Оформление отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1. Название и цели лабораторной работы;

2. Схему и описание лабораторной установки;

3. Результаты измерений в виде таблиц и графиков.

4. Сравнение полученных результатов с теоретическими и указание возможных причин их расхождения.

Контрольные вопросы

1. Какие типы электромагнитных волн могут распространяться в волноводе?

2. Какая волна в волноводе называется основной?

3. Какие волны в волноводе называются вырожденными?

4. Каковы условия распространения в волноводе волны того или иного типа?

5. Как нужно выбрать рабочую частоту, чтобы в данном прямоугольном волноводе распространялась только одна основная волна?

6. Каково распределение электрического и магнитного полей основной волны в поперечном сечении прямоугольного волновода?

7. Какова картина распределения токов на стенках прямоугольного волновода при распространении основной волны?

8. Как создать в волноводе режим бегущей (стоячей) волны?

Лабораторная работа №4

Исследование собственных полей

цилиндрического резонатора

Цель работы:

1. ознакомление с некоторыми способами возбуждения собственных полей различных типов в цилиндрическом резонаторе;

2. ознакомление с методикой измерения плотности поверхностного тока и поверхностного заряда на оболочке резонатора;

3. исследование распределения заряда и тока на боковой поверхности резонатора при возбуждении полей и.

Методика измерений и описание лабораторной установки

Рис.4.1. Резонатор

Идеальный цилиндрический резонатор представляет цилиндрический объём, заполненный идеальным диэлектриком, ограниченный идеально проводящей оболочкой. Поскольку оболочка резонатора состоит из координатных поверхностей:,,(рис.4.1), то решение граничной задачи электродинамики о собственных полях резонатора может быть получено методом разделения переменных в цилиндрической системе координат. Используя это решение, а также граничные условия на поверхности идеального проводника, устанавливающие связь между напряжённостью магнитного поляи поверхностной плотностью токаи между индукцией электрического поляи поверхностной плотностью заряда:

,

(4.1)

получим следующие выражения для относительных амплитуд поверхностной плотности заряда продольной и поперечной составляющих плотности тока на боковой поверхности резонатора:

- для полей типа ():

, , ;

(4.2)

- для полей типа ():

, , ;

(4.3)

где - значения координати, при которых амплитуды принимают максимальные значения.

Существует ряд способов возбуждения поля заданного типа в резонаторе. В качестве возбуждающих элементов применяются: электрический излучатель в виде штыря, магнитный излучатель в виде отверстия или щели в оболочке резонатора. Штырь помешают в пучность электрического поля вдоль силовых линий вектора . Петлю помещают в пучность магнитного поля так, чтобы плоскость петли была перпендикулярна силовым линиям вектора. Например, для возбуждения поляштырём его можно ввести через отверстие (с изолированной втулкой) в торцевой стенке резонатора. Щели прорезаются в пучности поверхностного тока, перпендикулярно поверхностной плотности тока.

Частота возбуждения цилиндрического резонатора с воздушным заполнением рассчитывается по формулам:

- для поля ,	(4.4)
- для поля ,	(4.5)

где - радиус резонатора,- длина резонатора,- скорость света.

Методика измерений относительных амплитуд составляющих векторов поля в резонаторе аналогична методике, применяемой при исследовании поля элементарных излучателей, изложенной в методических указания к лабораторной работе №2.

Для снятия распределения поверхностного заряда на оболочке резонатора нужно снять распределение нормальной к поверхности составляющей напряжённости электрического поля , используя электрический зонд в виде штыря. Для снятия распределения тока вдоль заданной координаты нужно снять распределение перпендикулярной этому току составляющей вектора, используя магнитный зонд в виде петли. Указанный способ измерения составляющих плотности тока и плотности заряда следует из граничных условий (4.1). Вставляя зонд в оболочку резонатора, измеряют относительную амплитуду плотности заряда, продольную составляющую плотности тока, поперечную составляющую плотности тока.

При изменении ориентации или смене зонда нужно производить подстройку частоты генератора.

