Цели работы.

1. Ознакомление с методикой волноводных измерений.

2. Ознакомление с волноводной измерительной техникой.

3. Измерение различных характеристик основной волны прямоугольного волновода.

4. Исследование физической сути рассматриваемых явлений.

Описание установки и измерений, проводимых в работе.

В работе исследуется прямоугольный волновод с поперечным сечением 23х10 мм (рис.1). Для этого к концу волноводного тракта подключаются различные нагрузки и наблюдаются соответствующие им распределения напряженности электрического поля вдоль волновода. Затем исследуется поперечное распределение электрического поля в волноводе. Экспериментально определяются такие параметры, как длина волны в волноводе, коэффициент бегущей волны (КБВ), коэффициент отражения от нагрузки.

Рис. 1. Фрагмент прямоугольного волновода.

Рис.2. Схема лабораторной установки.

В состав лабораторной установки входят (рис. 2):

G – генератор ГКЧ 61;

P1 – измерительная линия Р1-28 с сечением волновода 23х10 мм для исследования электрического поля вдоль волновода (в направлении координаты z);

P2 – специальная измерительная секция для исследования электрического поля поперек волновода (в направлении координаты x);

P3 – усилитель селективный У2-8 для измерения сигналов с измерительных секций;

A – различные нагрузки, подключаемые к выходу W измерительной линии P1.

Высокочастотный сигнал частотой от генератора G поступает по кабелю на две последовательно соединенные измерительные секции P1 и P2, которые образуют прямоугольный волноводный тракт сечением 23х10 мм, в котором возбуждается волна H₁₀ .

К выходу W секции P1 подключаются различные нагрузки:

1.) Короткозамыкающая пластина, создающая режим стоячей волны в линии;

2.) Согласованная поглощающая нагрузка, создающая режим бегущей волны в линии;

3.) Две решетки с продольным и поперечным расположением штырей (относительно вектора ₎;

4.) В роли нагрузки выступает открытый конец волновода.

Низкочастотные сигналы с детекторов секций P1 и P2 поступают на селективный усилитель P3. Показания стрелочного индикатора усилителя P3 пропорциональны квадрату амплитуды напряженности электрического поля в волноводе .

Продольное распределение амплитуды электрического поля в волноводе исследуется с помощью измерительной линии P1, в которой зонд в виде штыря перемещается по узкой щели, прорезанной в середине широкой стенки волновода. Такая щель является неизлучающей. Измерительная линия снабжена шкалой для отсчета положения зонда.

Поперечное распределение амплитуды электрического поля в волноводе исследуется с помощью специальной секции P2, в которой штырь перемещается в направлении, перпендикулярном узкой стенки волновода с помощью микрометрического винта.

Теоретический материал.

Выражения для комплексных амплитуд поля волны H₁₀, распространяющейся в сторону увеличения координаты z имеют вид:

,

. (1)

Введем обозначения:

,

. (2)

Тогда выражения (1) для комплексных амплитуд поля можно записать с учетом (2), как:

,

, (3)

где - постоянная распространения в волноводе; - длина волны в волноводе; - волновое сопротивление волны H₁₀; - волновое сопротивление среды, заполняющей волновод.

Если в волноводе присутствуют нерегулярности, то распространяющаяся в волноводе волна частично или полностью отражается от них. Можно считать, что в сечении волновода, в котором находится нерегулярность включена некоторая нагрузка.

Пусть сечение нагрузки совпадает с плоскостью , падающая волна распространяется в отрицательном направлении оси z, а отраженная – в положительном направлении. Тогда выражение для комплексной амплитуды напряженности электрического поля имеет вид:

, (4)

где - коэффициент отражения от нагрузки.

Амплитуда напряженности электрического поля:

. (5)

Максимальное и минимальное значения амплитуды при равны:

, (6)

достигаются в точках

, , (7)

Расстояние между соседними минимумами и максимумами равно половине длины волны в волноводе, поскольку , откуда:

. (8)

Используя это соотношение можно экспериментально определить длину волны в волноводе.

Выражение для нормированной амплитуды напряженности электрического поля имеет вид:

. (10)

В работе используется измерительная линия, у которой продольная координата детекторной головки отсчитывается от некоторого сечения , не совпадающего с сечением включения нагрузки , т.е. . В системе координат измерительной линии запишем:

. (11)

Если построить график по формуле (10) для режима короткого замыкания, можно заметить, что координаты минимумов кратны половине длины волны в линии . Этим значениям соответствуют , откуда находим . Тогда, учитывая, что функция (11) имеет период , можно записать:

. (12)

Выражение (12) позволяет построить распределение нормированной амплитуды напряженности электрического поля в линии по экспериментальным данным. Для этого необходимо измерить величину КБВ:

, (13)

откуда модуль коэффициента отражения от нагрузки :

. (14)

Фазу коэффициента отражения можно определить, зная положение первого минимума в режиме короткого замыкания и первого минимума в режиме произвольной нагрузки :

. (15)