Методички / Работа № 10
.pdf
10
Для измерения длины волны волновод закорачивается. Падающая волна
отражается от короткозамкнутого конца волновода, и полное поле представляет собой суперпозицию падающей и отраженной волн. При отсутствии потерь в волноводе с идеально проводящими стенками комплексные амплитуды
пад |
отр |
) волн |
напряженности электрического поля падающей ( Ey |
) и отраженной ( Ey |
|
равны соответственно: |
|
|
E |
пад |
iE e |
i z |
и E |
отр |
iE e |
y |
|
y |
||||
|
0 |
|
|
0 |
где
E0 |
|
a a |
H0 z sin |
x |
; |
|
|
a |
|||||
|
|
|
|
i z
,
|
|
2 |
|||
k |
1 |
|
|
; |
|
2a |
|||||
|
|
|
|
||
11
k 2
– волновое число;
2
f
;
H |
0 z |
|
– комплексная амплитуда продольной
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
E |
|
i z |
iE e |
i z |
y |
iE e |
|
||
|
0 |
0 |
|
2E0 sin
z
.
(3)
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
z |
s |
|
s |
|
|
s |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||
|
|
2 |
|
|||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2a |
|
|
|
|
|
|
|
|
2
, s
1,
2,
...
.
(4)
Иными словами, узлы электрического поля находятся на расстояниях,
равных целому числу полуволн от короткого замыкания (рис. 3).
Таким образом, для определения длины волны достаточно измерить расстояние между узлами электрического поля.
12
Зонд измерительной линии, используемой в данной лабораторной работе, может перемещаться вдоль волновода в пределах 155 мм. Чтобы измерить половину длины волны ( 
2 ), область перемещения зонда должна быть не короче длины волны . В противном случае один из узлов может оказаться в середине области перемещения зонда, а два других за ее пределами
13
(рис. 4). Это условие выполняется не для всех частот, используемых в данной лабораторной работе. Поэтому измерение длины волны осуществляется с помощью короткозамыкающего поршня, позволяющего изменять положение сечения, в котором создается короткое замыкание (т.е. общую длину короткозамкнутой линии), в пределах 100 мм.
Если зонд измерительной линии находится в узле электрического поля
(сечение “А” на рис. 5), то расстояние между зондом измерительной линии и сечением, в котором создано короткое замыкание, равно целому числу полуволн. При перемещении короткозамыкающего поршня будут перемещаться вдоль волновода и узлы электрического поля. При этом зонд измерительной линии снова окажется в узле электрического поля, когда короткозамыкающий поршень будет смещен на половину длины волны (рис. 5).
14
vэ
Отметим, что фазовая скорость vф и скорость распространения энергии
связаны соотношением
v |
v |
c2 . |
(5) |
ф |
э |
|
|
Зависимости скоростей |
vф |
и |
прямоугольном волноводе показаны рассчитаны по формулам (1), (2) и (5).
v |
э |
|
на
от длины волны волны Н10 в
рис. 6. Приведенные графики
15
7. Порядок выполнения работы
7.1. Включить тумблер питания генератора и дать генератору прогреться не менее 5 мин. Ручкой “Настройка” установить частоту 3000 Мгц.
Переключатель рода работ перевести в положение “Внутр. “. Переключатель
“Выход В.Ч.” должен находиться в положении, соответствующем испо-
льзуемому каналу выхода (I или II). Ручкой “Регулировка выхода” (I или II)
добиться наибольшего показания микроамперметра на лицевой панели генератора. После этого ручкой “Напряжение отражателя” добиться максимального показания микроамперметра.
7.2. Включить тумблер “Сеть” усилителя. При этом должна загореться индикаторная лампочка, расположенная на лицевой панели усилителя. Дать прогреться прибору несколько минут, затем установить стрелку прибора на нуль с помощью ручки “Установка нуля”.
16
ПРИМЕЧАНИЕ. В дальнейшем положение ручки “Установка нуля”
должно оставаться неизменным.
7.3. Измерить зависимость амплитуды напряженности электрического
поля от координаты x (см. рис. 2) в поперечной плоскости волновода.
Передвинуть зонд устройства 4 на середину широкой стенки волновода
(размер широкой стенки волновода а = 58 мм). Настроить головку детекторной секции устройства 4. Настройка производится по максимальному показанию микроамперметра усилителя с помощью ручек, расположенных на головке детекторной секции устройства 4. При этом указатель глубины погружения
иглы должен показывать 1...2 мм.
Так как измерения проводятся в короткозамкнутой линии, то необходимо, чтобы зонд устройства 4 находился в пучности электрического поля. Для этого нужно, перемещая поршень короткозамыкателя 3, добиться
наибольшего показания прибора.
Ручкой “Уровень”, расположенной на лицевой панели генератора и ручкой “Усиление”, находящейся на лицевой панели усилителя, добиться
максимального показания микроамперметра усилителя.
