2 Вимірювання потужності високого рівня

2.1 Мета роботи

Метою роботи є:

– ознайомлення з методами вимірювання НВЧ потужності високого рівня;

• вивчення конструкції навантажень НВЧ;

• вивчення конструкції і принципу дії генераторів НВЧ на прикладі магнетрона;

– освоєння навиків роботи з калориметричним ватметром;

– набуття практичних навиків вимірювання потужності НВЧ;

– набуття практичних навичок калібрування вимірювальних приладів.

2.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

Вимірювання потужності НВЧ коливань, незалежно від її рівня, тісно пов'язане з питаннями узгодження ліній передач. Узгодження НВЧ – трактів здійснюється за допомогою погоджених навантажень – кінцевих пристроїв, що служать для повного поглинання без відбиття й без випромінювання в навколишній простір всієї переданої трактом НВЧ потужності. Погоджені навантаження (поглиначі) застосовуються при різного роду радіовимірюванняах, зокрема, як еквівалент випромінювача (антени) з метою запобігання проникнення електромагнітної енергії в навколишній простір. Це необхідно, наприклад, для забезпечення роботи НВЧ апаратів, небажаності її дії на іншу апаратуру й усунення шкідливого впливу НВЧ- коливань на організми біологічних об’єктів, в тому числі людини. Залежно від значення поглинаючої потужності, узгоджені навантаження умовно поділяють на два види: навантаження високого рівня потужності (більше 1Вт) і навантаження низького рівня потужності (менше 1 Вт).

Погоджені навантаження низького рівня потужності бувають надзвичайно різноманітними за конструктивним виконанням й функціональному призначенню. Хвилеводні навантаження низького рівня звичайно виконуються у вигляді замкненого на кінці відрізка хвилевода, що містить поглинаючу пластинку, розташовану уздовж осі хвилевода в площині електричного поля (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Погоджене хвилеводне навантаження з поверхневим поглиначем у вигляді пластини зі скосом

Часто в погоджених навантаженнях поглинаючий матеріал розташовують у вигляді клина (рис. 2.2), що заповнює задню частину відрізка хвилевода.

Рисунок 2.2 - Погоджене хвилеводне навантаження з об'ємним поглиначем у вигляді клина

Причому довжину скосу пластинки або клина підбирають дослідним шляхом так, щоб досягти найменшого значення КСХ у можливо більш широкій смузі частот. Звичайно клин має довжину, рівну половині або більше довжини хвилі у хвилеводі. Таке хвилеводне навантаження забезпечує величину КСХ не більше 1,02 - 1,05 у смузі частот 20 - 30 % від середньої частоти діапазону. Конструкції хвилеводних погоджених навантажень низького рівня потужності забезпечують величину КСХ не більше 1,01 і служать еталонами узгодження. У малопотужних погоджених навантаженнях як поглинач, з якого виконані пластинки або клини, використовують кераміку, гетинакс, покритий шаром графіту, окису олова або дуже тонким шаром металу, наприклад, платини.

У погоджених навантаженнях високого рівня потужності поглинання й розсіювання енергії може здійснюватись за допомогою твердого або рідкого поглинача, що заповнює частину хвилевода. Узгодження як і раніше досягається вибором форми клина на вході в навантаження. При вимірюваннях на НВЧ одного з важливих функцій погоджених навантажень є вимірювання потужності електромагнітних коливань. Для вимірювання потужностей низького рівня застосовують методи, засновані на зміні опору металу або напівпровідника в результаті нагрівання, обумовленого поглинанням потужності НВЧ.

Вимірювання поглинутої потужності НВЧ високого рівня здійснюється калориметричним методом - за допомогою водяних погоджених навантажень. З багатьох варіантів конструкцій водяних навантажень для калориметричного вимірювання потужності застосовують звичайно два різновиди. Перший - у вигляді скляної посудини конусоподібної або клиноподібної форми (так звана “ морквина ”) (рис. 2.3), що вводиться в порожнину хвилевода. Циркулююча в цій посудині вода забезпечує поглинання електромагнітної енергії й відвід тепла, що виділяється при цьому, за межі хвилевода.

Рисунок 2.3 –Спрощена конструкція водяного хвилеводного калориметричного навантаження високого рівня потужності типу “ морквина ”

1 - хвилевод; 2 - скляна посудина із проточною водою (поглинач); 3 - термометр; 4 - вхід води; 5 - вихід води.

У другому різновиді водяних калориметричних навантажень як поглинач застосовується скляна трубка з водою, що протікає по ній (рис.2.4). Ця трубка перетинає хвилевод під дуже малим кутом до його поздовжньої осі, чим досягається добре узгодження.

