2.2. Задачи эксперимента

В экспериментальной части работы снимаются распределения:

● амплитуд тока I(y) при Z_н=∞ (разомкнутая линия),

● амплитуд напряжения U(y) при Z_н=∞ (разомкнутая линия),

● амплитуд тока I(y) при Z_н=0 (короткозамкнутая линия),

● амплитуд тока I(y) при Z_н=R_н≠ρ (несогласованная активная нагрузка),

● амплитуд тока I(y) при Z_н=R_н≈ρ («почти согласованная» нагрузка).

2.3. Экспериментальная установка

С хема экспериментальной установки для исследования процессов в двухпроводной линии показана на рис. 10.

Волны в линии возбуждает генератор синусоидальных колебаний частотой около 100 МГц. Линия имеет длину около 4 м, так что на ней можно наблюдать не менее двух полуволн. Линия связана с генератором индуктивно, поэтому постоянной составляющей напряжения на ней нет. Координата «у» отсчитывается от конца линии по натянутой вдоль неё шкале. Размеры линии в её сечении (рис. 1): r=1.5 мм, d=82 мм; материал проводов – медь. В конце линии (у=0) к ней поочерёдно присоединяются короткозамыкающая перемычка и две нагрузки (безындуктивные резисторы) – одна «почти согласованная», а другая заведомо несогласованная. Из сопротивления указаны на их корпусах.

З амечание. Сопротивления резисторов, указанные на их корпусах, относятся к постоянному току. На высоких же частотах эти сопротивления будут существенно больше вследствие скин-эффекта (см. п. 2.1). Поэтому, если, например, волновое сопротивление линии ρ=300 Ом, то, установив в конце линии резистор с надписью «R=300 Ом», чистого режима бегущих волн мы не получим^).

Исследование распределения амплитуд напряжения и тока в линии производится стрелочным прибором – гальванометром G, который установлен на каретке, бегающей вдоль линии по стальному несущему проводу. Гальванометр можно включать индикатором как напряжения, так и тока: для этого служит переключатель «I↔U» на панели каретки. При измерении напряжения прибор имеет с линией емкостную связь, а при измерении тока – индуктивную, посредством витка, перпендикулярного полю В между проводами линии (рис. 11). В витке индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного поля в данном сечении линии, а следовательно, и амплитуде тока. В обоих случаях измерения бесконтактные. Диод служит для формирования однополярного тока через гальванометр, а конденсатор сглаживает его пульсации. Переменный резистор R_рег служит для регулировки тока через гальванометр, с тем чтобы при измерениях использовалась, по возможности, вся его шкала.

Генератор высокой частоты (ГВЧ) собран на лампах 6П15П и ГУ-32^). Лампы обдуваются вентилятором. На анодах лампы ГУ-32 и на пластинах подстроечного воздушного конденсатора напряжение 300 В (!), поэтому прикосновение к ним недопустимо.

2.4. Измерения

1. Включить генератор. Горящая на нём лампочка указывает, что напряжение на него подано. Автоматически включается охлаждающий вентилятор. Спустя 1-2 минуты генератор выходит на рабочий режим, т.е. начинается устойчивая генерация колебаний высокой частоты. На это указывает как отклонившаяся стрелка индикатора на ГВЧ, так и стрелка измерительного гальванометра G (если он не загрублён регулятором R_рег и не находится в узле).

2. Снять распределение амплитуд тока I(у) в разомкнутой линии; для этого:

● проверить разомкнутость линии на конце;

● переключатель «I↔U» на каретке перевести в положение «I»;

● подвести каретку на 50-80 см к генераторному концу линии, выставив регулятор R_рег в среднее положение, так чтобы стрелка гальванометра находилась где-то в середине шкалы;

● слегка изменяя ёмкость воздушного подстроечного конденсатора на ГВЧ, добиться наилучшего согласования генератора с разомкнутой линией: критерием этого будет максимальное отклонение стрелки гальванометра G на каретке (к самому конденсатору руками не прикасаться – на его пластинах 300 В !);

● перемещая каретку вдоль линии, остановить её в пучности тока, а затем регулятором R_рег установить стрелку гальванометра на 90-95% от максимума; после этого регулятор уже не трогать;

● перемещая каретку вдоль линии в любом направлении, снять зависимость I(y); зависимость I(y) снимается через 10-20 см, особенно уточняются координаты узлов (с точностью до 5 см), так как нули фиксируются наиболее надёжно;

3. Переведя переключатель «I↔U» на каретке в положение «U», снять зависимость U(у), выполняя вновь операции п. 2.

4. Установить в конце линии короткозамкнутую перемычку (Z_н=0) и, полностью повторяя все операции п. 2, снять зависимость I(y) для короткозамкнутой линии.

Замечание. Поскольку гальванической связи линии с генератором нет, на линии нет и постоянного потенциала. Поэтому перемычка и нагрузки подключаются к линии при работающем генераторе.

5. Установить в конце линии заведомо несогласованную активную нагрузку Z_н=R₁≠ρ и, полностью повторяя все операции п. 2, снять зависимость I(у) для режима смешанных волн. Волновое сопротивление ρ должно быть предварительно рассчитано при домашней подготовке (разд. 2.1).

6. Установить в конце линии активную нагрузку, близкую к согласованной Z_н=R₂≈ρ и, полностью повторяя все операции п. 2, снять зависимость I(у) для режима «почти бегущих волн».

7. Закончив измерения, снять с лини нагрузку, отвести каретку к генераторному концу линии и выключить генератор.