Методички / Работа № 10
.pdf
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра технической электродинамики и антенн
Лабораторная работа № 10
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ ВОЛНОВОДЕ
Москва 2004
План УМД 2003/2004 уч. г.
Лабораторная работа № 10
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ ВОЛНОВОДЕ
Составители В.М. Седов, А.А. Пресс
Издание утверждено советом РТФ. Протокол № 7 от 18.03.04 г.
Рецензент Гайнутдинов Т. А.
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
системах.
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
4
таблице 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
№ |
f, |
Металл, из которого изготовлен волновод |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
п/п |
ГГц |
Вариант 1 |
Вариант 2 |
Вариант 3 |
1 |
100 |
Медь |
Латунь |
Серебро |
2 |
2,5 |
Алюминий |
Медь |
Латунь |
3 |
0,25 |
Латунь |
Медь |
Серебро |
4 |
4,5 |
Латунь |
Медь |
Серебро |
5 |
1,5 |
Латунь |
Алюминий |
Медь |
6 |
0,5 |
Медь |
Латунь |
Серебро |
7 |
7,5 |
Алюминий |
Медь |
Латунь |
8 |
25 |
Латунь |
Медь |
Серебро |
9 |
0,23 |
Медь |
Латунь |
Серебро |
10 |
0,6 |
Серебро |
Медь |
Латунь |
11 |
7 |
Алюминий |
Латунь |
Медь |
12 |
0,8 |
Серебро |
Медь |
Латунь |
13 |
6 |
Латунь |
Серебро |
Медь |
14 |
0,3 |
Медь |
Алюминий |
Латунь |
15 |
30 |
Латунь |
Медь |
Серебро |
16 |
2 |
Алюминий |
Медь |
Латунь |
17 |
35 |
Латунь |
Медь |
Серебро |
18 |
3 |
Медь |
Алюминий |
Латунь |
19 |
18 |
Латунь |
Серебро |
Медь |
20 |
0,75 |
Медь |
Латунь |
Серебро |
21 |
15 |
Латунь |
Медь |
Серебро |
22 |
0,4 |
Медь |
Серебро |
Латунь |
23 |
8 |
Алюминий |
Медь |
Латунь |
24 |
40 |
Серебро |
Медь |
Латунь |
5
1 |
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
||
25 |
1,25 |
|
Медь |
|
Серебро |
Латунь |
|||
26 |
20 |
|
Серебро |
|
Латунь |
Медь |
|||
27 |
1 |
|
Медь |
|
Латунь |
Серебро |
|||
28 |
5 |
|
Алюминий |
|
Латунь |
Медь |
|||
29 |
1,1 |
|
Медь |
|
Латунь |
Серебро |
|||
30 |
4 |
|
Латунь |
|
Алюминий |
Медь |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
Размеры поперечных сечений стандартных волноводов |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
№ п/п |
|
a b, мм |
|
|
№ п/п |
|
a b, мм |
||
1 |
|
0,7 0,35 |
|
|
23 |
|
48 24 |
||
2 |
|
0,9 0,45 |
|
|
24 |
|
58 25 |
||
3 |
|
1,1 0,55 |
|
|
25 |
|
72 34 |
||
4 |
|
1,3 0,65 |
|
|
26 |
|
90 45 |
||
5 |
|
1,6 0,8 |
|
|
27 |
|
110 55 |
||
6 |
|
2 1 |
|
|
28 |
|
130 65 |
||
7 |
|
2,4 1,2 |
|
|
29 |
|
160 80 |
||
8 |
|
3 1,5 |
|
|
30 |
|
180 90 |
||
9 |
|
3,6 1,8 |
|
|
31 |
|
196 98 |
||
10 |
|
4,4 2,2 |
|
|
32 |
|
220 110 |
||
11 |
|
5,2 2,6 |
|
|
33 |
|
248 124 |
||
12 |
|
6,2 3,1 |
|
|
34 |
|
270 135 |
||
13 |
|
7,2 3,4 |
|
|
35 |
|
292 146 |
||
14 |
|
9 4,5 |
|
|
36 |
|
330 165 |
||
15 |
|
11 5,5 |
|
|
37 |
|
381 190,5 |
||
16 |
|
13 6,5 |
|
|
38 |
|
408 204 |
||
17 |
|
16 8 |
|
|
39 |
|
457 228,5 |
||
18 |
|
19 9,5 |
|
|
40 |
|
500 250 |
||
19 |
|
23 10 |
|
|
41 |
|
580 290 |
||
20 |
|
28,5 12,6 |
|
42 |
|
620 310 |
|||
21 |
|
35 15 |
|
|
43 |
|
690 345 |
||
22 |
|
40 20 |
|
|
44 |
|
750 375 |
||
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 коаксиально-волноводного 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
8
измерительный усилитель, где усиливается, а затем подается на стрелочный прибор (микроамперметр). Показания этого прибора пропорциональны величине тока в зонде измерительного 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
v |
|
|
|
||
ф |
|
T |
|
|
f
,
(1)
где – длина волны рассматриваемого типа в линии передачи энергии; T –
период; f – частота электромагнитных колебаний.
9
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
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
2a |
|
|
|
|
|
|
,
(2)
где a – поперечный размер широкой стенки волновода (рис. 2);
|
c |
|
1 |
|
|
|
f |
|
|
|
|
||
|
f |
a |
a |
|||
|
|
|
|
|
||
– длина волны, свободно распространяющейся в
безграничной среде,
заполняющая волновод;
обладающей
c |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
a |
||
|
|
|
||
теми же свойствами, что и среда,
– скорость света в этой среде.
В данной лабораторной работе для определения фазовой скорости волны
Н10 в прямоугольном волноводе измеряется длина волны , а |
vф |
рассчитывается по формуле (1). |
|