Милованов Лабораторный практикум по СВЧ 2007

4.Запишите выражения для оценки погрешности определения фазовой и групповой скоростей, а также добротности по результатам измерения частот.

5.Какие существуют способы определения собственной добротности резонатора по результатам измерения нагруженной добротности?

6.Каким требованиям должны удовлетворять генератор СВЧ, частотомер и индикаторный прибор при измерениях резонансных частот с повышенной точностью?

7.Объясните, почему в резонансном макете, образованном из ячеек одинаковых размеров с магнитной связью между ними и с оконечными целыми ячейками не может возбуждаться вид колебаний 0, а в аналогичном макете, но с емкостной связью не возбужда-

ется вид колебаний π.

8. Почему линейные ускорители на стоячей волне строят на виде колебаний π?

81

Приложение 1

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ В ЛАБОРАТОРИИ "ТЕХНИКА СВЧ"

Лабораторный практикум является элементом образовательной программы, дополняющим лекционный курс и способствующим более полному его освоению студентами. Кроме того, каждая лабораторная работа представляет собой учебную модель научного исследования. При ее выполнении вырабатываются весьма важные навыки подготовки, проведения и оформления результатов исследований.

Ниже приведены основные правила, которым необходимо следовать.

►Для работы в лаборатории необходимо иметь с собой:

1)лабораторный практикум;

2)калькулятор;

3)несколько листов миллиметровой бумаги (размера А4);

4)ручку;

5)карандаш и резинку;

6)линейку.

►Студент не допускается к выполнению работы, если:

1)у него имеется более двух несданных работ;

2)он не может удовлетворительно ответить на вопросы преподавателя;

3)отсутствуют результаты выполнения предварительного зада-

ния.

►Включать приборы и приступать к выполнению работы

можно только с разрешения преподавателя. До начала работы следует ознакомиться с экспериментальным стендом и входящими в его состав приборами, в случае необходимости записать в отчет их характеристики.

►Необходимо тщательно усвоить и строго соблюдать правила техники безопасности при работе в лаборатории.

82

Практические рекомендации по оформлению отчетов по лабораторным работам

Отчет по каждой лабораторной работе оформляется в виде отдельной брошюры. Рекомендуется оформлять его на листах формата А4, скрепленных между собой, или в ученической тетради (12 листов). На первом (титульном) листе необходимо указать номер и название работы, фамилии студентов и дату выполнения. При выполнении работы не допускается пользоваться черновиками, записывая на них результаты измерений с последующим перенесением их в итоговый отчет.

Вид и правила оформления отчета по лабораторным работам, выполняемым в лаборатории "Техника СВЧ", не отличается от соответствующих требований других практикумов, например по общей физике. Так, отчет должен содержать сформулированную цель работы, описание и схему (рисунок) экспериментальной установки и результаты выполнения предварительного задания. Эта часть отчета оформляется заранее при подготовке к работе. Результаты измерений следует выполнять в виде таблиц, аккуратно записывая в них данные. Если вид таблицы не задан в описании к лабораторной работе, то необходимо самостоятельно спланировать и начертить таблицу на основании информации, приведенной в описании к лабораторной работе.

Все вычисления следует расписывать подробно для упрощения их проверки и исправления возможных ошибок.

При построении графиков необходимо придерживаться общепринятых правил, касающихся выбора масштаба, разметки осей, названия графика, построения зависимостей и т.п. Если график используется для нахождения какой-либо неизвестной величины, то необходимо все требуемые для этого построения аккуратно нанести на график.

Допускается построение графиков, таблиц и оформление отчета с использованием компьютера. Однако это никоим образом не отменяет упомянутых выше правил.

Заключение к лабораторной работе является учебной моделью написания выводов для всякого научного исследования. Оно представляет собой формализованный текст, назначение которого – дать читателю возможность в короткое время, не обращаясь к самой работе, получить логически ясное представление о полученных результатах.

