4. Методика экспериментального сследований

СТРУКТУРЫ ПОЛЯ В ВОЛНОВОДЕ

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ВОЛН

Волна типа в волноводе характеризуется тремя составляю­щими поля. Две поперечные (электрическая и магнитная) и одна про­дольная (магнитная). Значения всех составляющих волны взаимо­связаны (см.разд.1). Такая же взаимосвязь существует и у волны . Вследствие этого для определения структуры поля в волноводе доста­точно определить одну из этих составляющих поля.

В диапазоне СВЧ, где волноводы используются в качестве линий передачи, при экспериментальных исследованиях применяется измерительная линия. Она состоит из отрезка волновода, в продольном нап­равлении которого в центре широкой стенки прорезана длинная узкая щель (рис.4.1,а).

Рис.4.1

Через щель внутрь волновода (см.рис.4.1,6) вводится зонд, ко­торый представляет собой металлический штырь. Зонд, ориентирован параллельно вектору поперечной составляющей электрического поля. Вследствие этого в зонде наводится ЭДС, которая пропорциональна, величине напряженности электрического поля. Таким образом, становит­ся ясно, что при анализе структуры поля в волноводе измеряется рас­пределение поперечной составляющей электрического поля. Наведенная ЭДС вызывает ток в электрической цепи, в которую включен полупроводниковый диод (см.рис.4.1,б). Если СВЧ-сигнал не модулирован, то с выходных зажимов измерительной головки снимается постоянная составляющая тока, индикация которого производится

микроамперметром. Этот способ измерения мало чувствителен и поэтому на практике при­меняется редко. Для повышения чувствительности вводимое в измерительную линию поле предварительно модулируют го амплитуде. Полный измерительный комплекс представлен на рис.4.2.

Рис.4.2

Здесь 1 - генератор СВЧ, сигнал которого амплитудно-модулирован частотой 1000 Гц; 2 - коаксиально-волноводная секция для возбуждения поля в волноводе; 3 - измерительная линия; 4 - линейная шка­ла; 5 - перемещающаяся вдоль щели измерительная головка; 6 - отре­зок волновода с переменной нагрузкой; 7 - измерительный усилитель, настроенный на частоту 1000 Гц.

Нагрузку волновода, равную волновому сопротивлению ( ), принято называть согласованной. Технически она выполняется на осно­ве введения в волновод поглощающего материала, состоящего из смеси графита и цемента.

Вся энергия электромагнитного поля, проникшая в поглощающий

материал, обращается в тепло. Для предотвращения отражений от согласованной нагрузки ее выполняют в виде пологого клина (рис.4.3). Чем острее клин, тем лучше получается согласование. При согласованной нагрузке ( ) электрическое поле в продольном направ­лении будет постоянным (см.разд.2), КСВ = КБВ = 1,0.

Режим стоячей волны возникает в волноводе при закорачивании конца волновода металлической пластиной ( ). На рис.2.2 пред­ставлена мгновенная картинка распределения эквивалентного напряже­ния. С учетом времени это распределение записывается следующим об­разом:

(4.1)

На рис.4.4 представлены мгновенные распределения стоячих волн в различные моменты времени.

Рис.4.4

Экспериментально распределение стоячей волны может быть изучено с помощью измерительной линии. Но поскольку в ней продольная щель прорезана в середине широкой стенки волновода, то эксперимен­тальное определение распределения составляющей электрического поля может быть осуществлено только для волн типа Волна же типа , в центральном продольном сечении имеет нулевое значение электрического поля. При этом следует отметить, что полупроводниковый

одностороннюю проводимость, поэтому измерительный усилитель (рис.4.2) будет давать показания по верхним (или нижним) полувол­нам стоячей волны. Стоячие волны имеют КСВ = ∞ , а КБВ = 0.

В режиме стоячих волн можно определить длину волны в волново­де. Для этого следует по шкале 4 (см.рис.4.2) измерить расстояние между двумя минимумами и умножить его на два. При разомкнутом вол­новоде в нем устанавливается смешанный режим волн. Нагрузкой волновода в этом случае является комплексное сопротивление. Для опре­деления характера и величины нагрузки используем формулу (2.11).

Рис.4.5

В этой формуле под следует понимать сопротивление в любом сечении волновода. Для последующих расчетов удобнее взять сечение, где входное сопротивление является активным. Эти сечения проходят через максимум или минимум распределения напряжения смешанного ре­жима волн (рис.4.5). В этих сечениях нормированное входное сопротивление соответственно равно КСВ, КБВ (см.формулы (2.15), (2.16)).

Значения КСВ и КБВ определяются с помощью измерительного комп­лекса. Обычно предпочтение отдают сечению минимума напряжения, так как его положение ( Zо ) определяется с большей точностью, чем по­ложение максимума. Это сечение берется за начало отсчета и строит­ся ось . Если известно расстояние Zо , то значение нагруз­ки, соответствующей разомкнутому волноводу, определится по следующей формуле:

(4.2)

При определении расстояния от сечения минимума до сечения разомкнутого волновода возникает сложность измерения Zо. На практике производят перенос сечения разомкнутого волновода в область нахождения щели ( L ) измерительной линии. Для этого создают короткое замыкание в конце волновода и в нем устанавливается режим стоячей волны. Ближайший минимум стоячей волны, отсчитываемый от минимума распределения смешанного режима волн, будет отображать характер нагрузки в сечении разомкнутого волновода. Минимум стоя­чей волны следует брать тот, который расположен ближе к сечению разомкнутого волновода.

Н а рис.4.5 расстояние между соответствующими минимумами рав­но . Исходной формулой для расчета является (4.2), но сюда только вместо Zо следует подставлять . Если в формуле(4.2) устранить комплексность в знаменателе, то получим следующие выра­жения для расчета активного и реактивного сопротивлений нагрузки в сечении разомкнутого волновода:

(4.3)

(4.4)

где - фазовая постоянная.

Для измерения распределения электрического поля в поперечном сечении волновода в нем прорезана поперечная щель, которая на рис.4.1,а показана пунктиром. Техническое оснащение этой щели та­кое же, как и продольной.

Чтобы создать в волноводе режим волны , необходимо устано­вить длину волны генератора так, чтобы удовлетворялось неравенство . Данное неравенство не исключает возможность возник­новения волны (см.рис.1.5).

Создать в волноводе только волну практически не удается, так как реальный измерительный комплекс всегда имеет неоднородно­сти в виде фланцевых соединений, поперечной щели и т.п. Как извест­но, поперечная составляющая электрического поля волны в облас­ти продольной щели имеет значение, равное нулю (см.рис.1.11 ). Поскольку в волноводе будет присутствовать волна , то при коротком замыкании из распределения стоячей волны можно определить вол­ну . При разомкнутом волноводе в нем будет существовать режим смешанных волн. Определить характер и величину нагрузки для смеси волн по выше приведенным формулам невозможно. В поперечном сечении измеренное распределение электрического поля будет состоять из смеси волн к тому же соотношение меж­ду их амплитудами заранее предсказать невозможно.

. 5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ

РАБОТЫ.