Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элементы и устройства магнитоэлектроники. Лабораторный практикум
.pdf
Сложение прямой и отраженной бегущих волн в волноводе при-
max
min
,
1Г.
+1
водит к образованию стоячей волны.
Если отражения в линии малы и нагрузка хорошо согласована с
линией, то максимальное значение амплитуды напряженности стоячей волны мало отличается от минимального (рис. 1.3, а). Если же
энергия почти полностью отражается от нагрузки, например от металлической
стенки, перекрывающей волновод, то амплитуда отраженной волны практически равна амплитуде падающей волны, а
максимальная напряженность стоячей волны значительно больше
минимальной (рис. 1.3, б). По отношению напряженностей электрического поля в пучности (максимуме) и узле (минимуме) стоячей
волны определяется коэффициент стоячей волны напряжений
(КСВН)
КСВН
А
=
(1.3)
A
где А
max
и А
– максимальное и минимальное показания индикатор-
min
ного прибора.
По величине КСВН можно определить коэффициент отражения
мощности Г в передающей линии (или в нагрузке)
КСВН
=
−
(1.4)
КСВН
Из приведенных соотношений ясно, что КСВН «чистой» бегущей
волны близок к единице, КСВН стоячей волны стремится к бесконечности (практически трудно измерить КСВН > 100).
КСВН твердотельных приборов, в частности, ферритовых, зависит от многих конструктивных факторов и меняется в пределах от
1,05 до 2. Хорошо согласованными приборами можно считать приборы с КСВН
= 1,05…1,3.
Большинство ферритовых приборов СВЧ используется для управления фазой или мощностью электромагнитной волны и поэтому
представляют собой проходные элементы – эквивалентные четырех-,
шести-, восьмиполюсникам. Кроме потери части мощности из-за отражения от входа прибора, другая часть ее теряется за счет поглощения в самом приборе. Поглощение обусловлено, в основном, диэлектрическими и магнитными потерями в материале приборов, и, отчасти, омическими потерями в стенках волновода.
11
Рис. 1.3. Распределение амплитуды электрического поля Еz вдоль оси
10lg ,
волновода при работе на волне основного типа: а – в режиме бегущей
волны; б – в режиме стоячей волны; в – в смешанном режиме
Ослабление энергии или прямые потери характеризуются отно-
шением, дБ,
Р
DР= (1.5)
пр
вх
вых
где Р
вх
и Р
– мощность на входе и выходе прибора.
вых
Если ферритовый прибор имеет невзаимные свойства, т.е. его характеристики зависят от направления распространения в нем электромагнитной волны, то целесообразно измерять отражение КСВН от входного
и выходного каналов, а также потери в обратном направлении (в направлении выход – вход). В используемой схеме
измерений для этого нужно
поменять местами фланцы исследуемого прибора.
12
1.3. Описание установки
Распространенным методом измерения КСВН является использо-
вание измерительных линий, потери измеряются методом замещения.
Измерительная линия – прибор, состоящий из отрезка волновода,
в широкой стенке которого посередине прорезана узкая щель, через
которую в волновод погружается тонкий металлический зонд. Электрическое поле в волноводе возбуждает переменную ЭДС в зонде.
Верхний конец
зонда находится в коаксиальном объемном резонаторе изменяемой длины. Зонд возбуждает в резонаторе колебания той
же частоты, что и в волноводе. Если собственная частота резонатора
совпадает с частотой волны в волноводе, то возбуждаемые колебания
имеют достаточно большую амплитуду и улавливаются кристаллическим СВЧ детектором, встроенным в резонатор. Меняя длину резонатора
, его можно настраивать на требуемую частоту. Сигнал с
детектора поступает на индикаторный прибор, например микроамперметр или измерительный усилитель, которым измеряется ток в
цепи детектора линии.
Зонд с резонатором и детектором укреплены на подвижной каретке с
нониусом, перемещающейся вдоль мерной линейки. Это позволяет с
высокой точностью (до 0,05 мм) измерять перемещения
зонда вдоль
волновода. Глубина погружения зонда в волновод определяет количество отбираемой энергии, но чем глубже введен зонд, тем больше вызываемые им отражения и потери в исследуемом волноводе. Нормальная
глубина погружения зонда 1,5…2 мм, при этом измерительная линия
практически не влияет на параметры волны в тракте.
