Копия файла ЭД_лаб

Рассчитаем модуль коэффициента отражения:

|Гн | (1.9 1)(1.9 1) 0.31.

Используя линейку с отмеченными значениями |Гн |, соединим положение центра диаграммы и найденное значение на окружности. Определим окружность, радиус которой соответствует значению 0.31. Данная точка (0.75; 0.5)иестьзначениеполногосопротивления,описываемая пересечением вещественной окружности и реактивной дуги. Для данного условия вещественная часть равна 0.75, а мнимая 0.5. Таким образом, учитывая, что ЛП согласована с генератором сопротивлением 50 Ом, получим полное волновое сопротивле-

ние Zн ZнZ0 0.75 i0.5 50 37.5 25i Ом.

3.2. Описание лабораторной установки

Структурная схема установки представлена на рис. 3.1. В состав установки входят следующие элементы: 1 – измерительный СВЧ-генератор, 2 – частотомер, 3 – регулируемый аттенюатор, 4 – измерительная линия, 5 – детекторный диод, 6 – индикатор (милливольтметр), 7 – исследуемый элемент, 8 – согласованная нагрузка.

Рис. 3.1

Дляисследования режима «бегущей»и «стоячей» волн вместоэлемента 7и 8 помещаются согласованная нагрузка или короткозамыкатель соответственно.

Для исследования волнового сопротивления анализатор цепей «Обзор 804/1» производства фирмы ООО «ПЛАНАР» подключают к исследуемому элементу 7 и согласованной нагрузке 8 при помощи коаксиально-волновод- ного перехода иотрезка прямоугольного волновода.«Обзор804/1»предназначен для исследования передаточных характеристик радиочастотных цепей в частотном диапазоне от 300 кГц до 8 ГГц при значениях передаваемой мощности от –60 до +10 дБм. Анализатор цепей позволяет измерять частотные зависимости амплитуды, фазы, коэффициента стоячей волны, вещественной и мнимой частей сопротивления, группового времени задержки для прошедшего и отраженного радиосигналов.

21

3.3.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с аппаратурой, входящей в лабораторную установку.

2.Изучить конструкцию и основные характеристики измерительной линии. Определить размер широкой стенки волновода и размеры щелей двух исследуемых элементов.

3.Включить измерительный генератор согласно инструкции и настроить на заданную преподавателем частоту.

4.Измеряя максимумы и минимумы значений напряжения на выходе СВЧдиода,построитьраспределениенапряженностиэлектрическогополявдольлинии при подключенном короткозамыкателе, согласованной нагрузке, исследуемых элементахи безнагрузки.

5.Для двух исследуемых элементов провести измерения относительных фазовыхсдвигов .Дляэтогозафиксироватьположение lКЗ одногоизминимумов

(или максимумов) распределения напряженности поля при подключенном короткозамыкателе. Затем заменить короткозамыкатель на исследуемый элемент по схеме, представленной на рис. 3.1, и определить положение минимума (максимума) lн,ближайшего кранее найденному lКЗ.

6. Для определения КСВ необходимо установить зонд в положение минимума и зафиксировать показания индикатора; затем, установив зонд в положение максимума, увеличить затухание встроенного в генератор аттенюатора до получения прежних показаний индикатора и определить разность в децибелах по шкале аттенюатора A2 A1 A. Значения КСВ в децибелах определяется

с учетом определения коэффициента затухания A 20 lg Emax Emin следующим образом КСВ 10 A/20.

7. Определить полное сопротивление исследованного элемента, используя круговую диаграмму Вольперта–Смита и результаты измерений

(2 l в ; КСВ;|Гн |).

8.Повторить пп.4–7 на заданных преподавателем частотах.

9.Рассчитать активные и реактивные составляющие полного сопротивления,используя соотношения (3.1)–(3.4) на заданных преподавателем частотах.

10.Изучить устройство и принцип действия анализатора цепей «Обзор 804/1» производства фирмы ООО «ПЛАНАР».

