Описание лабораторной установки и теоретическое обоснование методики измерений

Рис.3.1. Фрагмент прямоугольного волновода

Прямоугольный волновод (рис.3.1), представляющий собой металлическую трубу с прямоугольным контуром поперечного сечения, применяется для передачи электромагнитной энергии на сантиметровых и миллиметровых волнах. В большинстве практически интересных случаях размеры поперечного сечения волновода (a,b) выбираются таким образом, чтобы в нём распространялась только одна основная волна. Такой режим работы называется одномодовым.

Основной волной прямоугольного волновода (при ) является волна. Условия одномодового режима приимеют вид:, где- рабочая длина волны,,- частота. Для волновода с воздушным заполнением.

Выражения для комплексных амплитуд поля основной волны, распространяющейся в положительном направлении оси , можно представить в следующем виде:

, ,

(3.1)

где - амплитудный множитель;- постоянная распространения;- длина волны в волноводе;

- волновое сопротивление для основной волны; - волновое сопротивление среды, заполняющей волновод. Выражения для комплексных амплитуд поля основной волны, распространяющейся в отрицательном направлении оси, определяются из выражений (3.1), путём замены в нихнаина.

Если распространяющаяся по волноводу волна (рис.3.2) встречает на своём пути какую-либо неоднородность, на которой нарушается его регулярность (регулярным волноводом называется волновод бесконечной длины с неизменным по длине поперечным сечением), то она частично или полностью отражается от этой неоднородности. При этом можно считать, что в сечении волновода, в котором происходит нарушение регулярности, включена некоторая нагрузка. Вблизи нагрузки структура поля изменяется, так как кроме отражённой основной волны появляется бесконечное множество отражённых волн высших типов. Однако, в одномодовом режиме высшие типы волн быстро затухают, и на расстоянии порядка структура поля в поперечном сечении волновода практически не отличается от структуры поля основной волны.

Рис.3.2. Линия передачи СВЧ энергии на основе

прямоугольного волновода

Если сечение нагрузки волновода совпадает с плоскостью и волна распространяется от генератора к нагрузке со стороны положительных значений(в отрицательном направлении оси), то выражение для комплексной амплитуды напряжённости электрического поля представляется в виде:

,

(3.2)

где - коэффициент отражения от нагрузки.

Амплитуда напряжённости электрического поля:

.

(3.3)

Из последнего выражения следует, что при максимальное и минимальное значения амплитуды

,	(3.4)
	(3.5)

достигаются в точках

,

(3.6)

Расстояние между соседними минимумами или максимумами равно половине длины волны в волноводе

,

(3.7)

Важной характеристикой режима волновода с нагрузкой является коэффициент бегущей волны (КБВ)

,

(3.8)

где

(3.9)

– нормированная амплитуда напряжённости электрического поля.

Режим, при котором КБВ близок к единице (), называется режимом бегущей волны.

Рис.3.3. Схема лабораторной установки

Лабораторная установка (рис.3.3) состоит из медного волновода прямоугольного сечения, предназначенного для передачи электромагнитной энергии в трёхсантиметровом диапазоне волн и имеющего внутренние размеры ,. В волноводе возбуждается основная волнапри помощи электрического возбудителя, соединённого кабелем с генератором качающейся частоты ГКЧ 61.

К стенду прилагается согласованная поглощающая нагрузка, фланцы с поперечной и продольной (относительно вектора электрического поля) металлическими решётками и короткозамыкающая пластина (рис.3.4).

В установке имеется две детекторных головки, выпрямляющие высокочастотный сигнал, нагруженные на измерительный усилитель У2-8. Характеристику детектора головок можно считать квадратичной. Положение детекторных головок может изменяться с помощью соответствующих рукояток (см. рис.3.3). При этом одна из них перемещается в продольном направлении , а другая – в поперечном.

Рис.3.4. Лабораторный набор нагрузок

волновода

Продольная координата , характеризующая положение детекторной головки, отсчитывается от некоторого сечения волновода(то есть) в области регулярного режима, не совпадающего с сечением включения нагрузки (рис.3.5). В системе координат, связанной со шкалой для измерения, запишем:

(3.10)

График (3.9) в режиме короткого замыкания (,) показан на рис.3.5, из которого видно, что в рассматриваемом режиме в системе координат, связанной с сечением нагрузки, координаты минимумов кратны половине длины волны. Этим значениям соответствуют, откуда. Подставивв (3.10) и учитывая, что эта функция имеет период, запишем:

(3.11)

Рис.3.5. Нормированная зависимость амплитуды электрического поля в режиме короткого замыкания

Полученное выражение позволяет экспериментально определять коэффициент отражения при различных нагрузках:

,	(3.12)
,	(3.13)

где - положение первого минимума в режиме произвольной грузки.