44)) зависимости, совместив их максимальные значения, равные единице. Пример расчета для КБВ = 0,1 представлен на рис. 2.7.

2.12. Контрольные вопросы

1. Какова основная характеристика Т-волн в длинных линиях?

2. Какова связь поверхностного тока в стенках с полем Т-волны?

3. Что такое длина волны и как она связана с волновым числом (фазовой постоянной) в Т-волнах?

4. Какому уравнению удовлетворяется функция скалярного потенциала в поперечном сечении длиной линии?

5. Как выражается электрическое поле в Т-волне через функцию скалярного потенциала?

6. Каково соотношение между электрическим и магнитным полями в Т-волнах?

7. Что такое фазовая скорость и чему она равна?

8. Каковы предпосылки представления тока и напряжения в виде волн?

9. Что такое волновое сопротивление и чему оно равно?

10. Какова связь между коэффициентом отражения и нормированным сопротивления нагрузки и входным сопротивлением линии?

11. Каковы характеристики режима волн в линии при согласованной нагрузки? Каково при этом сопротивления нагрузки?

12. Что означает режим смешенных волн? Каковы характеристики этого режима?

13. Как выразить мощность отраженной через коэффициент отражения?

14. Каковы характеристики режима стоячей волны?

15. Что такое условные концы?

16. Назовите основной классификационный признак Т-волн и перечислите другие характерные особенности этих волн.

17. Изобразите картины силовых линий электрического и магнитного полей в двухпроводной, коаксиальной и симметричной полосковой линиях. Поясните, почему эти картины неодинаковы.

18. Как по известному полю Т-волны в линии рассчитать соответствующие ток и напряжение? Почему понятие «напряжение между проводами линии» имеет для Т-волн однозначный смысл?

19. Приведите выражения для комплексных амплитуд напряжения и тока Т-волн в функции от продольной координаты z (или x). Как изменяются модули и фазы этих комплексных амплитуд вдоль линии? Что такое волновое сопротивление линии? От чего зависит его величина?

20. Что называется согласованной линией? Как распределены напряжение и ток в такой линии в зависимости от продольной координаты? Каково входное сопротивление такой линии? Где поглощается мощность падающей волны?

21. В чем Вы видите причину появления отраженной волны в линии, нагруженной на произвольный двухполюсник? Как записываются распределения комплексных амплитуд напряжения и тока в такой линии?

22. Приведите выражения для распределения модулей напряжения и тока вдоль несогласованной линии. Опираясь на эти выражения, объясните, почему в линии устанавливаются распределения U(x) и I(x) с чередующимися максимумами и минимумами. В каких сечениях линии образуются максимумы и минимумы напряжения? Что такое КБВ и КСВ?

23. Дайте определение коэффициента отражения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Как изменяются вдоль линии его модуль и фаза?

24. Как связаны фаза коэффициента отражения в сечении x и фаза коэффициента отражения на конце линии? Как, зная коэффициент отражения на конце линии, найти его в любом другом сечении?

25. Коэффициент отражения записан в виде приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Чему равны его модуль и фаза в сечениях, где наблюдаются максимум и минимум напряжения? Как записывается в этих сечениях сам коэффициент отражения?

26. Как, зная фазу коэффициента отражения на конце линии, рассчитать расстояния между концом линии и любым из минимумов напряжения?

27. Что такое коэффициент отражения по мощности приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru ? Как он связан с коэффициентом отражения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru ? Какова мощность, поглощаемая нагрузкой, если мощность падающей волны равна 1 Вт, а модуль коэффициента отражения равен 0,2?

28. Как по известному КБВ и расстоянию между минимумом и концом линии найти коэффициент отражения нагрузки?

29. Что такое условные концы линии и как найти их положение экспериментально? Как, зная положения условных концов, найти длину волны в линии.

30. Какова последовательность действий при экспериментальном определении коэффициента отражения от нагрузки? Как обрабатываются результаты эксперимента?