22

11.Включить анализатор цепей переключателем «POWER» на лицевой панели и подготовить его к работе согласно инструкции. Проверить наличие подключения USB-кабеля от анализатора цепей к ПК.

12.Включить на ПК программу «S2VNA». Убедиться в том, что частотный диапазон свипирования анализатора цепей по частоте установлен в пределах от 300 кГц до 8 ГГц. Установить значения позиций «Старт» и «Стоп», а также число точек (меню «Стимул» → «Число точек»), в соответствии с диапазоном частот, заданным преподавателем.

13.По указанию преподавателя провести калибровку кабелей.

14.Подключитьканализаторуцепейизмерительнуюлиниюсэлементами

из п.4.

15.Измерить волновые сопротивления при помощи диаграммы Воль- перта–Смита. Для этого перевести прибор в режим измерения «S11» с помощьюменю«Отклик»→«Измерение»→«S11».Передпроведениемизмерений убедитесь, что единицы измерения «S11» переведены в состояние «Вольп

(лин)».

16.Сохранить данные диаграммы Вольперта–Смита (меню «Сохр/Восст»

→«Сохранить данные графика» → «Сохранить…» → *.csv).

3.4.Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Теоретические сведения.

3.Блок-схемы измерений.

4.Эскизыисследуемыхэлементовс указаниемих геометрических размеров.

5.Протокол измерений.

6.Представленныенаодномрисункераспределениянапряженностиэлектрического поля вдоль линии при подключении согласованной нагрузки, короткозамыкателя,исследуемыхэлементов,атакжеизмерения безнагрузки.На графике необходимо указать значение длины волны в.

7.Значения длины волны в волноводе, определенной двумя способами: в соответствии с (1.1) и из распределения напряженности поля при подключенном короткозамыкателе.

23

8.Расчетыпараметровисследуемыхэлементов:модуля коэффициентаотражения Гн по (3.2) и по измеренному значению A; фазового угла в градусах; полного сопротивления Zн, определенного по (3.4).

9. Основные элементы круговой диаграммы с нанесенными на ней значениями экспериментально найденных точек, определяющих Zн, а также описание последовательности действий.

10.Сравнение значений полных сопротивлений, полученных при выполнении лабораторной работы в пп. 7, 9 и 15.

11.Выводы.

3.5.Контрольные вопросы

1.Для чего необходима согласованная нагрузка в схеме измерительной установки?

2.Для чего и каким образом измеряется распределение напряженности электрического поля вдоль линии?

3.Как экспериментально определить длину волны в линии передачи?

4.Какое значение принимает КСВ приподключённом короткозамыкателе?

5.Какова методика определения полного сопротивления исследуемого элемента при помощи круговой диаграммы сопротивлений?

6.Какие режимы волн распространяются в волноводе? В каком случае реализуется режим стоячей волны?

7.Как определяется полное сопротивление элемента? Что такое волновое сопротивление, а также характеристическое сопротивление воздуха?

24

Лабораторная работа 4. НЕВЗАИМНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА: ФАРАДЕЕВСКИЙ ВРАЩАТЕЛЬ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Цель работы – ознакомление с эффектом необратимого вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через линию передачи, содержащую феррит.

4.1. Основные положения

Ферриты – это группа содержащих ионы железа материалов, которые обладают одновременно магнитными свойствами ферромагнетиков и электриче-

скими свойствами диэлектриков (εr = 5…20, 10 5 Ом 1 м 1). Свойства ферритов в значительной степени определяются их структурой. Наиболее широкое применение находят ферриты со структурой шпинели (например, железоникелевый феррит NiFe2O3, марганцевый феррит MnO Fe2O3) и со структурой граната (например, железоиттриевый гранат Y3Fe5O12 – ЖИГ). Благодаря наличию ионов железа ферриты обладают большой магнитной проницаемостью и спонтанной намагниченностью. На рис. 4.1 показана кривая намагничивания ферромагнитного материала.