Перемещая зонд устройства 4 в поперечной плоскости волновода,
измерить зависимость амплитуды напряженности электрического поля |
E |
от |
координаты х. Построить график функции |
|
|
F1 x |
Ey x, z |
. |
|
||
|
|
||||
Ey a 2, z |
|
||||
|
|
|
z const |
|
|
|
|
|
|
|
|
ПРИМЕЧАНИЕ. При построении графика функции |
F1 x необходимо |
||||
учитывать, что Ey x, z |
|
, где |
|
||
|
– показание прибора, соответствующее |
||||
рассматриваемым значениям координат x и z. |
|
|
|||
17
7.4. Измерить зависимость амплитуды напряженности электрического
поля от координаты z в плоскости х = а/2 в режиме стоячей волны.
На вход усилителя 5 (рис. 1) подключить коаксиальный кабель от измерительной линии 2б. Настроить головку детекторной секции измерительной линии. Настройка производится по максимальному показанию микроамперметра с помощью ручек, расположенных на головке детекторной секции измерительной линии. При этом указатель глубины погружения иглы
должен показывать 0,5...1,5 мм.
Перемещая зонд измерительной линии вдоль волновода, найти сечение,
соответствующее пучности электрического поля (максимальному показанию прибора).
Ручками “Уровень” и “Усиление” добиться максимального показания
микроамперметра. |
|
|
|
Перемещая |
зонд измерительной линии, замерить зависимость |
||
амплитуды напряженности электрического поля |
E |
от координаты z с шагом 1 |
|
|
|
|
|
см. Уточнить положение нулей. Построить график функции
F |
E |
y |
a 2 |
|
z |
|
|
||
2 |
E |
|
a 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
max |
|
|
|
|
|
.
При построении графика учесть примечание к п. 7.3.
7.5. Измерить длину волны в волноводе. Поршень короткозамыкателя 3
установить в положение “0”. Зонд измерительной линии 2б расположить в узле электрического поля. Вращая ручку короткозамыкателя, изменить длину короткозамкнутой волноводной линии так, чтобы зонд измерительной линии опять оказался в узле электрического поля. При этом плоскость, в которой создано короткое замыкание, будет смещена относительно исходного положения на половину длины волны (см. рис. 3 и 4). По шкале
18
короткозамыкателя определить смещение короткозамыкающего поршня и соответствующее ему значение длины волны . По формулам (1) и (5)
вычислить фазовую скорость vф и скорость распространения энергии vэ .
7.6. Исследовать зависимость , vф , vэ от частоты. Настроить генератор на частоту 3100 Мгц. Установить короткозамыкающий поршень в начальное положение (сечение “0”). Передвинуть зонд измерительной линии в пучность электрического поля и настроить головку детекторной секции. Настройка производится по максимальному показанию микроамперметра усилителя (см. п.
7.4).
Ручками “Уровень” и “Усиление” добиться максимального показания микроамперметра.
Определить длину волны в волноводе, как описано в п. 7.5, и провести аналогичные измерения в диапазоне частот, указанном преподавателем.
По полученным данным рассчитать длину волны в волноводе, фазовую скорость и скорость распространения энергии. Построить графики зависимостей vф vф f и vэ vэ f в измеренном интервале частот.
8. Содержание отчета
В отчете должны быть представлены:
а) структурная схема установки и краткое содержание работы;
б) структура поля волны Н10 в прямоугольном волноводе;
в) результаты домашнего расчета;
г) таблицы значений измеренных величин ( F1 x , F2 z , vф f , vэ f ) и
графики этих зависимостей;
д) краткие выводы по работе.
19
9. Контрольные вопросы
9.1.Объясните условия распространения волны по любой линии
передачи.
9.2.Какие типы волн могут распространяться по прямоугольному
волноводу?
9.3.Объясните физический смысл индексов m и n в названии типа
волны.
9.4.Почему волна типа Т не может распространяться по прямоугольному волноводу?
9.5. Что такое критическая частота ( fкр ) |
и критическая |
длина волны |
|
( кр )? Выведите соотношение для вычисления кр |
в прямоугольном волноводе. |
||
9.6. Какими |
свойствами обладает волна Н10? Почему |
ее называют |
|
низшим типом волн |
в прямоугольном волноводе? |
|
|
9.7. Какими свойствами обладает поле в волноводе при кр ?
9.8.Почему в прямоугольном волноводе не могут распространяться
волны Е00, Н00, Е01 и Е10?
9.9.Какие волны называют вырожденными? Приведите пример таких
волн.
9.10. Как выбрать поперечные размеры прямоугольного волновода,
чтобы по нему распространялась только волна типа Н10?
9.11. Изложите методику измерения фазовой скорости волны vф,
используемую в данной работе.
9.12.Объясните основные способы возбуждения волны Н10 в
прямоугольном волноводе.
9.13.Объясните частотную зависимость коэффициента ослабления f
для волны Н10 в прямоугольном волноводе.