31. Что такое плунжер? Чему равен модуль коэффициента отражения от его входа? Как можно изменять фазу коэффициента отражения от входа плунжера?

32. К концу ИЛ присоединена нагрузка в виде последовательно включенных: гибкого кабеля, переменного аттенюатора и заглушки. Как будет, по Вашему мнению, изменяться модуль коэффициента отражения от такой нагрузки при уменьшении затухания аттенюатора?

33. К концу ИЛ подключен плунжер; в ИЛ найдено положение минимума напряжения. Затем короткозамыкатель ПЛ сместили на расстояние Δl. В каком направлении и на сколько переместится минимум в ИЛ?

34. Каким образом следует действовать, чтобы снять по точкам распределение модуля напряжения в длинной линии?

35. Поясните, почему при введении в линию неоднородности положение минимумов и КБВ на участке между неоднородностью и нагрузкой не изменяется. Изменяются ли при этом абсолютные величины напряжений на этом участке?

ВОЛНЫ В ВОЛНОВОДАХ

Цель работы: изучение свойств волн в волноводах; измерение коэффициентов отражения от различных нагрузок волновода.

Граничные условия

Решение уравнения (3.5), т. е. определение приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru возможно при задании граничных условий на контуре L поперечного сечения волновода (см. рис. 3.1). Стенки волновода предполагаются идеально проводящими приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru с граничными условиями

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.8)

где приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – нормаль к поверхности металла; приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – касательные составляющие векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Для мембранной функции приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru граничные условия (3.8) соответственно выражаются:

для Н-волн: для Е-волн:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.9)

где приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – нормаль к линии L – контура поперечного сечения волновода (см. рис. 3. 1). Решение уравнения (3.5) с граничными условиями (3.9) позволяет определить мембранную функцию приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и поперечное волновое число приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru .

Поля в волноводе

Использование уравнений Максвелла позволяет выразить все составляющие полей через мембранную функцию приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и поперечное волновое число приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru .

для Н-волн: для Е-волн:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.10)

где приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – орт вдоль оси z, продольной оси волновода.

Таким образом, задача определения поля в волноводе сводится к решению мембранного уравнения.

Режим бегущей волны

В лабораторной работе исследуется волновой режим в волноводе, связывающем генератор и нагрузку. Рабочая частота выбирается так, чтобы в нем могла распространяться лишь основная мода приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (одномодовый режим). Если на конце волновода включена, согласованная Нагрузка, то в волноводе присутствует лишь падающая волна приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru с некоторой амплитудой С; ее поле можно представить в виде

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.32)

Модули всех компонент электрического и магнитного полей (3.32) не зависят от z, а их фазы изменяются по линейному закону. Свойствами согласованной нагрузки могут обладать самые различные волновые двухполюсники. В практике измерений на СВЧ согласованные нагрузки обычно представляют собой отрезки волновода с клинообразной поглощающей вставкой из ферроэпоксида.

Режим смешанных волн

В общем случае нагрузка, включенная на конце волноводной линии в той или иной мере отражает, так что в волноводе одновременно присутствуют падающая и отраженная волны с амплитудами приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (режим смешанных волн). Электрическое и магнитное поля этих волн могут быть записаны в виде формул (3.30). Для удобства, анализа явлений в волноводе целесообразно ввести (аналогично тому, как это сделано в длинной линии, см. 2) обратную продольную координату приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , отсчитываемую от нагрузки в сторону генератора, выразив координату z следующим образом:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.33)

где приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – длина волновода от генератора до нагрузки.

Целесообразно также, как это сделано в длинной линии (см. (2.26)), ввести понятие коэффициента отражения от нагрузки:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.34)

где приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – амплитуды падающей и отраженной волн на нагрузке (на конце волновода). Подстановка формул (3.33) и (3.34) в формулы (3.30) позволяет электрическое и магнитное поля представить в следующем виде:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.35)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.36)

где

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.37)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.38)

где приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – комплексная амплитуда напряженности электрического поля волновода; приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – комплексная амплитуда поперечной составляющей вектора напряженности магнитного поля волновода.

