Элементы волноводного тракта, используемые в работе

Некалиброванный аттенюатор. По своему прямому назначению аттенюатор является проходным элементом с регулируемым затуханием.

Конструктивно он выполнен в виде отрезка волновода, в который введена тонкая керамическая пластина с нанесенным на нее поглощающим (проводящим) слоем (рис. 3.7). Волна, проходящая по секции с пластиной, будет терять в ее поглощающем слое часть своей мощности. Затухание волны , будет тем сильнее, чем больше продольный размер пластины. Регулировать значение затухания можно в довольно широких пределах, перемещая пластину поперек волновода. Максимальное затухание получится, когда пластина находится в максимуме электрического поля волны если же она прижата к боковой стенке, значение минимально (обычно доли децибел).

В лабораторной работе некалиброванный аттенюатор подключается входом 1 к концу ИЛ; вход 2 при этом закорочен заглушкой. Коэффициент отражения на входе 1 можно изменять, перемещая пластину поперек волновода. Таким образом, аттенюатор используется как регулируемая нагрузка.

Подвижная нагрузка. Среди элементов измерительных установок СВЧ полезно иметь нагрузку с регулируемой фазой коэффициента отражения. Она выполнена на основе волноводного плунжера, на короткозамыкающей заглушке которого укрепляется небольшой поглощающий клин (рис. 3.8). Волна падающая на этот клин, при распространении по отрезку А претерпевает некоторое (небольшое) поглощение, а затем отражается от заглушки и снова проходит отрезок А. В результате поглощения в клине модуль коэффициента отражения такой нагрузки меньше 1. Перемещая короткозамыкатель, а вместе с ним и клин, комплексный коэффициент отражения, отнесенный к входному сечению 1, можно плавно изменять по фазе. Очевидно, при смещении короткозамыкателя на от входа фаза получит приращение

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 Определите длину волны в волноводе как удвоенное расстояние между условными концами (3.43) и сравните её с значением , 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 и . 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 . 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 и нагрузкой (концом линии). Рассчитайте по формуле (3.44) фазу и приведите ее к интервалу посредством выбора знака перед . Далее, переместите нагрузку на Положение минимума ( ) в измерительной линии сместится на такое же расстояние к ее концу. На, ту же величину должна измениться и Рассчитайте новое значение , оставляя знак перед в формуле (3.44) прежним. Повторите измерения для положений нагрузки, соответствующих отсчетам по ее шкале Результаты сведите в таблицу. Постройте график зависимости от отсчета по шкале подвижной нагрузки.

При отсутствии ошибок измерения должен во всех случаях быть одинаковым, а фаза должна линейно уменьшаться в зависимости от смещения нагрузки. При смещении, равном полуволне, фаза должна измениться на 360^o.

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 и критическую частоту ИЛ2. Установите частоту генератора, на 300...400 МГц меньшую, чем . В этом случае волна , возбужденная в ИЛ2, будет не распространяющейся. Найдите теоретическое значение константы для этой волны. Настроив резонатор ИЛ2 на частоту 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 . 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<ω_кр называют нераспространяющейся волной? Можно ли передавать мощность по волноводу с помощью нераспространяющихся мод?

18. Запишите равенства, связывающие длину волны и фазовую скорость волноводного распространяющейся моды с ее поперечным волновым числом, волновым числом среды и частотой. Покажите, что λ_в>λ и v_ф>с.

19. Изобразите конфигурацию силовых линий полей и мода Н₀₁ в произвольный момент времени. Как изменяется картина силовых линий этой моды во времени? Чему равны: поперечное волновое число волны H₀₁, ее критическая частота и критическая длина волны? Как, зная длину волны в свободном пространстве λ, рассчитать длину волны в волноводе λ_z?

20. Почему поле любой волноводной моды можно определить лишь с точностью до постоянного множителя? Что такое эталонная волна данной моды?

21. Как связаны друг с другом одноименные компоненты полей эталонных волн противоположных направлений распространения для мода Н₀₁? Изобразите эпюры, показывающие, как изменяются эти компоненты вдоль широкой и узкой стенок волновода.

22. Что такое одномодовый режим в волноводе? Запишите распределение полей в волноводе, нагруженном на согласованную нагрузку (через поля эталонных волн). Как устроены оконечные согласованные нагрузки, используемые в измерениях на СВЧ? Какие меры принимают, чтобы придать свойства согласованных нагрузок другим потребителям мощности СВЧ?

23. Приведите выражения для модулей продольного распределения электрического поля, поперечной и продольной составляющих магнитного, поля в несогласованном волноводе. Опираясь на эти выражения, объясните, почему в волноводе устанавливаются распределения с чередующимися максимумами и минимумами. В каких сечениях волновода формируются максимумы и минимумы? Что такое КБВ и КСВ?

24. Дайте определение коэффициента отражения в волноводе . Как изменяются вдоль волновода его модуль и фаза?

25. Как связана фаза коэффициента отражения в сечении с фазой коэффициента отражения на конце линии и расстоянием от сечения до конца линии? Как, зная коэффициент отражения на конце линии, найти его в любом другом сечении?

26. Коэффициент отражения записан в виде . Чему равны его модуль и фаза в сечениях, где наблюдаются максимум и минимум электрического поля? Как записать в этих сечениях сам коэффициент отражения?

27. От чего зависит коэффициент отражения волноводной нагрузки? Как по известному КБВ и расстоянию между минимумом электрического поля и концом линии найти этот коэффициент отражения?

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

29. Какова последовательность действий при экспериментальном определении коэффициента отражения нагрузки? Как обработать результаты эксперимента?

30. Каким образом вводится в теории волноводов понятие нормированного входного сопротивления (проводимости)? Являются ли эти понятия первичными?

31. Докажите, что коэффициент отражения от металлической заглушки, установленной поперек волновода, равен –1. Поясните, почему волновод с открытым концом не эквивалентен длинной линии?

32. Изобразите эскиз аттенюатора с поглощающей пластиной и объясните его принцип действия.