методички / Работа 11

План УМД 2009/2010 уч. г.

Лабораторная работа № 11 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ В КРУГЛОМ ВОЛНОВОДЕ

Составители: А. А. Пресс Т.А. Гайнутдинов

Издание утверждено советом факультета Р и Т. Протокол № от “ ” марта 2010 г.

Рецензент В. Г. Кочержевский

1.Цель работы

1.Изучение волн типа Н11 и Е01 в круглом волноводе.

2.Экспериментальное исследование волн типа Н11 и Е01.

3.Сравнение экспериментальных результатов с данными теории.

2.Указания по подготовке к лабораторной работе

1.Изучить структуру и свойства волны типа Н11 в круглом волноводе.

2.Изучить структуру и свойства волны типа Е01 в круглом волноводе.

3.Изучить методику расчета основных параметров волн в круглом волноводе.

4.Изучить основные способы обеспечения одноволнового режима работы круглого волновода на волнах типа Н11 и Е01.

5.Изучить содержание данного описания и ответить на контрольные вопросы.

3. ЗАДАНИЕ К РАСЧЕТНОЙ ЧАСТИ

(выполняется при домашней подготовке)

I. Выбрать размеры круглого волновода, обеспечивающего одноволновый режим работы на волне Н11 в заданном диапазоне частот,

2.Выбрать размеры круглого волновода, обеспечивающие возможность распространения волн типа Н11 и Е01 в заданном диапазоне частот.

3.Рассчитать длины воли H11 è E01 в круглом волноводе для трех частот за-

данного диапазона по формуле

диус круглого волновода, а = 15 мм.

Диапазоны частот для выполнения задания приведены в Таблице I.

Варианты задания из таблицы I соответствуют порядковому номеру студента в журнале группы.

4. Схема и описание лабораторной установки

Блок-схема измерительной установки показана на рис I. СВЧ колебания создаются генератором 1. Через устройство возбуждения волн типа Н11 или Е01 2 эти колебания подаются на исследуемую установку. Основным элементом установки яв-

ляется измерительная линия трехсантиметрового диапазона. Линия состоит из круглого волновода 3 с внутренним диаметром, равным 2а. В стенке волновода прорезана продольная щель, вдоль которой перемещается зонд с детекторной секцией 4, позволяющий исследовать распределение поля в направлении распространения энергии, измерить длину волны в волноводе и коэффициент стоячей или бегущей волны (КСВ или КБВ).

Вращающееся сочленение 5 с детекторной секцией 6 позволяет исследовать распределение электрического поля в поперечном сечении волновода в зависимости от угловой координаты .

Режим бегущей волны в линии устанавливается при подключении к концу линии поглощающей нагрузки, При измерении длины волны в линии необходимо установить режим стоячей волны. Для этого поглощающую нагрузку необходимо заменить на металлическую заглушку. В режиме стоячей волны расстояние между двумя соседними минимумами, измеренное вдоль линии, равно половине длины волны в волноводе 2 .

С детекторных секций измерительной линии или вращающегося сочленения сигнал подается на вход измерительного усилители 8, по шкале которого производится отсчет. При выполнении работы следует учесть, что уровни напряженности поля, создаваемого генератором в волноводе, невелики, так что характеристики всех типов детекторов, используемых в лабораторной установке, можно считать квадратичными. Поэтому при определении нормированного значения напряженности поля следует использовать формулу

симальные значения этих величин; – угол поворота зонда вокруг оси волновода.

В Приложении дано описание возбуждения волн типа Н11 и Е01 в круглом волноводе.

5. Задание к экспериментальной части

(выполняется в лаборатории)

1. Исследовать осесимметричную волну типа Е01 в волноводе круглого сече-

ния.

2. Исследовать основную волну типа Н11 в волноводе круглого сечения. При выполнении задания по пунктам 1 и 2:

а) снять зависимость напряженности поля в поперечном сечении от угловой координаты ;

б) определить коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии; в) определить длину волны в волноводе E01 и H11 . Указанные исследования выполнить на рабочей частоте.

6. Порядок и методика выполнения экспериментальной части работы Исследование волны Е01

1.Собрать схему установки для возбуждения волны типа Е01 в круглом волноводе и нагрузить тракт на поглощающую нагрузку.

2.Подать сигнал с детекторной секции 6 на вход измерительного усилителя.

3.Плавно вращая сочленение 5 вокруг оси волновода найти положение, соответствующее максимальному показанию индикатора. В этом положении с помощью входного делителя измерительного усилителя стрелку прибора установить почти на максимальное отклонение в пределах шкалы индикатора. Записать макс . Значение

макс должно составлять не менее 80 делений шкалы индикатора.

4.Так же, как в п. 3 определить и записать показания индикатора в минимуме

мин . Если макс и мин отличаются не более, чем на 5%, приступить к выполнению

п. 5. При большем отличии необходимо немного изменить частоту генератора в диапазоне 9150…9300 МГц так, чтобы удовлетворялось указанное условие. Записать рабочую частоту генератора.

5. Снять зависимость показаний индикатора от угловой координаты в пределах от 0° до 180° через 15°. Результаты измерений внести в таблицу 2.

макс

E макс 12

6.Подать сигнал на вход измерительного усилителя с детекторной секции 4

измерительной линии, настроить линию на максимальный сигнал и определять КСВ в волноводе. Для этого, перемещая зонд измерительной линии вдоль щели, записать значения макс и мин , измеренные в точках, расположенных вблизи середины щели. Рассчитать КСВ по формуле

КСВ макс мин 12 .

7. Заменить поглощающую нагрузку на конце волноводного тракта короткозамыкающей заглушкой и определить положение минимумов поля вдоль щели измерительной линии.