Блок-схема установки для измерения
КСВН и потерь приведена
на рис. 1.4, волноводная часть ее обозначена двойными соединительными линиями. Рассмотрим роль и устройство основных приборов.
Генератор ГЗ-14А собран на двух отражательных клистронах.
Клистрон – вакуумная электронная лампа, в которой электроны с
катода сначала разгоняются в сильном ускоряющем поле, а затем,
пролетев по инерции сетчатый анод,
попадают в тормозящее поле
электрода с отрицательным потенциалом – отражателя. При торможении электроны отдают свою избыточную энергию в виде электромагнитного излучения с широким спектром частот. Механически перестраиваемый резонатор клистрона позволяет выбрать из спектра
торможения нужный нам частотный интервал. Подавая на отражатель клистрона низкочастотный периодический управляющий сигнал, можно
изменять амплитуду выходного сигнала клистрона, т.е.
использовать амплитудную модуляцию.
13
Рис. 1.4. Блок-схема установки для измерения КСВН и потерь:
1 - генератор СВЧ колебаний; 2 – калиброванный измерительный
аттенюатор Д5-5; 3 – измерительная линия Р1-3; 4 – исследуемый
элемент (прибор или узел); 5 – направленный ответвитель; 6 –
согласованная нагрузка; И – измерительный прибор
Обычно для модуляции применяется меандр – прямоугольные
симметричные импульсы с частотой 1000 Гц. Генератор конструктивно объединен с внутренним волномером (частотомером), что позволяет проверить точность настройки генератора на требуемую частоту. Волномером является объемный резонатор с механической перестройкой, момент настройки регистрируется встроенным в волномер детектором и индикаторным прибором, расположенным в
пра-
вой верхней части генератора.
Калиброванный аттенюатор марки Д5-5 служит для регулирования мощности в тракте и прецизионного измерения потерь. Рабочий
элемент аттенюатора – тонкая слюдяная пластинка, она создает
большое затухание СВЧ сигнала, если ориентирована вдоль направления электрического поля. Поворотом пластинки вокруг оси волновода можно точно и в широких
пределах регулировать прямые поте-
ри от 0,1 до 60 дБ.
Направленный ответвитель – волноводное устройство, позволяющее отобрать часть мощности из основного тракта, в данном случае
для измерения. Два прямоугольных волновода имеют общую стенку
и электрически связаны друг с другом щелью или отверстием в этой
стенке. Переходное ослабление направленного ответвителя выражается тем же
отношением, что и прямые потери.
14
Измерительным прибором служит либо высокочувствительный
микроамперметр типа М-95, либо измерительный усилитель. С помощью микроамперметров регистрируется постоянная составляющая
тока детектора, при этом генератор должен работать в режиме непрерывной генерации (НГ). При использовании измерительных усилителей чувствительность можно увеличить, но использование усилителя предполагает работу генератора в режиме внутренней амплитудной
модуляции, так как усилитель является резонансным по час-
тоте модуляции.
Оконечными элементами нашего тракта являются согласованная
нагрузка в основном плече и детекторная секция в плече направленного ответвления. Согласованная нагрузка – отрезок волновода с резиновым заполнением (резина, содержащая свободный углерод, активно поглощает СВЧ мощность и такой нагрузочный элемент почти
не создает отраженного сигнала). Согласованная нагрузка в измерительной схеме эквивалентна антенне. Детекторная секция – короткозамкнутый отрезок волновода со встроенным детектором – служит
для измерения мощности.
В качества исследуемого элемента в работе используются: короткозамыкающий поршень (реактивная нагрузка), согласованная нагрузка, открытый конец волновода с фланцем, а также реальное СВЧ
ферритовое устройство
– вентиль на смещении поля.
1.4. Порядок проведения работы и указания
по охране труда
Ознакомьтесь с общими указаниями по охране труда и руковод-
ствуйтесь ими при выполнении работы.
Подготовка установки к работе
1. Настроить генератор на частоту, указанную преподавателем.
Для этого необходимо по градуировочной таблице генератора (она
закреплена на лицевой панели прибора)
выбрать диапазон работы, в
котором заданная частота лежит ближе к середине, поворотом переключателя диапазонов включить нужный клистрон. Затем, вращая
ручку «Частота», установить на лимбе настройки клистрона число
делений, указанное в таблице.