В ненамагниченном состоянии феррит представляет собой конгломерат областей, магнитные моменты которых ориентированы в различных направлениях. Под воздействием переменного магнитного поля магнитные моменты указанных областей отклоняются в направлении вектора H, в результате появляется вектор магнитной поляризации (вектор намагниченности, определяемый как магнитный момент единицы объема), совпадающий с вектором напряженности внешнего поля, и магнитная проницаемость является скалярнойвеличиной.Поэтомусвойстваненамагниченногоферрита дляпеременных полей любого направления одинаковы и распространение электромагнитных волн в нем происходит так же, как в любой другой изотропной среде.

Постоянное магнитное поле Н0 ориентирует магнитные моменты атомов железа вдольвнешнегополя,врезультате чегоферритприобретаетанизотропные свойства, а его магнитная проницаемость для переменных электромагнитных полей становится тензорной величиной. Слабое переменное магнитное поле h, перпендикулярное намагничивающему полю Н0, заставляет магнитные моменты прецессировать вокруг вектора Н0 (рис. 4.2).

25

B

у

Если постоянное поле направлено вдоль оси z (Н0 = еzН0), а переменное полеhемуперпендикулярно(h=exhx+eyhy),тензормагнитнойпроницаемости насыщенного феррита имеет вид

где 1 0 м 2 02 ; м 2 02 ; 0 e 0H0me ;

м e 0M0me ; 0 – собственная частота прецессии магнитного момента электрона в постоянном поле H0; e– заряд электрона, 0 – магнитная постоянная, me – масса электрона, а М0 – спиновый магнитный момент электрона.

Вектор магнитной индукции электромагнитной волны b связан с вектором напряженности магнитного поля h соотношением b = h или bx 0 hx i hy , by 0 i hx hy и bz 0hz 0.

Итак, компоненты тензора зависят от напряженности постоянного поля, и поэтому векторы b и h имеют различные соотношения между компонентами. Отсюда следует важное свойство намагниченного феррита – вращение плоскости поляризации электромагнитной волны, которое называется эффектом Фарадея.

Вращение плоскости поляризации в волноводе, содержащем намагничен-

ный феррит. Рассмотрим круглый цилиндрический волновод, содержащий продольнонамагниченныйферритовыйстержень(рис.4.3).Пустьвволноводе возбуждается волна типа H11. Будем считать, что присутствие ферритового стержня не искажает распределения поля в поперечном сечении волновода и

26

что частота много больше собственной частоты прецессии (в этом случае активными потерями в феррите можно пренебречь).

Пусть на вход устройства подается плоскополяризованная волна (плоскость поляризации – это плоскость, составленная вектором Е и направлением распространения волны). Плоскополяризованную волну можно представить в виде суммы двух распространяющихся в противоположных направлениях волн круговой поляризации с противоположным направлением вращения векторов напряженности поля.

z

Рис. 4.3

Напряженностьмагнитногополяплоскополяризованнойволныможнозаписать как

Hm cos( t z) 12 Hme i( t z) 12 Hmei( t z).

На рис. 4.4 графически показана разложение плоскополяризованной волны на две волны круговой поляризации с амплитудой 1/2Нm.

Благодаря анизотропии феррита условия распространения волн с разными направлениями вращения

различны, соответственно, различны фазовые скорости каждой из волн ( + –) и набеги фазы на длине z. В результате плоскость поляризации реальной волны Н11 постепенно поворачивается по мере движения волнывдольволновода,причемуголповорота плоскости поляризации пропорционален расстоянию z от

входной плоскости и зависит от намагничивающего поля Н0, частоты СВЧ-сигнала , а также от размеров

27

и от материала ферритового стержня: z ,где коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры и диэлектрические характеристики феррита. Для 0 выполняется неравенство

м 1 0 2 ,тогда ( ,H0) м 1 e 0H0 me 2 z.

