Содержание отчета

1. Схема лабораторной установки.

2. Результаты измерений длины волны в волноводе, расчет длины волны в волноводе и частоты, на которую настроен генератор.

3. Градуированная характеристика детектора.

4. Расчет полного сопротивления нагрузки.

5. Краткая сводка результатов всех проведенных измерений и расчетов.

6. Выводы по полученным результатам.

Контрольные вопросы

1. Что такое измерительная линия? Что определяют с помощью измерительной линии? Устройство и принцип действия измерительной линии.

2. Пределы модуля коэффициента отражения, КСВН и КБВ, связь между этими коэффициентами. Каким режимам в измерительной линии соответствуют их предельные значения?

3. В результате чего в измерительной линии устанавливается картина стоячих волн?

4. Чему равен период структуры полей стоячих волн в измерительной линии?

5. Волна типа H₁₀ в прямоугольном волноводе, векторы и , поверхностные токи. Почему щель в измерительной линии располагается посередине широкой стенки?

6. Эпюры токов и напряжений в линии при различных нагрузках.

7. Доказать, что нормированное сопротивление в сечении, в котором расположен минимум стоячей волны, равно КСВН.

8. Какую компоненту стоячих электромагнитных волн мы измеряем с помощью зонда, представленного на рис. 1.1?

9. Каковы источники основных погрешностей измерений в измерительной линии?

10. Как и для чего производится градуировка измерительной линии?

11. Как определяется фазовый угол коэффициента отражения от нагрузки?

Лабораторная работа № 2 исследование прямоугольного металлического волновода

Цель работы: экспериментальное исследование электрического и магнитного полей волны H₁₀ в прямоугольном металлическом волноводе.

Краткие теоретические сведения

В работе проводится исследование поля волны H₁₀ в прямоугольном волноводе (рис. 2.1), изучается распределение напряженностей электрического и магнитного полей в поперечном сечении волновода, определяются картины поля и токов.

Рис. 2.1. Прямоугольный металлический волновод.

1. Определение рабочего диапазона и длины волны в волноводе (п. 1 расчетного задания, п. 3 лабораторного задания).

Для оценки диапазона волн, в котором волновод может быть применен при использовании волны типа H₁₀ в чистом виде, нужно воспользоваться условием единственности существования волны этого типа: 2а>λ>а; λ>2b. Необходимо уметь выводить данное условие (см. [1], стр. 146−150), зная, что критическая длина волны H₁₀ равна и распространение электромагнитной волны в волноводной системе возможно только при . Следует четко себе представлять, что такое фазовая скорость, длина волны в волноводе, критическая частота, простейшие типы волн и соответствующие конфигурации полей. Нужно помнить, что в прямоугольном волноводе длина волны больше длины волны λ в свободном пространстве.

2. Исследование распределения поля в волноводе (п. 2 расчетного задания, п. 4, 5 лабораторного задания).

Построение картин поля в прямоугольном волноводе можно провести по методике, предлагаемой в [1], стр. 150−158.

Для исследования распределения поля в поперечном сечении волновода необходимо определить составляющие поля. Их можно получить из выражений для поля волн магнитного типа , приведенных в [1], стр. 139−146.

В качестве примера запишем выражения для составляющих электромагнитного поля волны H₁₀ (m=1, n=0):

(2.1)

Здесь − это амплитудный коэффициент; − продольное волновое число.

При построении графиков распределения поля в сечении волновода следует использовать нормированный масштаб по оси ординат. Нормировка проводится по максимальному значению функции.

Рассмотрим пример получения нормированной зависимости составляющей электрического поля волны H₁₀ от x . Пользуясь соотношениями (2.1), запишем выражение для модуля комплексной амплитуды электрического поля в виде:

,

где .

Тогда нормированная зависимость имеет вид:

.

Построение полученной зависимости не вызывает трудностей.

3. Построение картин распределения токов в стенках волновода (п. 3 расчетного задания).

Для этого необходимо знать вектор поверхностной плотности тока проводимости . Величина и направление определяются из граничных условий для тангенциальных составляющих магнитного поля у идеального металла по формуле:

(2.2)

Здесь − вектор магнитного поля у стенки волновода; − нормаль, направленная к поверхности из металла.

4. Определение типа щели (излучающая или неизлучающая) в волноводе с волной заданного типа (п. 3 задания, выполняемого при подготовке).

Здесь необходимо провести исследование распределения поверхностных токов на стенках волновода согласно (2.2). В волноводной технике щелью называют прямоугольное отверстие, длина которого значительно превосходит ширину. Если щель пересекает линии поверхностного тока, то она – излучающая. Если щель прорезана параллельно линиям тока, то она является неизлучающей. В качестве примера на рис. 2.2. на стенках прямоугольного волновода с волной H₁₀ изображены излучающие (1, 3) и неизлучающая (2) щели.

Рис. 2.2. Излучающие и неизлучающие щели.

При выполнении задания в лаборатории необходимо помнить, что волну в волноводе можно возбудить:

а) проводником (штырем) с током, расположив его вдоль направления вектора напряженности электрического поля в тех местах, где это поле должно иметь максимальное значение;

б) рамкой (петлей) с током, поместив ее в волноводе там, где напряженность магнитного поля должна быть максимальной. Плоскость рамки необходимо ориентировать перпендикулярно магнитным силовым линиям;

в) щелью, которую необходимо прорезать перпендикулярно силовым линиям тока, протекающего по стенкам волновода. На щели с помощью внешнего источника должно быть создано электрическое поле, силовые линии которого продолжали бы линию тока.

Обычно волновод на одном конце линии закрывается проводящей стенкой (подвижным поршнем), вследствие чего передача энергии происходит только в одну сторону. Величина мощности, отдаваемой источником в волновод (интенсивность возбуждения), зависит от расстояния z₀ между возбуждающим элементом и поршнем (п. 2 задания, выполняемого в лаборатории).

Наибольшая интенсивность возбуждения получается, если расстояние , где m − любое целое число, в том числе и ноль. Согласно теореме взаимности, конструкции устройств, используемых для извлечения энергии из волновода и для возбуждения поля в этом же волноводе, должны быть одинаковыми. В связи с этим извлечь энергию из волновода можно так же с помощью штыря, рамки или щели.

При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо иметь в виду, что при анализе поля в реальных волноводах выражения для составляющих поля определяют, считая материалы стенок идеальными. В действительности конечная проводимость стенок приводит к тому, что структура поля в реальном волноводе отлична от случая идеального волновода.

Так как проводимость реальных материалов, используемых для волноводов, весьма высока (σ ~ 10⁷ См/м), то можно считать, что структура электромагнитного поля волны в реальном волноводе мало отличается от структуры поля в волноводе со стенками из идеального металла.

Затухание волн, вызываемых омическими потерями в стенках волновода, невелико. Однако при достаточно большой длине волноводной линии передачи полное затухание может быть весьма ощутимым, поэтому важно знать величину коэффициента затухания (см. [1], с. 208−213).

Для волны H₁₀ в прямоугольном волноводе затухание поля на единицу длины можно найти по формуле:

.

где σ – удельная проводимость металла, которым покрыты внутренние стенки волновода.