2. Проверить генерацию клистрона в выбранном частотном интервале. Для этого переключатель «Термистор–Волномер» установить в положение «Термистор»,
уменьшить до предела выходную
мощность ручкой «Начальный уровень», установить, стрелку микроамперметра на нуль ручками «Нуль грубо» и «Нуль точно» (этими
15
действиями балансируется мостовая схема измерения мощности),
21
.
Х
затем открыть аттенюатор «Начальный уровень». Вращая плавно
ручки «Частота» и «Отражатель», добиться отклонения стрелки индикатора вправо, что будет свидетельствовать о наличии мощности
на выходе генератора. Ручками «Отражатель» и «Коррекция» добиться максимального отклонения стрелки.
3. Переключить тумблер индикатора в положение «Волномер».
По градуировочному графику
определить, какому положению нониуса соответствует заданная частота. Вращением маховика волномера установить нониус волномера в требуемое положение, затем
ручками «Частота» (очень осторожно!) и «Отражатель» добиться
максимального отклонения стрелки индикатора волномера. В случае
зашкаливания стрелки уменьшить чувствительность индикатора ручкой «Чувств.», и повторить подстройку на максимум сигнала.
4. Установить переключатель в
положение «Термистор» и ручкой
«Коррекция» вновь установить максимальную мощность.
При выполнении операций 3 и 4 целью является не установление
каких-то определенных значений на индикаторном приборе, а именно достижение максимальных отклонений. Настроенные максимумы
в процессе работы медленно убывают, поэтому по завершении части
работы целесообразно подстроить генератор.
Измерение КСВН
1. Включить измерительный прибор
линии Р1-3 и настроить линию
на заданную частоту. Для этого на выходной конец линии установить
короткозамыкатель и ввести зонд в волновод на глубину 3…4 мм.
2. Вращая настроечный винт и перемещая настроечную планку
линии, добиться максимального показания измерительного прибора.
В случае зашкаливания индикатора можно уменьшить глубину погружения зонда до 0,5…1 мм.
3.
Определить координату узла стоячей волны (рис. 1.5). Перемещая каретку линии, найти узел Х
одинаковым показаниям индикатора линии вблизи узла (точки А
А
) – метод «вилки», после чего определить положение узла стоячей
2
Х
волны как
Х
0
+
=
2
(минимум напряженности) по двум
1
1
и
4. Приступить к измерению КСВН различных оконечных элемен-
тов. Для этого нужно к линии поочередно подключать измеряемые
элементы и измерять показания индикатора линии в узле А
пучности А
cтоячей волны. Измерения надо проводить для двух
max
min
и в
пар положений «узел–пучность» по каждому измеряемому элементу.
При измерении КВСН вентиля на его выходной фланец следует установить согласованную нагрузку.
16
Рис. 1.5. Определение узла стоячей волны методом «вилки»
I II I III
2( ) )
Измерение λ
Пользуясь методом «вилки», найти положение узлов X
жайший к оконечному элементу тракта!), затем Х
в
II
III
, Х
0
0
I
(бли-
0
(по порядку
справа налево). При нахождении узлов максимально использовать
точность нониуса измерительной линии. Определить длину волны в
волноводе λ
, сравнить её с расчетным значением для заданной час-
в
тоты:
ХХ ХХλ= − = − . (1.6)
в 00 00
Измерение потерь
1. Подключить индикаторный прибор к детекторной секции в
плече направленного ответвителя.
2. Установить калиброванный измерительный аттенюатор в нуле-
вое положение.
3. Регулируя выходную мощность генератора, установить макси-
мальное отклонение индикаторного прибора.
4. Переключив генератор в режим микроваттного выхода ручкой
«Выход – мкВт», заменить в тракте исследуемый элемент (прибор)
отрезком прямоугольного волновода
примерно равной длины.
5. Переключить генератор вновь на милливаттный выход.
6. Увеличивая прямые потери в тракте с помощью измерительного
аттенюатора, восстановить отклонение индикатора, полученное в п. 3.
7. По шкале аттенюатора отсчитать значение ослабления сигнала (дБ),
соответствующее потерям в исследуемом элементе.
Задание
1. На частоте, заданной преподавателем, рассчитать длину волны
в волноводе, а
затем измерить ее с помощью линии Р1-3.
