Методички / Работа № 12

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра технической электродинамики и антенн

Лабораторный практикум № 12

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ И НАСТРОЙКА ВОЛНОВОДНОЙ ЛИНИИ В РЕЖИМ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Москва 2021

План УМД на 2020/2021 уч. г.

Лабораторный практикум № 12 ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ И НАСТРОЙКА

ВОЛНОВОДНОЙ ЛИНИИ В РЕЖИМ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Составитель: Т. А. Гайнутдинов

Утверждено советом факультета Р и Т.

Протокол № от марта 2021 г.

Рецензент ст. преп. О.И. Ястребцова

5.1.На частоте, заданной преподавателем, снять кривую распределения амплитуды поля в продольном сечении волновода, замкнутом накоротко, и по найденному распределению определить длину волны в волноводе.

5.2.Измерить коэффициент бегущей волны (КБВ) и смещение узла

5.3По круговой диаграмме полных сопротивлений определить нормированное сопротивление и нормированную проводимость включенной нагрузки, а также место включения и нормированную проводимость согласующего элемента (расчет произвести для емкостного согласующего элемента).

5.4Настроить волновод в режим бегущей волны с помощью емкостного штыря.

6.ПОРЯДОК И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

6.1Включить генератор. Замкнуть волновод накоротко и передвигая зонд по всей длине измерительной линии, снять кривую распределения напряженности электрического поля в продольном сечении волновода. Методом вилки уточнить положение нулей (узлов амплитуды напряженности электрического поля). Достаточно определить координаты любых двух соседних узлов М1

и М2 6.2 По данным, полученным при выполнении п.6.1, определить

длину волны в волноводе 2 M2 M1

6.3. Установить зонд измерительной линии в один из узлов. Ввести емкостной штырь согласующей секции и передвигая его вдоль секции, определить в ней положение узла ( в узле изменение глубины погружения не изменяет показания микроамперметра). Записать положение узла в согласующей секции. Вывести штырь 6.4 На выходе волновода заменить короткозамыкающую пластину заданной нагрузкой. Измерить КБВ и в линии. Величина КБВ находится путем измерения наибольшего( max ) и наименьшего( min )

показания микроамперметра при передвижении подвижного зонда вдоль измерительной линии. Так как характеристика кристаллического детектора при малых сигналах почти квадратична, то показания прибора пропорциональны квадрату напряжения, приложенного к детектору. Поэтому КБВ min .

Для определения нужно найти положение узла амплитуды

расстояние от него до ближайшего узла при коротком замыкании М1. Тогда M1' M1

6.5 По найденным в п.6.4 значениям КБВ и отношению / с учетом направления смещения узла необходимо определить нормированное сопротивление и нормированную проводимость нагрузки.

6.6. По найденной в п.6.5 нормированной проводимости нагрузки с помощью круговой диаграммы необходимо определить сечение линии, в которое следует вводить емкостной штырь для настройки линии в режим бегущей волны.

6.7 Передвинуть емкостной штырь согласующей секции на рассчитанное в п.6.6 расстояние от точки, соответствующей узлу в режиме КЗ, определенной в п.6.3. Постепенно изменяя глубину погружения штыря, настроить волноводную линию в режим бегущей волны. При изменении глубины погружения штыря зонд измерительной линии должен находиться либо в узле амплитуды напряженности электрического поля, либо в пучности. Линия считается настроенной в режим бегущей волны если КБВ 0.9 .

6.8 Оформить отчет и представить его преподавателю

7.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

7.1Цель работы.

7.2Блок-схема лабораторной установки.

7.3Результаты домашнего расчета (см. раздел 3).

7.4Значения величин, полученных экспериментально.

7.5График, характеризующий распределение амплитуды поля в продольном сечении волновода при КЗ по данным, полученным в п.6.1

7.6Результаты расчета положения согласующего элемента

7.7Результаты согласования (величина КБВ после настройки)

7.8Краткие выводы по работе

8.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

8.1Что такое коэффициент отражения, коэффициент бегущей волны и коэффициент стоячей волны и от чего они зависят?

8.2Включению какой нагрузки эквивалентно присоединение

короткозамкнутого отрезка линии длиной l / 4 и / 4 l / 2 ?

8.3Куда сдвигается минимум амплитуды напряжения в линии по сравнению с ближайшим узлом при КЗ при чисто емкостной нагрузке на конце линии? Объяснить результат

8.4То же самое, что в п.8.3, но при чисто индуктивной нагрузке.

8.5То же самое, что в п.8.3, но при чисто активной нагрузке.

8.6То же самое, что и в пп.8.3…8.5, но при учете потерь в линии передачи.

8.7От чего зависит длина волны в волноводе?

8.8На основе каких соображений проводится анализ распространения электромагнитных волн в волноводах конечной длины?