По результатам измерений определить длину волны в волноводе для Е01. Полученное значение сравнить с расчетным, вычисленным на рабочей частоте.

Исследование волны H11

8.Собрать схему возбуждения волны типа H11 в волноводе круглого сечения. Заменить короткозамыкающую заглушку поглощающей нагрузкой.

9.На вход измерительного усилителя подать сигнал с детекторной секции 6. Не изменяя частоты генератора, выполнить пп. 5, 6 и 7.

7.Содержание отчета

Вотчете должны быть приведены:

1.Результаты предварительных расчетов (см. п. 3).

2.Таблицы и графики зависимостей электрического поля в поперечном сечении от угла для волн типа Е01 и Н11.

3.Измеренные значения длин волн типа Е01 и Н11.

4.Значения КСВ в тракте для волн типа Е01 и Н11.

5.Выводы по работе, объясняющие возможные расхождения расчетных и экс-

периментальных результатов.

8.Контрольные вопросы

1.Какие типы волн, и при каких условиях могут распространяться по круглому волноводу?

2.Объясните смысл индексов m и n для волн типа Н11 и Е01 в круглом волно-

воде.

3.Изобразите структуру поля волн Н11 и Е01 в круглом волноводе.

4.По заданной структуре поля волн Н11 и Е01 определите направление движения энергии.

5.Изобразите линии тока проводимости на стенке волновода при распростра-

нении волн типа Н11 и Е01.

6.Укажите способы возбуждения волн Н11 и Е01.

7.Как отфильтровать волну Н11 (Е01) в волноводе, по которому распространя-

ется волна Е01 (Н11) ?

8.Объясните принцип работы электрического зонда и магнитной рамки, обеспечивающих связь поля в волноводе с током в индикаторе.

9.Объясните, почему нельзя использовать во вращающихся сочленениях волну основного типа Н11 в круглом волноводе?

10.Какая волна в круглом волноводе является низшей среди волн Нmn и Еmn?

11.Какая волна среди волн типа Нmn является низшей в волноводе круглого сечения? Какая волна среди волн Еmn является низшей в волноводе круглого сечения?

12.Может ли в волноводе круглого сечения распространяться волна типа Т? Обоснуйте ответ.

13.Укажите области применения волноводов круглого сечения с волнами типа Н11 и Е01.

9.Список литературы

1.Конспект лекций по теоретическому курсу.

2.Пименов Ю. В., Вольман В. И, Муравцов А. Д. Техническая электродинамика. – М.: Связь, 2000. – С. 284…290, 413…421.

3.Фальковский О. И. Техническая электродинамика. – М.: Связь, 1978. – С. 249…261.

Приложение

На сантиметровых и миллиметровых волнах для направленной передачи электромагнитной энергии широко используются металлические круглые волноводы. При возбуждении круглого волновода могут возникать волны типа Нmn и Еmn.

Для возбуждения волны Н11 в круглом волноводе используется плавный переход от прямоугольного волновода к круглому (рис. 2).

Волна Н10 в прямоугольном волноводе и волна Н11 в круглом волноводе имеют весьма сходную структуру поля в поперечном сечении. Поэтому наиболее естественным преобразователем этих типов волн является переход от прямоугольного волновода к круглому с плавным изменением размеров и формы поперечного сечения. Если длина перехода равна или превышает длину волны в волноводе круглого сечения, то коэффициент стоячей волны, обусловленный переходом, не больше 1,1 в рабочей полосе длин волн круглого волновода с волной Н11.

Радиус круглого волновода в некоторых случаях выбирается таким, что наряду с основным типом волны Н11 пo волноводу может распространяться волна Е01. При этом из-за увеличения радиуса волновода снижаются потери в его стенках для основного типа волны Н11.

Возбуждение волны Е01 в таком волноводе обусловлено наличием неоднородностей в реальном тракте. Однако возможность распространения по волноводу волны Е01 является нежелательной. Поэтому для предотвращения ее распространения в волновод помещается фильтр волны Е01.

Он представляет собой тонкий диэлектрический стержень, покрытый поглощающим материалом (например, аквадагом). Если такой стержень поместить на продольной оси волновода, то поле волны Е01 будет интенсивно затухать. Это объясняется наличием у волны Е01 продольной составляющей электрического поля Еz, которая наводит токи в поглощающем слое диэлектрического стержня. Волна основного типа Н11, у которой отсутствует составляющая Еz, распространяется в таком фильтре без поглощения.

В лабораторной установке поперечное сечение круглого волновода выбрано таким, что по нему могут распространяться волны двух типов Н11 и Е01. Интенсивное возбуждение одного из двух типов обеспечивается специальными устройствами.

Волна Н11 создается плавным переходом от прямоугольного сечения к круглому, трансформирующим волну H10 в волну Н11. При этом волны высших порядков практически не возникают, что обеспечивается плавностью перехода и структурой исходной волны H10 в прямоугольном волноводе.

Возбуждение волны Е01 в круглом волноводе волной H10 в прямоугольном волноводе осуществляется по схеме, изображенной на рис. 3. В этой схеме наряду с волной Е01 в круглом волноводе возникает волна Н11. Для фильтрации волны Н11 используется резонансное кольцо. Как видно из рис. 3а, круглый волновод соединяется с прямоугольным по широкой стенке. Вторая широкая стенка прямоугольного волновода одновременно является дном круглого волновода. Согласование перехода осуществляется установкой в прямоугольном волноводе индуктивной диафрагмы или четвертьволнового трансформатора и применением в круглом волноводе емкостной диафрагмы (кольцевого выступа) или емкостного винта, устанавливаемого в