Рисунок 2.4 - Водяне навантаження високого рівня потужності з поглиначем у вигляді скляної трубки з водою, що перетинає хвилевод під гострим кутом.

1 - хвилевод; 2 - скляна трубка із проточною водою - поглинач; 3 - термометри; 4 - зливальна посудина витратоміра; 5 - калібрований отвір; 6 - вхід і вихід води; 7 - буферна посудина; 8 - кран для регулювання швидкості води.

Очевидно, що водяні калориметричні навантаження дозволяють перетворювати, а потім вимірювати середню в часі потужність, що поглинається в посудині або трубці. Ця величина визначається через різницю температур проточної води Т₁ і Т₂ відповідно на вході й виході поглинача, кількість води, що протікає за одиницю часу, тобто через витрату (швидкість протікання) води q через навантаження.

З урахуванням механічного еквівалента теплоти середня потужність Р_ср виражається формулою:

(2.1)

де = 4,186 Дж/кг град - питома теплоємність води, що приблизно можна вважати не залежної від температури; q - витрата води, що протікає через навантаження, кг/с.

Для вимірювання Т₁ і Т₂ необхідно скористатися точними термометрами із ціною розподілу 0,1 ^°С.

Для вимірювання швидкості протікання води застосовуються різні типи витратомірів. В установці, зображеній на рис. 2.4, витратомір - це посудина з каліброваним отвором, через який протікає вода. Висота стовпа води h у зливальній посудині в сталому режимі однозначно пов'язана з витратою q. Калібрування зливальної посудини зводиться до експериментального визначення залежності q = f(h) при заданому діаметрі зливального отвору. Такий калориметричний вимірювач потужності дозволяє вимірювати середню потужність більше 1 Вт аж до одиниць кіловатів з похибкою не більше 3-5 %. Водяні калориметричні навантаження при правильно обраних розмірах забезпечують узгодження, що характеризується КСХ менш 1,1 - 1,2 у смузі частот 20-30%. Підкреслимо, що інерційність водяного поглинача дуже велика, тому різниця температур на вході й виході визначається тільки середньою потужністю Р_ср.

Однак такий вимірювач дозволяє вимірювати не тільки середню безперервну потужність, але й визначати середню потужність в імпульсі Р_ср.імп, тому що вона пов'язана з імпульсною потужністю Рі_мп співвідношенням Р_імп = kР_ср.імп, де k - коефіцієнт щілинності, що залежить від форми, частоти проходження й тривалості імпульсу, що використовуються, наприклад, у радіолокації. Для прямокутного імпульсу коефіцієнт щілинності визначається через тривалість імпульсу t і частоту імпульсів f співвідношенням k = 1/t f. Типова величина k для радіолокаційних апаратів - 1000. Частота повторення імпульсів звичайно буває відома з достатньою точністю з режиму роботи задаючого генератора. Форма й тривалість імпульсу визначаються з вимірюваннь, зроблених за допомогою імпульсних осцилографів. Таким чином, величина Р_імп розраховується за результатами значень Р_ср.імп й t . Відносно низька точність проточних калориметрів обумовлена наявністю неврахованих втрат у системі, що не спричиняють нагрівання робочого тіла; втратами на випромінювання; залежністю теплоємності рідини від температури; мінливістю температури по перетині потоку рідини; нагріванням рідини через тертя об стінки трубопроводу; неточністю контролю витрати рідини й т.д.

Втрати частини електромагнітної енергії НВЧ у калориметрі обумовлені відбиттям хвилі від неузгодженого навантаження через розходження повного опору навантаження й характеристичного опору лінії передачі (Z_Н ≠ Z₀), втратами на випромінювання в навколишнє середовище через недосконалі високочастотні з'єднувачі й трубопроводи.

Нагрівання рідини через тертя об стінки трубопроводів зводиться до мінімуму правильним вибором швидкості рідини. Відсутність стабілізації швидкості потоку рідини призводить до флуктуацій температури, що знижує точність вимірювань. Крім того, рекомендується, щоб у системі проточного калориметра був пристрій для видалення бульбашок газу з потоку рідини.

Час установлення показань проточних калориметрів визначається швидкістю потоку рідини, тепловими властивостями рідини й теплоємністю вузлів, пов'язаних з робочим тілом перетворювача. Звичайний час, протягом якого показання досягають 0,99 від сталого, дорівнює (0,5...3 хв).

Магнетрон є потужним генератором коливань надвисоких частот. Будова магнетрона показана на рис. 2.5. Магнетрон складається з анодного блоку, що представляє собою резонаторну систему з механізмом підстроювання частоти, циліндричного катода й пристрою виводу високочастотної енергії. Магнітне поле, паралельне осі приладу, створюється зовнішніми магнітами або електромагнітом.

