178

Для случая, когда между выходом ИЛ и входом РШ включена индуктивная диафрагма, эквивалентная схема для всего измерительного устройства представлена на рис.9,а. Для этой схемы справедливым будет равенство

(19)

Рис.8

где , , ; - круговая частота колебаний, вырабатываемых источником напряжения ;

- индуктивность диафрагмы;

-эквивалентное реактивное сопротивление параллельно включенных шлейфа и - диафрагмы;

- длина шлейфа, соответствующая величине . С учетом (19) эквивалентную схему измерительного устройства можно представить сначала рис. 9,б, а затем - рис.9,в, преобразуя (19) к виду

, (20)

где - модуль нормированной проводимости - диафрагмы.

Рис.9

Поскольку в (20) >0, то > и, поэтому < .

На основании (18)

. (21)

Соответственно

, (22)

где .

Следовательно, равенство (20) примет вид

. (23)

Тогда

(24) и

. (25)

В (24) - расстояние от конца ИЛ до смещенного узла напряженности Е при наличии - диафрагмы.

Заметим, что > ,так как < . Зависимости , , определяемые формулами (24) и (25), графически представлены на рис. 10 и рис. 11.

Рис. 10

Рис. 11

Угол , при котором , определяется из соотношения

(26)

Откуда

_. (27)

Из (25) с учётом (27)

. (28)

Используя (28), можно определить проводимость и индуктивность диафрагмы

_, (29)

_, (30)

где _. (31)

В (31) волновое сопротивление выражено в Омах, а и а в одинаковых единицах( - длина волны колебаний источника напряжения U).

Эквивалентная схема измерительного устройства при использовании емкостной диафрагмы приведена на рис.12,а , причём для неё правомерным будет равенство

, (32)

где ;

;

С - емкость, вносимая диафрагмой в волноводный тракт;

- эквивалентное реактивное сопротивление параллельно включенных шлейфа и С - диафрагмы;

- длина шлейфа, соответствующая величине . Сопротивление определяется той же формулой, что и в случае с L - диафрагмой.

Далее по аналогии с рис. 9 можно от схемы на рис. 12,а перейти к схемам на рис. 12,6 и рис.12,в , а соотношение (32) преобразовать к виду

, (33)

где ;

- нормированная проводимость С - диафрагмы.

Из (33) (34)

Отметим, что

Рис. 12

_, (35)

где - расстояние от конца ИЛ до смещенного узла напряженности Е при наличии С - диафрагмы.

Соответственно

. (36)

Укажем, что < , так как > .

Зависимости и , определяемые математическими выражениями (34) и (36), графически представлены на рис.13 и рис.14.

Рис. 13

Графики функций (рис.10) и (рис. 13) принято называть - кривыми.

Рис. 14

Угол , при котором , определяется из соотношения

(37)

Откуда

_. (38)

Из (36) с учётом (38)

. (39)

На основании (39) нормированная проводимость и емкость С - диафрагмы будут равны

_, (40)

_. (41)

В (40) и (41] >0, так как < 0 (рис. 14). При использовании индуктивно-емкостной диафрагмы (рис.6,а) подобно (19) и (32) справедливым окажется следующее соотношение

, (42)

где - эквивалентное реактивное сопротивление параллельно включенных шлейфа и LC - диаграммы;

- длина шлейфа, соответствующая величине _.

Сопротивление , и определяются по тем же формулам, что и в случае L- и С- диафрагм. По аналогии с (20) и (33) равенство (42) можно преобразовать к виду

_, (43)

где ; - нормированная проводимость LC- диафрагмы.

Из (43) находим

, (44)

и

. (45)

В (44) - расстояние от конца измерительной линии до смещённого узла напряжённости Е при наличии резонансной диафрагмы.

В случае резонансе = 0, а рабочая частота генератора f равна резонансной частоте f₀ LC - диафрагмы. Поэтому зависимости , определяемые соотношениями (44) и (45), будут иметь вид прямых линий, первая из которых совпадает с прямой на рис. 8, а вторая совпадает с осью абсцисс (рис.11, рис.14).

При < сопротивление диафрагмы будет носить индуктивный характер. Следовательно, указанные выше зависимости будут иметь вид кривых на рис.10 и рис.11

( > ), а при > - вид кривых на рис. 13 и рис. 14( < ), так как сопротивление диафрагмы станет емкостным.

Угол , при котором , определяется из соотношения

(46)

откуда .

