ЛР_3

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра физической электроники и технологии

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Электродинамика»

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СВЧ ТРАКТА С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

Студент гр. 8204		Овсянников А.И.
Преподаватель		Дроздовский А.В.

Санкт-Петербург

2020

Цели работы. Изучение методов измерения полных сопротивлений. Освоение практических приемов работы с измерительной линией и круговой диаграммой полных сопротивлений.

Описание экспериментальной установки.

В состав установки (рис. 1.) входят следующие элементы: 1 – измерительный СВЧ-генератор, 2 – частотомер, 3 – регулируемый аттенюатор, 4 – измерительная линия, 5 – индикатор (милливольтметр), 6 – исследуемый элемент, 7 – согласованная нагрузка.

Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки.

Для исследования режима «бегущей» и «стоячей» волн вместо элементов 6 и 7 помещается согласованная нагрузка или короткозамыкатель соответственно.

Рис. 2. Эскиз поперечного сечения волновода.

a

b

Обработка результатов

Построим графики распределения напряженности электрического поля вдоль линии при подключении согласованной нагрузки, короткозамыкателя и исследуемых элементов:

Таблица 1. Данные о распределении поля вдоль линии для воздуха в качестве нагрузки.

U, мВ	2,73	1,74	1,26	1,8	2,73	1,8	1,29	2,07	2,73	2,19	1,29
X, мм	1	5	8	10	14	18	21	24	27	30	34

Рис. 3. Распределение поля вдоль линии при открытом пространстве в качестве нагрузки.

Таблица 2. Данные о распределении поля вдоль линии при коротком замыкании в качестве нагрузки.

U, мВ	7,6	5	0.12	5,1	7,5	3,8	0,09	4,9	7,4	4,2	0,12
X, мм	4	7	11	15	18	21	24	28	31	34	37

Рис. 4. Распределение поля вдоль линии при коротком замыкании в качестве нагрузки.

Таблица 3. Данные о распределении поля вдоль линии при подключении широкой щели в качестве нагрузки.

U, мВ	1,86	2,25	1,92	1,62	1,98	2,25	1,8	1,62	1,98	2,25	1,98	1,59
X, мм	4	7	11	15	18	21	25	28	31	34	37	40

Рис. 5. Распределение поля вдоль линии при подключении широкой щели в качестве нагрузки.

Таблица 4. Данные о распределении поля вдоль линии при подключении узкой щели в качестве нагрузки.

U, мВ	3,6	2	0,87	2,1	3,6	2,1	0,87	2,7	3,6	2,3	0,87
X, мм	3	6	9	12	15	19	22	26	29	32	35

Рис. 6. Распределение поля вдоль линии при подключении узкой щели в качестве нагрузки.

U, мВ	2,01	1,98	2,01	1,98	2,01	1,98
X, мм	18	24	30	36	44	51

Таблица 5. Данные о распределении поля вдоль линии при подключении согласованной нагрузки.

Рис. 7. Распределение поля вдоль линии при подключении согласованной нагрузки.

Найдём из графиков λв для всех случаев:

λв₁ = 26 мм,

λв₂ = 26 мм,

λв₃ = 25 мм,

λв₄ = 26 мм.

Следовательно,

λв_эксп = 26 мм.

Можно вычислить λв для всех случаев по формуле:

, где λ₀=с/f, λ_кр=2∙а_i, c=3∙10⁸ м/с, f=14,450 ГГц, а₁=17 мм, а₃ =16 мм, а₄ =18 мм, а₅ = 17 мм.

λв_1теор = 26 мм,

λв_3теор = 27 мм,

λв_4теор = 25 мм,

λв_5теор = 26 мм. Следовательно,

λв_теор = 26 мм.

Значение, полученное теоретически, совпадает с экспериментальным.

Нахождение фазового сдвига для нагрузок, который определяется следующим соотношением.

Короткое замыкание X_кз = 37 мм,

Воздух: X _возд = 34 мм,

Широкая нагрузка: Х_широк = 40 мм,

Узкая нагрузка: Х_узк = 35 мм.

Ф_возд = (X_возд – X_КЗ)/ λв_1теор = (34 – 37)/26 = -0,115.

Фвозд	-0,115
ФШирок	0.111
ФУзк	-0.080

Нахождение коэффициента стоячей волны (КСВ).

ρ = U_max/U_min.

ρвоздух	2,167
ρкороткозамыкатель	84,444
ρширокая щель	1,415
ρузкая щель	4,138
ρсогласованная нагрузка	1,015

Определение коэффициента отражения полного сопротивления исследованного элемента.

ГН(воздух)	0,368
ГН(короткозамыкатель)	0,977
ГН(широкая щель)	0,172
ГН(узкая щель)	0,611
ГН(согласованная нагрузка)	0,007

φвоздух	7,008
φширокая щель	21,758
φузкая щель	20,735

Zвоздух	0,448 + 0,647i
Zширокая щель	0,875 - 0,207i
Zузкая щель	0,641 + 0,67i

Рис. 8. Диаграмма Вольперта-Смита с указанными полными сопротивлениями.

Вывод.

В лабораторной работе было выяснено, как с помощью коэффициента стоячей волны можно определить режим работы передающей линии, и каким видом нагрузки она нагружена. К примеру, если КСВ равен единице, а коэффициент отражения – нулю, то это значит, что линия работает в режиме полного согласования с нагрузкой, и стоячая волна в ней не образуется. В противоположном случае, когда КСВ стремится к бесконечности, а Г=1, можно говорить о том, что отраженная волна равна падающей, так как отражение полное, а значит нагрузкой линии является короткое замыкание, и стоячая волна в линии образуется. Если же КСВ >1, а коэффициент отражения не равен нулю, отражение не полное, волну в линии нельзя охарактеризовать ни как бегущую, ни как стоячую, линия работает в режиме «смешанной волны».

Вычисленная теоретически длина волны, совпадает с результатами эксперимента.

Определяя относительный фазовый сдвиг, замечено, что нагрузка в виде широкой щели сдвигает фазу немногим сильнее остальных нагрузок. При этом можно отметить, что в широкой щели реактивное сопротивление представляется ёмкостным сопротивлением, а в узкой щели и воздухе преобладает индуктивное сопротивление.

Найденные полные сопротивления были отмечены на диаграмме полных сопротивлений (Вольперта-Смита). Для короткозамыкателя и согласованной нагрузки полное сопротивление не рассчитывалось.