83

Приложение 2

КРАТКИЕ ОПИСАНИЯ ОСНОВНЫХ СВЧ ПРИБОРОВ

Ниже приводятся краткие технические описания, характеристики основных высокочастотных приборов, используемых в работах настоящего практикума и базовые принципы работы с ними. Описания обычных лабораторных приборов (осциллографы, источники питания и т.п.) не приводятся, поскольку эти приборы являются стандартными и навыки работы с ними были получены ранее в ходе выполнения других курсов (практикума по общей физике, электротехнике и др.).

Более полную информацию об особенностях работы и параметрах приборов можно получить, из заводских описаний и руководств по эксплуатации соответствующих приборов.

Частотомер средней точности ВСТ-10П

Прибор предназначен для измерения частоты непрерывных и импульсно-модулированных колебаний СВЧ-диапазона.

Основные технические характеристики

Принцип действия и конструкция

Схема прибора приведена на рис. П2.1. Частотомер ВСТ-10П относится к классу резонансных частотомеров. Основой его является цилиндрический резонатор, включенный по проходной схеме. В резонаторе возбуждаются колебания типа Е010. Чертеж резонатора и системы его настройки приведена на рис. П2.2.

84

Рис. П2.1. Схема частотомера ВСТ-10П

Рис. П2.2. Резонатор частотомера и система подстройки

Резонатор выполнен из стали, его внутренняя поверхность отполирована и посеребрена. Добротность его составляет около 2000. Возбуждение резонатора и связь с цепью индикатора осуществляется с помощью двух петлевых устройств связи. Для настройки резонансной частоты применен поршень, короткое замыкание между ним и крышкой резонатора обеспечивается бесконтактным дрос-

85

сельным четвертьволновым соединением. Перемещение поршня – ручное с помощью микрометрического винта, снабженного шкалой. Шкала, нанесенная на вращающийся барабан, имеет 50 делений, цена деления 0,01 мм. Для облегчения отсчета на неподвижной шкале нанесены две шкалы с рисками через 1 мм – основная (нижняя) и смещенная на 0,5 мм вспомогательная (расположена сверху). Отсчет производится по кромке вращающегося барабана. По прилагающейся градуировочной таблице можно определить значение частоты, соответствующее показаниям шкалы.

Уровень мощности входного сигнала может быть при необходимости уменьшен с помощью коаксиального аттенюатора поглощающего типа. Диапазон регулировки вносимого им ослабления 1– 20 дБ. Ручка управления аттенюатором выведена на переднюю панель прибора.

Входящий в прибор усилитель низкой частоты используется в случае измерения частоты сигнала малой амплитуды.

Частотомер ВСТ-10П используется в работе № 4 "Исследование характеристик отражательного клистрона". Для работы в составе стенда в его конструкцию внесены некоторые изменения. Добавлена возможность подключения осциллографа и внешнего индикаторного прибора вместо встроенного микроамперметра; переключатель рода работы (непрерывн./импульсы) заменен переключателем тракта; тумблер питания заменен переключателем выбора устройства отображения уровня сигнала в СВЧ-тракте (внешний прибор, выключено, осциллограф); усилитель частотомера не используется. Внешний вид частотомера после внесения изменений приведен на рис. П2.3.

Рис. П2.3. Внешний вид частотомера ВСТ-10П

86

Частотомер электронносчетный Ч3-34А

Частотомер предназначен для автоматического измерения частоты и периода синусоидальных колебаний и импульсного сигнала, отношения частот и интервалов времени.

Основные технические характеристики

Принцип действия и конструкция

Принцип действия частотомера основан на подсчете числа периодов сигнала неизвестной частоты за известный, определяемый с высокой точностью промежуток времени (время измерения). Структурная схема частотомера приведена на рис. П2.4.