Окремі моделі магнетронів можуть мати різну конструкцію. Так, резонаторна система виконується у вигляді резонаторів декількох типів: щілина-отвір, лопаткових, щілинних і т.д. Резонаторну систему магнетрона можна подати як систему, що сповільнює електромагнітну хвилю, що поширюється в просторі взаємодії між анодним блоком і катодом, причому ця система в результаті кільцевої конструкції замкнута сама на себе. Таку систему можна збудити лише на певних видах коливань, з яких важливе значення має π -вид, або протифазний. Існують дві основні конструкції катодного вузла: із тримачами катода радіального й аксіального типів. Високочастотна енергія із приладу виводиться за допомогою петлі або отвору зв'язку, поміщених у периферійній частині одного з резонаторів анодного блоку.

Рисунок 2.5.- Схема магнетрона

1 - щілина резонатора; 2 - резонатор; 3 - анодний блок; 4 - коаксіальний фідер; 5 - петля зв'язку; 6 - катод; 7 - провідники розжарювання.

Магнетрон - це герметична металева камера, у центрі якої перебуває тонка металева нитка - катод. Нагріваючись, катод випускає електрони, і вони починають рухатися до анода - стінок камери. Магніт, закріплений на камері, створює магнітне поле, спрямоване перпендикулярно руху електронів. Через це електрони рухаються до анода не прямо, а по спіралі, що розкручується. Якщо магнітне поле досить сильне, електрони починають рухатися по колу рис.3.1.

Особливою частиною конструкції магнетрона є «резонансні порожнини» - ніші, що відкриваються в камеру магнетрона, утворені короткими вертикальними перегородками на внутрішній стінці корпусу-анода. У розрізі камера нагадує апельсин. Саме форма й розмір резонансних порожнин визначають, які хвилі будуть генеруватися в магнетроні. Через виникаючі в них резонансу випадковий шум у хмарі електронів, що рухаються навколо катода, «розгойдується», перетворюючись в електромагнітні коливання. По хвилеводу, короткій металевій антені, електромагнітні хвилі залишають магнетрон .

Для магнетрона М-877-1, який використовується в даній лабораторній роботі середня частота генерації якого становить 13,3 ГГц, що відповідає перерізу хвилевода 17х8 мм, вихідна потужність 10 Вт, інші параметри наведені у таблиці 2.1

Таблиця 2.1

Параметр	Напруга розжарювання при Ua=0, В	Напруга розжарювання при Ua= Uраб, В	Струм розжарювання, А	Струм анода мА	Напруга анода, В
значення	6,3	4,5	0,51	70	505

Одночасно з подачею анодної напруги необхідно знижувати напругу накала прилада при температурі оточуючого середовища плюс 15-25ºС з 6,3 до 4,5 В (номінальні значення).

Після перерви в роботі більш 6 місяців прилад повинен тренуватися шляхом плавного підвищення протягом не менше 10 хвилин тока анода від 50 до 80 мА.

Таблиця 2.2

Номер виводу	Найменування виводу	Оформлення виводу
1	Корпус-анод	пелюстка
2	підігрівач	Гнучкий дріт
3	Підігрівач катод	Гнучкий дріт з боку індекса «К»
4	Вивід енергії	Фланець з боку індекса «Н»
5	Вивід для підєднування пристрою керування частотой	Фланець

Рисунок 2.6 Умовне графічне позначення магнетрона

2.3 Опис лабораторної установки

2 .3.1 Функціональна схема експериментальної установки для визначення середньої потужності Р_ср представлена на рис.2.6. Експериментальна установка містить ватметр поглинутої потужності (проточний водяний калориметр), а також ватметр прохідної потужності.

Рисунок 2.6 Схема увімкнення пристроїв

Експериментальна установка для вимірювання потужності складається з генератора НВЧ магнетрона М-877-1 і проточного водяного калориметра М3-47 (рис.2.6).

2.4. Порядок виконання роботи і методичні вказівки з її виконання

2.4.1. Зібрати експериментальну установку відповідно до схеми на рис. 2.6. Перевірити якість болтового з'єднання фланців з'єднуванних хвилеводів.

2.4.2. Під’єднати магнетрон до універсального джерела живлення УИП згідно з рисунком і таблицею 2.2

2.4.3. Включити калориметричний ватметр М3-47.

Включити проточну систему водопостачання калориметра.