Из (45) с учётом (47)

. (48)

Решая (48) относительно найдём

. (49)

Для определения L и С резонансной диафрагмы (рис.6,б) необходимо измерить при двух частотах и . Тогда получим систему уравнений

(50)

из которой

(51)

(52)

Входящие в эти формулы волновые сопротивления волноводного тракта и рассчитываются по формуле (31), в которой величины определяются через скорость света и частот и .

2. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

2.1. Задание первое. Дать краткое описание конструктивных разновидностей согласующих устройств, наиболее часто используемых в волноводных трактах на практике. Отметить их достоинства и недостатки, привести их упрощенные конструкции.

Для выполнения задания необходимо проработать материал по следующим литературным источникам : [1, с.78-85], [2, с.47-53] , [3, с.233-236] и [4, с.231-232].

При изучении согласующих волноводных устройств особое внимание следует обратить на их конструктивные особенности, способы включения в волноводный тракт, их электрические эквивалентные схемы замещения.

2.2. Задание второе. Составить схемы алгоритмов и программы рас­чета нормированных реактивных проводимостей для индуктивной (рис.4). емкостной (рис.5) и резонансной (рис.6) диафрагм.

При составлении схем алгоритмов и программ расчета нормированных реактивных проводимостей диафрагм следует воспользоваться формулами (11)-(13).

Язык программирования (высокого уровня) и тип ЭВМ могут быть выбраны студентом по его желанию и возможностям.

2.3. Задание третье. С помощью ЭВМ по составленным в пункте 2.2. программам произвести расчетB_L ,B_C и B_LС приняв при этом равными: a = 2,3см; b = 1см; = 3,6см; = 1см (рис.4); = 0,17см (рис.5) и = 1см, = 0,5см (рис.6).

Величину определить для двух значений длины волны , равных 3 и 3,6 см.

З.ВОПРОСЫ К ДОМАШНИМ ЗАДАНИЯМ

1. Объяснить принципы действия емкостной и индуктивной диафрагм.

2. Перечислить достоинства и недостатки согласующих диафрагм.

3. Можно ли одну и ту же диафрагму использовать в одних случаях в качестве , емкостной, а в других в качестве индуктивной согласующей неоднородности? Пояснить на конкретных примерах.

4. Существует, ли при наличии согласующей диафрагмы режим бегущей волны по всей длине волноводного тракта?

5. В каких устройствах и с какой целью наиболее часто используются резонансные диафрагмы?

6. Изобразить графически зависимость проводимости резонансной диафрагмы от частоты.

7. Каким образом полоса пропускания и нагруженная добротность резонансной диафрагмы зависят от ее геометрических размеров?

8. Как будут изменяться отражающие свойства реактивных диафрагм при изменении их размеров? Показать на конкретных примерах.

9. Нарисовать эквивалентные схемы волноводных трактов с учетом подключения к ним согласующих диафрагм (емкостной, индуктивной и резонансной).

10. Оказывают ли влияние согласующие диафрагмы на коэффициент полезного действия волновода?

11. Изобразить графически распределение токов проводимости и токов смещения в плоскости индуктивной диафрагмы при работе волноводного тракта на волне Н₁₀.

12. Какому требованию должны удовлетворять размеры резонанснойдиафрагмы, чтобы ее эффективность действия стала минимальной?

13. Изобразить графически изменение коэффициента отражения волн от резонансной диафрагмы в зависимости от длины волны электромагнитных колебаний в волноводном тракте.

14. Из каких соображений выбирается толщина согласующих диафрагм?

15. Какие электрические параметры волноводной диафрагмы можно определить по ее геометрическим размерам?

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

4.1. Задание первое. Проверить работоспособность используемой в лабораторной работе измерительной установки и определить длину волны электромагнитных колебаний в ее волноводном тракте. Блок - схема измерительной установки приведена на рис.15, где приняты обозначения: ГСВЧ - генератор сверхвысоких частот, в качестве которого используется генератор качающейся частоты 61; А - аттенюатор, позволяющий регулировать уровень входного сигнала; ИЛ - измерительная линия волноводного типа; ИД - исследуемая диафрагма; РШ - реактивный шлейф; СИ - стрелочный индикатор (типа М24).

Рис.15

Работоспособность измерительной установки проверяется без диафрагмы при двух значениях длины волны ГСВЧ: = = 3 см и = = 3,6 см, которым соответствуют частоты : = 10 ГГц и = 8,33 ГГц, причем к выходу ИЛ вместо РШ подключается не регулируемый по длине короткозамыкатель в виде сплошной металлической пластины. Глубину погружения зонда установить не менее 3- 4 мм. Измерительная система считается пригодной для эксплуатации, если при настроенной в резонанс ИЛ можно плавно и четко устанавливать максимальные и нулевые показания по шкале СИ при перемещении подвижной каретки ИЛ. Если этого достичь не удается, то следует обратиться к преподавателю.