Из (3.35)–(3.38) видно, что продольная составляющая вектора напряженности магнитного поля распределена так, как вектор напряженности электрического поля. Сравнивая (3.35) и (3.36) с (2.24) и (2.25), можно обнаружить прямую аналогию в описании волновых явлений волновода и длинной линии.

Функция продольного распределения электрического поля приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru аналогична распределению напряжения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru в длинной линии. Распределение поперечной составляющей магнитного поля в волноводе (функция приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru ) аналогична распределению тока приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru в длинной линии. В силу этой аналогии функции приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru подчиняются тем же закономерностям, которые известны для функций приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru соответственно. Все, что сказано о распределении модулей приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru полностью относится к функциям приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (наличие максимумов и минимумов, их величины, понятия КБВ и КСВ, их связь с модулем коэффициента отражения, режимы бегущей, стоячей и смешанных волн, понятия условных концов и т. д.). При переходе от длинных линий к волноводам необходимо произвести следующие замены в соответствующих формулах, рисунках, векторных диаграммах, функциях продольного распределения амплитуд и т. п.:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru

и т. д. Коэффициент отражения в волноводе обладает теми же свойствами, что и коэффициент отражения в длинной линии. Изложенная в 2 методика измерений длины волны, коэффициентов отражения и другое полностью распространяется на волноводы.

Поэтому при подготовке к выполнению данной работы следует подробно ознакомиться с 2. Выражения из 2 перепишутся для волноводов следующим образом:

1) распределение нормированного значения модуля амплитуды электрического поля:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.39)

2) распределение нормированного значения модуля амплитуды поперечной составляющей магнитного поля приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru :

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.40)

3) КБВ, КСВ и модуль коэффициента отражения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru :

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.41)

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.42)

4) расстояние между соседними условными концами волновода:

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.43)

5) определение фазы коэффициента отражения от нагрузки приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (см. (1.23)):

приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru (3.44)

где приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – положение условного конца; приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru – положение минимума электрического поля при установке на конце волновода нагрузки.

Формулы (3.39.) – (3.42), (3.44) идентичны формулам (2.32), (2.33). (2.36), (2.37), (1.23).

Порядок выполнения работы

1. Нахождение условных концов линии и длины волны в волноводе. Установите частоту генератора, заданную преподавателем. Подключите к концу ИЛ короткозамыкающую заглушку и определите положение двух соседних условных концов линии приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Определите длину волны в волноводе приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru как удвоенное расстояние между условными концами (3.43) и сравните её с значением приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , найденным по формуле (3.19). Расхождение не должно превышать нескольких десятых миллиметра.

2. Измерение коэффициента отражения от нагрузок. Отсоедините короткозамыкатель от конца ИЛ и измерьте комплексный коэффициент отражения следующих нагрузок: 1) открытый конец волновода; 2) согласованная нагрузка; 3) некалиброванный аттенюатор с закороченным концом при нескольких положениях его поглощающей пластины. Методика измерений по 1.4. Для каждой из нагрузок приведите измеренные величины КБВ и отсчета минимума, эскиз типа рис. 1.6 и подробный расчет приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Для некалиброванного аттенюатора данные сведите в таблицу.