Рис. П2.4. Структурная схема частотомера Ч3-34А

87

Исследуемый сигнал через входное формирующее устройство частотомера и селектор поступает на блок счетных декад. Селектор открывается строб–импульсом, вырабатываемым схемой управления. При измерении частоты длительность стробирующего импульса равна времени измерения и может изменяться оператором (0,001; 0,01; 1; 10 секунд). Блок счетных декад подсчитывает число периодов и переводит эту величину в значение частоты. На цифровом индикаторе автоматически отображается результат измерения, его порядок и размерность.

Для расширения предела измеряемых частот служит блок делителя частоты ЯЗЧ-51, который встраивается в частотомер. Принцип действия блока заключается в синхронизации входным сигналом частоты гетеродина с помощью фазовой автоподстройки.

Генераторы Г4-80, Г4-83

Приборы серии Г4–хх являются унифицированными, имеют сходную конструкцию, принцип работы и управления. Отличия заключаются в разном диапазоне частот генерируемых колебаний и некоторых других параметрах.

Генераторы предназначены для использования в качестве лабораторных источников СВЧ-сигнала, калиброванного по частоте, уровню выходной мощности и по параметрам импульсной модуляции.

Приборы могут работать в режиме непрерывной генерации (НГ), внутренней или внешней амплитудно-импульсной модуляции меандром, внешней частотной модуляции.

Основные технические характеристики

Принцип действия и конструкция

Внешний вид прибора с указанием основных элементов управления приведен на рис. П2.5. Основой генераторов является отражательный клистрон К-351 (прибор Г4-80) или К-352 (прибор Г4-83).

Рис. П2.5. Внешний вид генератора Г4-80:

1 – выключатель питания с индикатором; 2 – индикатор значения частоты колебаний, 3 – ручка регулировки частоты, 4 – микроваттный выход, 5 – регули-ровка аттенюатора, 6 – индикатор величины ослабления,

7 – миливаттный выход, 8 – регулировка мощности

Частота генерируемых колебаний изменяется ручкой 3. С помощью сложной кинематической системы при ее вращении происходит перемещение настроечного элемента (дроссельного поршня) в объемном резонаторе отражательного клистрона. Одновременно потенциометром сопровождения и системой коррекции в небольших пределах варьируется напряжение отражателя, чем достигается постоянство выходной мощности генератора. Значение частоты колебаний отображается механическим индикатором 2. Следует отметить, что отображаемая величина может использоваться только для приблизительной установки частоты. Во всех случаях, когда необходимо точно определять частоту генерируемого СВЧсигнала, используется специально предназначенный для этого прибор – частотомер. Генераторы имеют два выхода коаксиального типа (4 и 8), снабженные средствами регулировки выходной мощности (5 и 7 соответственно). Дополнительный выход 8 – некалиб-

89

рованный миливаттный, регулировка уровня мощности обеспечивается перемещением (изменением глубины погружения) петли связи с резонатором отражательного клистрона. Выход 4 – микроваттный, уровень мощности регулируется находящимся внутри прибора точным аттенюатором с калиброванной шкалой. Величина мощности сигнала отображается механическим индикатором 6 в децибелах относительно уровня 1 Вт.

Линии измерительные волноводные Р1-3, Р1-4, Р1-7, Р1-28

Измерительные линии предназначены для измерения коэффициента стоячей волны, коэффициента отражения и полных сопротивлений. Линии имеют различное конструктивное исполнение и несколько отличаются по параметрам, однако общие принципы работы у них схожие. Ниже приводятся типичные характеристики приборов, используемых в лабораторных работах настоящего практикума.

Основные технические характеристики

Принцип действия и конструкция

Схематично устройство волноводных измерительной линии приведено на рис. П2.6, а внешний вид – на рис. П2.7а.

Основной частью прибора является отрезок волновода с узкой продольной щелью, прорезанной параллельно оси в широкой стенке. Через щель во внутренний объем волновода вводится штыревой зонд, смонтированный на каретке. Система перемещения каретки вдоль волновода снабжена средствами для точного измерения её положения.

90