Длина волны в волноводе экспериментально определяется по расстоянию d между соседними узлами напряженности электрического поля Е волны H_10. Отсчет величины d производится по линейной шкале ИЛ.

При дальнейших измерениях первый от конца (выхода) ИЛ узел Е принять за опорный, определив его положение ( ) по шкале СИ.

4.2. Задание второе. При = 3,6 см с помощью измерительной установки снять зависимость . По полученным значениям и используя формулы (17) и (18) рассчитать соответствующие значение и , выражая при этом , , , и в одинаковых единицах. Результаты измерений и расчетов свести в табл.1. Построить график зависимости и сравнить его с графиком на рис. 8.

Таблица 1

, ММ	, ММ	, рад	, рад

Посредством отвертки от выхода ИЛ (при выключенном СВЧ сигнале) отсоединяется короткозамыкающая пластина и вместо нее подсоединяется шлейф РШ (без диафрагмы), на отсчетной шкале которого предварительно устанавливается показание, равное приблизительно 55. При неподвижной каретке ИЛ, находящейся в положении , и включенном СВЧ сигнале перемещением поршня РШ влево следует добиться нулевого показания СИ. При этом показание по шкале шлейфа будет равно величине _.

При снятии зависимости отсчет о шкалам ИЛ и РШ производится при нулевых показаниях СИ, причем каретка ИЛ и поршень РШ должны перемещаться в одну сторону (влево), что будет сопровождаться уменьшением величин и . Перемещение осуществляется до тех пор, пока каретка или поршень не дойдет до своего крайнего положения.

4.3. Задание третье. При - диафрагме и = 3,6см снять зависимость и по полученным данным рассчитать соответствующие значения , _, , используя формулы (18), (24) и (25). Результаты измерений и расчетов свести в табл.2 и построить графики зависимостей и . Определить величины и .

Таблица 2

, ММ	, ММ	, рад	, рад	, рад

Измерения выполняются так же, как и по пункту 4.2., но с включением в схему измерительной установки индуктивной диафрагмы (а' = 1 см).

Расчет значений |B_L| и L производится с использованием выражений (29), (30) и (31).

Величина электрической длины , входящей в (29) и (30), определяется по построенному графику , подобно рис. 11.

4. Задание четвертое. При = 3,6см и при включении в волноводный тракт С - диафрагмы снять зависимость и по полученным данным рассчитать с помощью формул (18), (35) и (36) значения , _, . Результаты измерений и расчетов свести в табл.3 и построить графики зависимостей и Определить величины нормированной проводимости В_с и емкости С.

Таблица 3

, ММ	, ММ	, рад	, рад	, рад

Измерения выполняются так же, как и в предыдущем пункте, но с заменой индуктивной диафрагмы на емкостную (b' = 0,17 см).

Расчет В_с и С производится с использованием соотношений (31), (40) и (41).

Электрическая длина , входящая в (40) и (41), определяется по построенному графику , подобно рис. 14.

4.5. Задание пятое. При двух значениях равных 3 и 3,6 см, и при включении в тракт измерительной установки LC- диафрагмы снять зависимость и затем по экспериментально полученным, данным рассчитать с помощью формул (18), (44) и (45) значения , _, . Результаты измерений и расчетов свести в табл.4 и при обоих значениях построить графики функций и

Определить величины проводимости В_LС , индуктивности L и емкости С.

Таблица 4

, мм	, ММ	, ММ	, рад	, рад	, рад
3
3,6

Измерения проводятся так же, как и по пунктам 4.2. - 4.4, но с включением в волноводный тракт резонансной диафрагмы ( = 1 см, = 0,5 см). Расчёт В_LС,, L и С производится с использованием соотношений (41), (49), (51) и (52). Электрическая длина , входящая в (49), определяется по графикам.

Зависимости построенным при = = 3 см и при = = 3,6 см.

5.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет о проделанной работе должен содержать:

1. Результаты выполнения домашних заданий.

2. Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

3. Краткие выводы по всем этапам исследований.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЕ

1. Объяснить принцип построения - кривых.

1. Перечислить для каждой из используемых в лабораторной работе согласующих диафрагм факторы, от которых зависит вид - кривых.

2. Какие из диафрагм оказывают наибольшее и наименьшее влияние на электрическую прочность прямоугольного волновода при работе его на волне Н₁₀ ?