17
2. Измерить КСВН тракта, оконечным элементом которого явля-
р
f
f
ется согласованная нагрузка, короткозамыкатель, вход и выход ферритового прибора.
3. Измерить прямые или обратные потери в ферритовом приборе
трехсантиметрового диапазона.
4. Усложненный вариант: измерить прямые потери ферритового
прибора в четырех точках частотного интервала 8,5…10,5 Гц, т.е.
измерить частотную зависимость вносимых потерь
1.5. Обработка результатов
1. Рассчитать на заданной частоте λ и λ
0
в
(по формуле (1.6)) с точ-
ностью не менее двух знаков после запятой.
′
2. Определить λ
3. Рассчитать абсолютную погрешность Δλ
тельную погрешность Δλ
из эксперимента по формуле (1.6).
в
= (λ
в
/ λ′в.
в
0
– λ
в
′
) и относи-
в
4. Вычислить по формулам (1.3) и (1.4) значения КСВН и Г для
всех оконечных элементов (средние арифметические по двум измерениям).
5. По градуировочным графикам оценить относительную погреш-
Δ
ность установки частоты на генераторе
.
аб
6. Результаты наблюдений представить в форме табл. 1.1 и табл. 1.2.
Таблица 1.1
Длина волны в волноводе
f
=
раб
λ = λ
I
X
= X
0
′
λ
= Δλ = Δλ / λ =
в
II
= X
0
Δf / f =
0
=
в
III
=
0
Таблица 1.2
КСВН и потери
Оконечный
элемент
А
max
A
min
КСВН Г D
пр
D
обр
18
1.6. Отчет о работе
Отчет должен содержать:
– цель работы;
– краткое теоретическое введение;
– схему измерительного тракта, измерительной линии;
0
– расчет λ
и данные экспериментального определения λв;
в
– расчет КВСН и Г для всех оконечных элементов на заданной
частоте;
– величины прямых и обратных потерь ферритового СВЧ прибора;
– выводы.
Литература
Покусин Д.Г., Крутогин Д.Г. Применение ферритовых элементов.
М.: МИСиС, 1981. С. 17–32.
Контрольные вопросы
Для допуска к работе
1. В чем особенности линий передачи на СВЧ?
2. Какие параметры характеризуют электромагнитную волну в
волноводе?
3. Как влияют материальные параметры среды на условия распро-
странения волны в СВЧ тракте?
4. Как работает измерительная линия?
5. При каких условиях измерительная линия не влияет на изме-
ряемые величины?
6. Как измерить потери в тракте?
7. Зачем нужно измерять квадратичность детектора измеритель-
ной линии?
Для защиты работы
1. Что такое КВСН, зачем нужен этот параметр?
2. Что такое коэффициент отражения, что он характеризует ?
3. Какие параметры можно измерить с помощью измерительной
линии?
4. Какова погрешность при работе с измерительной линией?
5. Какие вы можете предложить способы автоматизации измере-
ния КСВН?
6. Как можно исследовать параметры волн высших типов?
19
Лабораторная работа 2
00
,
2
H
mc
711
ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЯВЛЕНИЙ ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
В НАМАГНИЧЕННЫХ ФЕРРИТАХ
(2 часа)
2.1. Цель работы
Экспериментально исследовать явления ферромагнитного резонанса в ферритах и численное моделирование зависимости эффективных проницаемостей феррита от напряженности внутреннего магнитного поля.
2.2. Теоретическое введение
Ферромагнитный резонанс
Как известно из общей теории ферромагнетизма, спиновый магнитный
момент электрона прецессирует вокруг вектора намагниченности в ферромагнетике, направление намагниченности в намагниченном ферромагнетике совпадает с направлением внешнего магнитного поля, а в размагниченном ферромагнетике внутри каждого
домена имеется собственное направление магнитного момента.
Частота прецессии спина связана с величиной магнитного поля Н
линейно
0
где e, m – соответственно заряд и масса электрона;
g – фактор спектроскопического расщепления для спина (фактор
Ланде); g = 2,0023;
с – скорость света.
Полагая с достаточной точностью g = 2, обозначим магнитомеха-
ническое отношение для спина:
Тогда из формулы (2.1) имеем
ω
20
eg
ω=
e
γ 1, 76 10 Эс
==⋅ . (2.2)
S
mc
2
= γ
0
(2.1)
−−
.
Н. (2.3)
S
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]