Anisimov

Для волны типа Н10 фазовая скорость определяется выражением

Фазовая скорость электромагнитной волны в волноводе является функцией частоты электромагнитного колебания. Такое явление получило название дисперсии. На рис.11 показаны дисперсионные характеристики прямоугольного волновода для основного в первых высших типах колебаний.

C0

1

Рис.11. Дисперсионные характеристики прямоугольного волновода

Наличие дисперсии при достаточно большой ширине спектра радиосигналов приводит к нелинейным искажениям сигналов, передаваемых по волноводу. Но в некоторых СВЧ устройствах явление дисперсии является полезным и используется в работе устройств.

Дисперсию можно исследовать, получая в волноводе режим стоячих волн. Тогда поле в волноводе можно представить в виде наложения падающей и отраженной волн. Амплитуда поля в волноводе будет функцией продольной координаты z и изменяется, как показано на рис.12, причем расстояние между

соседними нулевыми значениями амплитуды равно /2.

22

Рис. 13. Частотные зависимости постоянных затухания волн для прямоугольного волновода

В действительности, затухание поля в волноводе вызывается и другими причинами, к которым относятся поглощение энергии поля в среде, заполняющей волновод, передача части энергии колебаниям других типов в волноводе и т. д., поэтому реальная величина постоянной затухания превосходит рассчитанную по формулам. Для точного определения постоянной затухания прибегают к измерениям.

Для измерений можно использовать замкнутый на конце волновод, присоединенный к измерительной линии. В измерительной линии будут действовать две волны: падающая, бегущая в волноводе, и отраженная от короткозамкнутого конца волновода. Обозначим через Е0 амплитуду падающей волны в измерительной линии. За счет затухания в волноводе поля у короткозамыкателя будут иметь амплитуду Е0exp(- l), где l – длина волновода между короткозамыкателем и зондом измерительной линии. Волна, отраженная от короткозамыкателя, еще раз проходит через волновод, и в измерительной линии ее амплитуда равна E0exp(-2 l).

Определяя при помощи измерительной линии коэффициент стоячей волны в тракте (КСВ), равный отношению максимальной амплитуды волны в волноводе измерительной линии к минимальной амплитуде, получим:

Отсюда 1l arccth(KCB).

В реальных волноводах постоянная затухания достаточно мала, поэтому можно записать приближенное выражение

l KCB1 .

24

Описание лабораторной установки

Функциональная схема установки для исследования электромагнитного поля в прямоугольном волноводе приведена на рис.14.

ИНДИКАТОР

Рис. 14. Функциональная схема лабораторной установки

Установка содержит СВЧ генератор, работающий в режиме внутренней модуляции, развязывающий ферритовый вентиль В, измерительную линию ИЛ, волновод прямоугольного сечения, закороченный на конце, индикатор. В тракт также включен аттенюатор А.

Вырабатываемая генератором волна проходит по СВЧ тракту, отражается от короткозамыкателя КЗ и возвращается в обратном направлении. Отраженная волна поглощается вентилем. В волноводе измерительной линии образуется структура поля, близкая к стоячей волне. С зонда измерительной линии сигнал детектируется детектором. Величина сигнала пропорциональна квадрату амплитуды электрической составляющей поля в волноводе в месте расположения зонда измерительной линии. Перемещая зонд измерительной линии, можно снимать картину распределения электрической составляющей поля стоячей волны в продольном направлении. Одновременно можно измерять расстояние между узлами стоячей волны и КСВ в волноводе. Сигнал с выхода измерительной линии подается на индикатор.

Для измерения распределения электрической составляющей поля в поперечном сечении волновода по оси «х» применяется аттенюатор, который содержит пластинку из поглощающего материала, вводимую в волновод параллельно силовым линиям Еy. Амплитуда волны, проходящей через аттенюатор, изменяется таким образом, что сигнал на выходе измерительной линии в первом приближении описывается функцией

25

Порядок выполнения работы

1.Включить аппаратуру установки согласно инструкциям по эксплуатации используемых приборов, прогреть аппаратуру в течение 10–15 мин. Настроить генератор на необходимую частоту. На указанной частоте настроить генератор на максимальную выходную мощность. Регулировкой аттенюатора А установить нулевые показания на его шкале. Убедиться, что при этом показания индикаторного прибора зависят от уровня СВЧ мощности.

2.Изучить картину поля стоячей волны основного типа в прямоугольном волноводе.

2.1.Изучить картину поля волны основного типа в продольном сечении. Переместить зонд измерительной линии в пучность стоячей волны в волноводе. Регулировками, имеющимися на измерительной линии, получить максимальные показания на индикаторе. Регулировками индикатора установить показания прибора на 80–90% от максимальных значений. Переместить зонд

измерительной линии в узел стоячей волны.

2.2. Производить отсчет показаний по измерительному усилителю, перемещая зонд измерительной линии вдоль волновода. Измерения производить с шагом l до следующего узла стоячей волны.

Результаты измерений занести в таблицу 7.