3. Исследование коэффициента отражения подвижной нагрузки. Подключите к концу ИЛ подвижную нагрузку и измерьте коэффициент отражения от нее при нескольких положениях поглощающего клина. Сначала установите отсчет по шкале нагрузки, равный нулю. Измерьте КБВ и рассчитайте приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Найдите минимум в ИЛ между выбранными ранее условными концами. Изобразите эскиз типа рис. 1.6, на котором особо отметьте выбранный условный конец. Условный конец удобней взять между приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и нагрузкой (концом линии). Рассчитайте по формуле (3.44) фазу приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и приведите ее к интервалу приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru посредством выбора знака перед приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Далее, переместите нагрузку на приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Положение минимума ( приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru ) в измерительной линии сместится на такое же расстояние к ее концу. На, ту же величину должна измениться и приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Рассчитайте новое значение приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , оставляя знак перед приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru в формуле (3.44) прежним. Повторите измерения для положений нагрузки, соответствующих отсчетам по ее шкале приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru Результаты сведите в таблицу. Постройте график зависимости приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru от отсчета по шкале подвижной нагрузки.

При отсутствии ошибок измерения приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru должен во всех случаях быть одинаковым, а фаза приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru должна линейно уменьшаться в зависимости от смещения нагрузки. При смещении, равном полуволне, фаза должна измениться на 360o.

4. Исследование продольного распределения поля не распространяющейся волны. Соберите схему рис. 3.9, где последовательно с линией ИЛ1 включена линия ИЛ2, имеющая размер широкой стенки, меньший нежели у линии ИЛ1. Рассчитайте критическую длину волны приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru и критическую частоту приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru ИЛ2. Установите частоту приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru генератора, на 300...400 МГц меньшую, чем приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . В этом случае волна приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru , возбужденная в ИЛ2, будет не распространяющейся. Найдите теоретическое значение константы приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru для этой волны. Настроив резонатор ИЛ2 на частоту приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru измерьте зависимость напряженности электрического поля в ИЛ2 в функции расстояния вдоль волновода начиная с сечения, ближайшего к стыку измерительных линий. В идеале это должна быть экспонента. Число точек отсчета возьмите таким, чтобы поле на интервале измерения изменилось не менее, чем в e раз. Результаты сведите в таблицу. Постройте также соответствующий график. Определите расстояние, на котором амплитуда волны уменьшается в e раз, и по этому расстоянию найдите экспериментальное значение приборы и методики измерений в свч-диапазоне - student2.ru . Сравните его с теоретическим.

3.16. Контрольные вопросы

1. Каковы основные особенности волн в волноводе?

2. Каков вид волновых уравнений?

3. Каков способ вывода мембранного уравнения?

4. Каковы граничные условия на идеальном металле?

5. Как поле в волноводе выражается через мембранную функцию?

6. Как фазовая скорость и длина волны в волноводе зависят от частоты?

7. Каковы основные параметры и свойства волн основного типа Н01?

8. Какова конфигурация силовых линий электрического и магнитного полей в прямоугольном волноводе?

9. Какова картина поверхностных токов в волноводе?

10. Каковы основные характеристики режима смешанных волн в волноводе?

11. Какова конструкция и принцип действия некалиброванного аттенюатора?

12. Какова конструкция и принцип действия подвижной нагрузки?

13. Приведете общие выражения для комплексных амплитуд электрического и магнитного полей любой волны в линии передачи. Сколько типов волн (мод) может существовать в волноводе и чем они отличаются друг от друга?

14. Каким уравнениям и граничным условиям удовлетворяют электромагнитные поля волноводных мод? На какие классы распадается все множество мод? Каковы отличительные признаки этих классов?

15. Охарактеризуйте совокупность поперечных волновых чисел волноводных мод. От чего зависят величины поперечных волновых чисел? Как они изменяются с изменением поперечных размеров волновода? Какой из мод называют волной основного типа?

16. Запишите дисперсионное уравнение. Что такое критическая частота собственной функции и как ее найти из дисперсионного уравнения? Что такое критическая длина волны?

17. Как ведут себя в зависимости от z компоненты электромагнитного поля волноводных мод на частотах больше и меньше критической (зависимость от z модулей и фаз компонент)? Почему мод на частотах ω<ωкр называют нераспространяющейся волной? Можно ли передавать мощность по волноводу с помощью нераспространяющихся мод?

18. Запишите равенства, связ

Наши рекомендации