Виконати підготовку до проведення вимірювань. Для цього на блоку гідравлічному (БГ) установити перемикач РЕЖИМ РОБОТИ в положення БАЛАНС, а ручкою УСТАН.0 на блоку індикації (БІ) встановити нульове положення БІ.Виконати калібрування ватметра на обраному діапазоні вимірювань потужності. Для цього встановити перемикач РЕЖИМ РОБОТИ в положення КАЛИБР, через три хвилини встановити на БІ ручкою КАЛИБРОВКА покази рівні калібрувальному числу даного діапазона вимірювання потужності.

Встановити на БГ перемикач РЕЖИМ РОБОТИ в положення ИЗМЕР. Ватметр готовий до вимірювань.

2.4.4. Підключити магнетрон

Порядок включення прилада:

– подати постійну напругу накала 6,3 В з універсального джерела живлення до магнетрона;

– прогріти прилад протягом не менше 30 с;

– включити і встановити напругу анода, яка відповідає робочому значенню струму аноду. Знизити напругу розжарення до 4,5 В.

2.4.5 Змінюючи струм анода змінити потужність, зафіксувати показання з блоку індикації калориметра в таблиці, приписати значення шкалі ватметра прохідної потужності

2.5 Зміст звіту

Звіт повинен містити відомості про калориметричні ватметри великого рівня потужності, навантаження та магнетрони, опис лабораторної установки, результати вимірювань потужності на зразковому і робочому ватметрах, висновки.

2.6. Контрольні запитання та завдання

1. Укажіть основні фактори, що впливають на точність вимірювання потужності за допомогою калориметра.

2. Чому в калориметрах як робоче тіло звичайно використовується вода?

3. Як влаштований проточний водяний калориметр?

4. Принцип дії генераторів НВЧ на прикладі магнетрона.

5. Наведіть класифікацію навантажень НВЧ.

3. ДоСЛІДЖЕННЯ РОЗПОДІЛУ ПОЛЯ В РЕЗОНАТОРІ НА ПРИКЛАДІ ПОБУТОВОЇ НВЧ-ПеЧі

3.1 Мета роботи:

Метою роботи є:

– вивчення принципів мікрохвильового нагрівання та сушіння в побутових установках;

– вивчення конструкції побутової НВЧ-печі;

– вивчення резонаторів НВЧ і іх властивостей;

­– набуття практичних навичок визначення розподілу поля в резонаторах і розрахунку коефіцієнта нерівномірності нагрівання;

– вивчення впливу НВЧ випромінювання на біологічні об’єкти і способи захисту від НВЧ випромінювання;

3.1 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

Якщо в хвилеводі на шляху розповсюдження електромагнітної хвилі поставити металеву стінку, то хвиля відіб’ється від неї і рушить в протилежному напрямку. Дійшовши протилежної стінки, вона знов відіб’ється, і цей процес буде повторюватись до тих пір, поки через втрати енергій в стінках хвилевода хвиля остаточно не згасне. Якщо при цьому фази багатократно відбитих від стінок хвиль будуть співпадати, то ці хвилі взаємно підсилюючи одна одну, можуть в сотні разів збільшити напруженість поля в розглянутій області.

Додавання однакових за частотою і амплітудою хвиль, які рухаються в протилежних напрямках, дасть в ітозі стоячу хвилю. Тому в розглянутому об’ємі структура полів вздовж поздовжньої осі буде подібна структурі поля вздовж інших координат.

Явище при якому підсилюється амплітуда коливань – резонанс, а пристрій в якому відбувається це явище відповідно резонатор. Геометричне тіло, отримане в результаті маніпуляцій з хвилеводом не що інше як призма і відповідно такі резонатори називаються призматичними. Призматична форма не є обов’язковим атрибутом резонатора. Будь-який об’єм обмежений з усіх боків проводячою поверхнею може розглядатися як резонатор. Однак на практиці намагаються використовувати прості форми, оскільки їх параметри можуть бути розраховані аналітично.

Аналогом резонатора в радіотехніці служить коливальний контур. Як і в контурі основними параметрами резонатора є частота і добротність.

Сукупність типів хвиль, які існують в хвилеводі, трансформуються в стоячі хвилі резонатора, які утворюють сукупність типів коливань. За аналогією з прямокутним хвилеводом, види коливань призматичного резонатора позначаються шляхом додавання до типу хвилі ще одного індекса, який вказує кількість стоячих напівхвиль вздовж поздовжньої координати.

Кожен вид коливань в резонаторі характеризується власною резонансною частотою і добротністю. Аналогічно хвилеводу, самий низькочастотний вид називається основним, остальні – вищими. На практиці за звичай використовується основний вид. Камера мікрохвильової печі, яку можна розглядати як призматичний резонатор є винятком.