2.3. Изучить картину поля волны основного типа в поперечном сечении. Переместить зонд измерительной линии в пучность стоячей волны. Вводить в волновод пластину аттенюатора А с шагом h, и для каждого

значения погружения пластины производить отсчет показаний индикатора. Результаты измерений свести в таблицу 8.

Таблица 8

3. Исследовать дисперсию волны основного типа в прямоугольном волноводе.

3.1. Отсчитать показания l1 по шкале измерительной линии при условии, что зонд измерительной линии находится в узле стоячей волны.

26

Переместить зонд в соседний узел стоячей волны. Положения зонда контролировать по индикатору. Отсчитать новое положение l2 по шкале измерительной линии. Данные занести в таблицу 9.

3.2.Настроить генератор на другую частоту.

3.3.Настроить генератор на максимальную мощность на этой частоте.

3.4.Настроить измерительную линию. Проделать п. 3.1.

3.5.Выполнять измерения для всех заданных частот.

3.6.Установить нулевые показания по шкале аттенюатора А.

3.7.Отсчитать показания индикаторного прибора при условии, что зонд измерительной линии находится в пучности стоячей волны. Переместить зонд измерительной линии в узел стоячей волны и, используя переключатель пределов измерения индикатора, отсчитать показания индикаторного прибора. Данные занести в таблицу 10. Переключатель пределов измерения индикатора вернуть в первоначальное положение.

1.Для длины волны 3 см поперечные размеры волновода равны 23×10 мм; длина волновода от короткозамыкателя до зонда ИЛ – 2,5 м.

2.Для длины волны 8 мм поперечные размеры волновода равны 7,2×3,4 мм; длина волновода от короткозамыкателя до зонда ИЛ – 1,5 м.

27

Контрольные вопросы

1.Нарисовать картину силовых линий для волны Н10 в прямоугольном

волноводе.

2.Начертить графики, показывающие изменение амплитуд составляющих волны Н10 в зависимости от поперечных координат.

3.Дать определение критической длины волны в прямоугольном

волноводе.

4.Нарисовать и объяснить дисперсионную характеристику для волны основного типа.

5.Как можно измерить дисперсионную характеристику волновода?

6.Объяснить причины затухания электромагнитных волн в волноводе.

7.Как можно измерить постоянную затухания волновода?

28

Лабораторная работа №4 ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКРЫТОГО РЕЗОНАТОРА

Цель работы:

–изучить конструкцию и принцип действия открытого резонатора (ОР);

–изучить основные характеристики открытого резонатора;

–экспериментально определить добротность и резонансную частоту открытого резонатора;

–экспериментально исследовать влияние проводимости зеркала открытого резонатора на его характеристики.

Краткие сведения из теории

«Открытый резонатор (ОР) – колебательная система, образованная совокупностью зеркал, в которой могут возбуждаться и поддерживаться слабо затухающие электромагнитные колебания оптических и СВЧ диапазонов с излучением в свободное пространство. Применяется в качестве колебательной системы (резонатора) оптического квантового генератора (лазера), а также в некоторых приборах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (оротроне и др.)» Большая советская энциклопедия.

Конструкция ОР представлена на рис. 15 .

Зеркала

Элементы крепления

Рис.15. Конструкция открытого резонатора

Резонатор образован двумя или более отражающими поверхностями, называемыми зеркалами, устройством связи с питающей линией передачи и элементами крепления зеркал. Зеркала могут быть плоскими, сферическими

29

или иной формы. Особенностью ОР является отсутствие боковой отражающей поверхности. Открытый резонатор возбуждается линией передачи через отверстие связи.

ОР, образованный двумя плоскими зеркалами (рис.16, а), называется плоскопараллельным, или резонатором Фабри-Перо. ОР, образованный двумя сферическими зеркалами, фокусы которых совпадают, называется конфокальным резонатором (рис.16, б). ОР, образованный сферическим и плоским зеркалом, установленным в фокальную плоскость сферического зеркала, называется полуконфокальным, или полусферическим резонатором

(рис.16, в).

Рис.16. Разновидности открытых резонаторов

Типы колебаний ОР обозначаются Тmnq. и называются модами. Векторы электрического и магнитного полей в большинстве случаев перпендикулярны продольной оси резонатора. Индексы m и n обозначают количество вариаций поля по поперечным координатам; q равно числу полуволн, укладывающихся вдоль оси ОР между зеркалами.

Моды с различными m и n и одинаковым q называют поперечными. Они отличаются друг от друга видом распределения амплитуды и фазы поля на поверхностях зеркал, а также дифракционными потерями. Моды, имеющие одни и те же значения m и n, но разное q, называют продольными типами. Они отличаются друг от друга резонансной частотой. Колебаниям с индексами m, n

длина резонатора. Разность резонансных частот колебаний, у которых q различается на единицу, равна fр = с/2L.

Так как значение q, как правило, велико, то его опускают, и колебания обозначают Тmn.

В лабораторной работе используется полуконфокальный резонатор с колебанием Т00, поэтому последующий материал будет рассматриваться только для полуконфокального резонатора (рис. 17).

30