Волна, распространяющаяся в такой среде по одной и той же траектории, но в разных направлениях, будет приобретать разный набег фаз, следовательно, теорема взаимности не выполняется. Таким образом, благодаря анизотропным свойствам среды ферритовый вращатель плоскости поляризации является невзаимным устройством.

4.2. Описание экспериментальной установки

Блок-схема лабораторной установки для изучения эффекта вращения плоскости поляризации электромагнитной волны,проходящей через линию, содержащую феррит, приведена на рис. 4.5. Источником СВЧ-колебаний служит генера- торГ4-83,работающийврежиме внутренней амплитудной модуляции меандром. Сигнал с выхода генератора 1 через коаксиальный кабель 2 подается на вход рупорной антенны 3. СВЧ-сигнал, излучаемый из открытого конца рупорной антенны 3 принимается открытым концом отрезка цилиндрического волновода 5, содержащего ферритовый стержень. Постоянное магнитное поле Н0, намагничивающее феррит в продольном направлении, создается катушкой, через которую пропускается управляющий ток I от источника постоянного тока 4. СВЧ-сигнал, прошедший отрезок цилиндрического волновода с ферритом, после детектированиядетектором 7регистрируется на экранемилливольтметра 6.

4

Рис. 4.5

Намагничивание феррита постоянным магнитным полем Н0, создавае-

мымтокомIвкатушке,приводиткповоротуна угол плоскостиполяризации электромагнитной волны, излучаемой в окружающую среду из открытого

28

конца цилиндрического волновода. Угол поворота плоскости поляризации зависит от силы тока I, протекающего через катушку, и от частоты сигнала. Угол поворота плоскости поляризации волны фиксируется измерением угла поворота рупора приемной антенны вокруг горизонтальной оси, при котором наблюдается максимум регистрируемого сигнала.

4.3.Порядок выполнения работы

1.Собрать схему в соответствии с рис. 4.5.

2.Установить ручки приборов в следующие положения: 1) генератор СВЧ-сигналов Г4-83:

– кнопки управления амплитудой сигнала отжаты;

– ручку «Уровень» в крайнее левое положение;

– частота 9.4 ГГц; 2) блок питания постоянного тока:

– напряжение 4 В;

– ток 0 А;

– ручку «Усиление» в положение, соответствующее минимальной чув-

ствительности.

3.Включить приборы и дать им прогреться в течение 20…30 мин.

4.Нажать на панели генератора Г4-83 кнопку «».

5.Установить на экране осциллографа развертку огибающей СВЧсигнала (меандр) в пределах половины экрана, увеличивая выходную мощность генератора ручкой «Уровень» и чувствительность осциллографа.

6.Найти положения минимума и максимума принимаемого сигнала, перемещая рупор приемной антенны вдоль направляющей.

7.Установить рупор приемной антенны на расстоянии, соответствующем максимуму принимаемого сигнала.

8.Измерить зависимость регистрируемого сигнала от угла поворота ру-

пора (0…180 ).

9.Измерить зависимость принимаемого сигнала от угла поворота рупора при трех значениях тока управления (10; 30; 60 мА).

10.Выключить ток. Установить угол поворота рупора, соответствующий минимальному принимаемому сигналу.

11.Измерить зависимость угла поворота рупора, который соответствует минимальному сигналу, от тока управления (0; 10; 20; 40; 60 мА).

29

12.Изменить направление тока. Повторить измерения по пп. 9–11.

13.Вернуть ручки приборов в исходное положение.

14.Выключить приборы.

4.4. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Теоретические сведения.

3.Блок-схема лабораторной установки.

4.Протокол измерений.

5.Графики зависимости амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора при различных значениях тока через катушку.

6.График зависимости угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны от управляющего тока.

7.Выводы.

4.5.Контрольные вопросы

1.Что такое оптический эффект Фарадея?

2.Какие уравнения учитывают анизотропию свойств феррита?

3.Какая электромагнитная волна называется поляризованной? Какие типы поляризации электромагнитных волн существуют?

4.От чего зависит магнитная проницаемость намагниченного феррита?

30