Власна частота робочої камери як призматичного резонатора визначається у вигляді

(3.1)

Для резонатора об’ємом довжина сторони мм і якщо робоча власна частота , то індекси типів коливань повинні задовольняти умові , яка виконується для коливань типу Н₅₀₅. Якщо такий вид коливань прийняти за робочий, то спостерігається виродження, при якому коливання Е₀₅₅, Н₄₃₅, Н₅₄₃, Е₅₄₃ мають прийняту робочу частоту 2450 МГц.

Кількість власних коливань призматичного резонатора в смузі хвиль може бути оцінено за допомогою криволінійної апроксимації рівняння (3.1)

, (3.2)

яка дозволяє з достатньою точністю визначити число можливих резонансних частот робочої камери в смузі частот живлячого магнетрона

Велика кількість близько розташованих по частоті власних коливань робочої камери створює сприятливі умови для розробки ефективних НВЧ печей в широкому діапазоні завантажувальних характеристик.

ККД резонаторної камери

(3.3)

де - добротність порожнього резонатора, - добротність резонатора завантаженого діелектриком. Добротність порожнього резонатора через можливість збудження коливань різних типів доцільно оцінити за співвідношенням

(3.4)

де - його об’єм, - площа внутрішньої поверхні.

Реальний коефіцієнт технологічної якості камери, яка має декілька зеднувальних швів, контакт двері і захисну сітку, слід оцінювати як і добротність незаповненої камери . Для досягнення ккд камери її навантажена добротність повинна складати . ККД камери НВЧ печі перевищує 65-70% при коефіцієнті завантаження.

Основна проблема, яка виникає в камері мікрохвильової печі, – це нерівномірність нагрівання продукту. Причина заключається в тому, що камера, по суті є резонатором, коливання в якому відбуваються у вигляді стоячих хвиль. Особливість стоячих хвиль є наявність просторових максимумів і мінімумів електричного поля. Для наочності на рис. 3.1 показана зміна електричного поля за півперіода коливань на виді Н₂₂₀.

З рисунка добре видно, що при роботі на одному вигляді коливань потужність в камері розподілена дуже нерівномірно, змінюючись від нуля до свого максимального значення, тому продукт в один і той же час може в одних місцях підгорати, а в інших залишатися зовсім холодним.

Камера мікрохвильової печі роботає на вищих видах коливань, кількість яких може бути достатньо велика. Для рівномірного нагріву бажано мати як можна більше видів поблизу робочої частоти. Досягнути цього при фіксованій частоті випромінювання можна декількома шляхами. Один з них – збільшення розмірів камери. В цьому випадку основний вид і всі наступні зсуваються в область низьких частот, а на робочій частоті опиняються більш плотно розташовані високочастотні види. Завантаження камери призводить приблизно до такого ж результату, що і збільшення її розмірів. Це пояснюється тим, що продукти приблизно на 80% складаються з води, яка має велику діелектричну проникність. А при заповнені резонатора діелектриком з ε>1 його резонансна частота зсувається в область більш низьких значень. При завантаженні камери знижується також і її добротність, що в свою чергу призводить до розширення смуги робочих частот і, як наслідок, до збільшення кількості робочих видів коливань.

Сама по собі наявність великої кількості видів коливань ще не забезпечує рівномірності нагріву. Сумарне електричне поле, утворене суперпозицією всіх видів коливань, може бути дуже складним, але в будь-якому випадку через чергування направленості воно буде містити максимуми і нульові точки. Приклад такого поля наведений на рис.3.1

Рисунок 3.1 Розподіл потужності півперіода коливань на виді Н₂₂₀.

При наявності поглинаючого навантаження яким є продукт, розподіл полів в камері ускладнюється. Якщо наявні коливання вмикати по черзі, то додавання або віднімання виду коливань призводить до зміни структури поля. Те ж саме відбувається, коли змінюється співвідношення амплітуд різних видів. Ділянки з максимальною і мінімальною амплітудою зсуваються в просторі камери і можуть мінятися місцями. В результаті кожна ділянка продукта підлягає впливу полів різної конфігурації і інтенсивності. При великій кількості комбінацій нагрів в робочій камері може бути достатньо рівномірним. Виключення становлять ділянки поблизу ребер і кутів камери, де поле навіть теоретично не може бути велике. В якості прикладу на рис.3.2 показаний розподіл плотності потужності електромагнітного поля при послідовному збудженні декількох видів.

Рисунок 3.2.Розподіл середньої потужності в камері при почерговому збудженні видів Н₁₁₀, Н₁₂₀, Н₂₁₀, Н₂₂₀, Н₃₃₀, Н₄₄₀.