8.9Что называют входным, нормированным входным, эквивалентным, нормированным эквивалентным и волновым сопротивлением линии передачи?

8.10На основе каких соображений вводится понятие длинной линии, эквивалентной волноводу? Как определяется волновое сопротивление волновода?

8.11В чем состоит метод измерения сопротивления линии?

8.12С какой целью стремятся согласовать сопротивление нагрузки с волновым сопротивлением линии? нове каких методов может быть решена задача согласования?

8.13В чем состоит метод согласования линии с помощью реактивного элемента?

8.14В чем состоит метод согласования с помощью четвертьволновой вставки?

8.15Как осуществляется широкополосное согласование?

8.16Для чего в волноводных линиях передачи используют диафрагмы? Перечислите типы диафрагм, объясните их принцип действия. Нарисуйте эквивалентные схемы диафрагм.

9. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Седов. В.М, Гайнутдинов Т.А. Электромагнитные поля и волны. - М. Горячая линия Телеком, 2017. с. 210-238

2.Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика.- М:Радио и Связь, 2000. с.360-388, с.401-407

3.Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.- М. Высшая школа.

1988. с. 36-47

ПРИЛОЖЕНИЯ П.1 ЭКВИВАЛЕНТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЛИНИИ И

ФОРМУЛА ТРАНСФОРМАЦИИ При анализе процессов, происходящих в линиях передачи

конечной длины, обычно пользуются методами теории длинных линий, основанных на концепции падающих и отраженных волн. Структура каждой, отдельной падающей или отраженной волны предполагается такой же, как в линии бесконечной длины. Напряжение и ток в длинной линии рассматриваются соответственно как суммы напряжений и токов падающей и отраженной волны

где z - расстояние от конца линии (нагрузки) до исследуемого

волны в линии, - коэффициент отражения по напряжению. Отношение амплитуд напряжения и тока в бегущей (падающей)

ясный физический смысл. Если обрезать линию в сечении z (от генератора до сечения с координатой z) и нагрузить оставшуюся часть линии на сопротивление нагрузки численно равное Z (z), то распределение амплитуд напряжения и тока в оставшейся части линии останется таким же как и до обрезания. Эквивалентное сопротивление, вычисленное для сечения, соответствующего входу

эквивалентное сопротивление равно сопротивлению нагрузки Zн Z (0) . Очевидно, что эквивалентное сопротивление линии в

сечении z равно входному сопротивлению отрезка линии длиной z , нагруженного на сопротивление Zн .

Отношение эквивалентного сопротивления к волновому

называют нормированным входным сопротивлением линии и нормированным сопротивление нагрузки. Помимо нормированных сопротивлений используют и нормированные проводимости. Нормированная эквивалентная проводимость линии определяется

Волновод является одним из видов линии передачи, поэтому полученные в теории длинных линий результаты можно использовать и при рассмотрении волноводов. Во многих случаях, особенно связанных с оценкой эффективности переноса мощности электромагнитного поля по волноводу, оказывается удобным вместо волновода рассматривать эквивалентную ему двухпроводную длинную линию [1,2].

В волноводной технике стараются пользоваться только нормированными сопротивлениями и проводимостями [1-3]. Из теории длинных линий [1-3] известна формулы, связывающая

Формулы (2) показывают как трансформируется эквивалентное сопротивление (проводимость) вдоль длинной линии, поэтому эти формулы принято называть формулами трансформации. Частным случаем формул трансформации (формул пересчета) является ситуация, когда в качестве начального сечения z выбирается сечение нагрузки (z 0) , и формулы (2) приобретают вид

следует, что эквивалентные нормированные сопротивления (проводимости) являются периодическими функциями продольной координаты z с периодом / 2, поэтому для полного описания

трансформации эквивалентных сопротивлений (проводимостей) вдоль длинной линии достаточно определить эти величины на

сопротивления (проводимости) связаны с величиной коэффициента отражения и КБВ следующими соотношениями

П.2 КРУГОВАЯ ДИАГРАММА ПОЛНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ

Сравнительно высокая трудоемкость вычислений по формулам

(2) и (4), необходимых для определения энергетической эффективности процесса переноса мощности по линии передачи привела к созданию специального устройства, необходимого для упрощения расчетов по (2), (4) при сохранении приемлемой с инженерной точки зрения точности. Данное устройство получило название круговая диаграмма полных сопротивлений (диаграмма Вольперта-Смитта). В дальнейшем мы не будем использовать термин нормированные сопротивления и проводимости, а просто говорить о сопротивлениях и проводимостях, поскольку круговая диаграмма используют только нормированные величины Общий вид диаграммы приведен на рис.2, а вид в масштабе, достаточном для проведения практических расчетов, в приложении 4

семейства кривых, внешняя окружность с указанием направления