Рис.4.2. Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки представлена на рис.4.2. Высокочастотный сигнал с генератора Г4-80 подаётся на возбуждающий элемент, который вводится в полость резонатора через отверстие в центре торцевой стенки. При возбуждении поляв качестве возбуждающего элемента используется штырь, а при возбуждении поля- петля, которая ориентируется так, чтобы осьбыла перпендикулярна её плоскости. Возбуждающий элемент может вращаться, что позволяет снимать распределение тока и заряда по угловой координате. При этом шкала для измерения угла, расположенная на торцевой стенке резонатора, градуируется так, что приточка измерения поля находится в плоскости.

Приёмный зонд вводится в полость резонатора через продольную щель в боковой поверхности. Сигнал с кристаллического детектора зонда подаётся на измерительный усилитель У2-8. Зонд может перемещаться на подвижной каретке, что позволяет снимать распределение тока и заряда по продольной координате .

Зонд в виде петли, предназначенный для измерения относительной амплитуды составляющих плотности тока может устанавливаться в двух положениях:

1. для измерения продольной составляющей ;

2. для измерения поперечной составляющей .

При измерении плоскость петли проходит через ось, при измеренииплоскость петли перпендикулярна оси.

Порядок выполнения работы

1. Возбудить в резонаторе поле для заданного преподавателем значения числа. Для этого:

– рассчитать собственную частоту по формуле (4.4) (размеры резонатора,);

– собрать установку с возбуждающим элементом в виде штыря и приёмным зондом в виде штыря;

– установить частоту генератора, равную собственной;

– установить на шкале для измерения угловой координаты значение, а на шкале для измерения продольной координатызначение;

– включить генератор и измерительный усилитель, дать им прогреться в течении 5 мин. Плавно изменяя частоту генератора, подстроить его по максимальному показанию стрелочного прибора измерительного усилителя, выбрать пределы измерений последнего так, чтобы указатель стрелочного прибора находился в конце шкалы.

2. Подготовить таблицу измерений (табл.1), в строки которой заносятся значения , показания стрелочного прибора, значения относительной амплитудыи. Исследовать распределение зарядаот продольной координаты, перемещая приёмный зонд вдоль резонатора с шагом. Результаты измерений занести в табл.1.

3. Установить в резонаторе измерительный зонд в виде петли в положение для измерения составляющей . Исследовать распределение продольного тока от продольной координаты. Результаты измерений внести в табл.2, аналогичную табл.1.

4. Возбудить в резонаторе поле для заданного преподавателем числа. Для этого:

– рассчитать собственную частоту по формуле (4.5) (размеры резонатора,);

– собрать установку с возбуждающим элементом в виде петли и приёмным зондом в виде петли, установленной в положение для измерения поперечной составляющей плотности тока ;

– установить частоту генератора, равную собственной;

– установить по шкале для измерения угловой координаты значение, а на шкале для измерения продольной координатызначение;

– плавно изменяя частоту генератора, подстроить его по максимальному показанию стрелочного прибора измерительного усилителя, пределы измерения которого выбрать так, чтобы указатель стрелочного прибора находился в конце шкалы.

5. Исследовать распределение поперечного тока от продольной координаты. Результаты измерений внести в табл.3, аналогичную табл.1.

6. Исследовать распределение поперечного тока от угловой координатыпри, изменяя уголв пределахс шагом. Результаты измерений занести в табл.4, аналогичную табл.1.

7. Установить приёмный зонд в положение для измерения продольной составляющей плотности тока . Исследовать распределение продольного токапо угловой координатепри. Результаты измерений внести в табл.5.

8. Установить приёмный зонд в виде штыря для измерения относительной амплитуды плотности заряда . Исследовать распределение заряда от угловой координатыпри. Результаты измерений занести в табл.6.

9. Используя формулы (4.2) и (4.3), рассчитать теоретические значения исследуемых зависимостей. Результаты расчёта занести в соответствующие строки табл.1-6. Построить графики полученных экспериментальных и теоретических зависимостей.

Оформление отчёта

Отчёт должен содержать:

1. Название и цели лабораторной работы.

2. Результаты расчёта собственных частот резонатора.

3. Схему лабораторной установки и схемы взаимного расположения возбуждающего элемента и приёмного зонда при выполнении пунктов 2,3,5.

4. таблицы с результатами измерений и расчёта распределения заряда и тока;

5. графики полученных экспериментальных и теоретических зависимостей;

6. выводы по работе с указанием причин возможного расхождения экспериментальных результатов с теоретическими.