10 / Работа 10

3

1. Цель работы

1.1.Изучение структуры поля волны Н10 в прямоугольном волноводе.

1.2.Расчет основных параметров волны.

1.3.Овладение методикой измерения основных характеристик волны.

2. Указания по подготовке к лабораторной работе

2.1.Изучить общую теорию распространения волн в направляющих си-

стемах.

2.2.Изучить типы волн в прямоугольном волноводе.

2.3.Изучить структуру поля и основные параметры волны Н10.

2.4.Изучить условия одноволнового режима работы волновода.

2.5.Изучить методику измерения основных характеристик волны Н10.

2.6.Выполнить домашний расчет.

3. Задание к расчетной части (выполняется при домашней подготовке)

3.1.Сформулировать условия, которым должны удовлетворять поперечные размеры прямоугольного волновода для создания в нем на заданной частоте одноволнового режима работы (частота указана в таблице 1, причем номер задания в ней соответствует порядковому номеру студента в групповом журнале) и выбрать соответствующие этим условиям стандартные волноводы (таблица 2).

3.2.Для выбранных в пункте 3.1 прямоугольных волноводов рассчитать на заданной частоте коэффициент затухания, обусловленный потерями в стенках волноводов (при расчете считать, что волноводы заполнены идеальным диэлектриком, и стенки волноводов выполнены из металла, указанного в таблице

4

1, вар. 1). По результатам расчетов выбрать волновод, обеспечивающий минимальное значение коэффициента затухания.

3.3. Для выбранного в пункте 2 прямоугольного волновода рассчитать основные параметры волны Н10 на заданной частоте, причем коэффициент затухания следует рассчитать для двух остальных типов металлов, указанных в таблице 1 (вар. 2 и 3), используя формулу и таблицу 3 (см. приложение).

Таблица 1

Данные для домашнего расчета

6

4. Задание к экспериментальной части (выполняется в лаборатории)

4.1.Измерить распределение амплитуды напряженности электрического поля волны вдоль широкой стенки волновода.

4.2.Измерить распределение амплитуды напряженности электрического поля волны вдоль оси волновода в режиме стоячей волны.

4.3.Измерить длину волны, фазовую скорость и скорость распространения энергии в заданном диапазоне частот.

5. Описание измерительной установки

Блок-схема измерительной установки приведена на рис. 1. Источником высокочастотных колебаний служит генератор СВЧ (1) типа Г4-80, работающий в диапазоне частот 2,56…4,0 Ггц. В состав генератора СВЧ входит модулятор, обеспечивающий модуляцию высокочастотных колебаний импульсной последовательностью, например меандром. С выхода генератора модулированный высокочастотный сигнал с помощью коаксиального кабеля и коаксиальноволноводного перехода поступает в волноводный измерительный тракт прямоугольного сечения с размерами 58 25 мм (2), в котором распространяется волна Н10. Тракт заканчивается короткозамыкающим поршнем (3), который с помощью специального механизма может перемещаться вдоль волновода. Этот поршень обеспечивает в измерительном тракте режим стоячей волны, что необходимо для измерения длины волны в волноводе.

7

Измерительный тракт (2) состоит из двух частей (2а и 2б), соединенных друг с другом с помощью волноводного фланца Б-Б. Левая часть тракта (2а) выполняет две функции: канализирует волну Н10 в правую часть измерительного тракта (2б) и используется для получения экспериментальной зависимости напряженности электрического поля волны Н10 при изменении точки наблюдения вдоль широкой стенки волновода. Конструктивно измерительный тракт (2) представляет собой отрезок прямоугольного волновода с длиной l1, в котором вдоль широкой стенки волновода прорезана узкая щель. Вдоль этой щели с помощью специального механизма перемещается индикаторная головка (4). В состав этой головки входит короткий (по сравнению с длиной волны) измерительный зонд, который размещен внутри волновода параллельно силовым линиям электрического поля волны Н10, и детекторная головка, состоящая из колебательного контура (объемного резонатора) и детектора в нем.

Модулированный высокочастотный сигнал вызывает в зонде ток, и после детектирования на выходе детекторной головки образуется низкочастотная составляющая сигнала (Fм=1000 Гц), которая поступает в измерительный усилитель, где усиливается, а затем подается на стрелочный прибор (микроамперметр). Показания этого прибора пропорциональны величине тока в зонде изме-

8

рительного тракта, т.е. квадрату напряженности электрического поля волны Н10 в той точке волновода, в которой в данный момент размещается зонд.

Правая часть измерительного тракта (2б) представляет собой стандартную измерительную линию типа Р1-7. Она включает в себя отрезок волновода длиной l2 , в котором прорезана узкая продольная щель. Вдоль этой щели перемещается индикаторная головка, аналогичная имеющейся в измерительном тракте (2а). С помощью правой части измерительного тракта (2б) в установке осуществляется измерение длины стоячей волны в волноводе.

В измерительной установке имеется всего один измерительный усилитель (5), и поэтому сначала производят измерения, используя измерительный тракт 2а, а затем измерение длины стоячей волны с помощью измерительного тракта 2б. Для переключения режима работы в установке используются два различных кабеля.

6. Методика измерения фазовой скорости в волноводе

Фазовая скорость – это скорость перемещения поверхности равных фаз (фронта волны). Фазовая скорость электромагнитной волны в линии передачи энергии может быть вычислена по формуле

где – длина волны рассматриваемого типа в линии передачи энергии; T – период; f – частота электромагнитных колебаний.

Длина волны Н10 в прямоугольном волноводе с идеально проводящими стенками, заполненной однородной изотропной средой, абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости которой равны a и a соответственно, определяется выражением

10

женности электрического поля падающей ( Eyпад ) и отраженной ( Eyотр ) волн равны соответственно:

Eyпад iE0 ei z и Eyотр iE0 e i z ,

где

составляющей напряженности магнитного поля падающей волны в начале координат, а ось Z направлена, как показано на рис. 3.

Комплексная амплитуда напряженности полного электрического поля определяется выражением

Из формулы (3) следует, что при коротком замыкании в волноводе устанавливается режим стоячей волны. Амплитуда напряженности электрического поля изменяется вдоль оси Z по синусоидальному закону, а фаза не зависит от координат. Узлы электрического поля находятся в точках, в которых

Иными словами, узлы электрического поля находятся на расстояниях, равных целому числу полуволн от короткого замыкания (рис. 3).