Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Факультет «Приборостроительный»

Кафедра «ИКТ»

«Изучение элементарных источников»

Лабораторная работа №4

ОТЧЁТ

по дисциплине

«Электродинамика»

Проверил, преподаватель:

Хашимов А.Б.

___________________2012 г.

Авторы работы:

студенты группы ПС–474

Тарасевич А.И.

Кузьмин К.О.

___________________2012г.

Отчёт защищен

с оценкой:

________________________

___________________2012г.

Челябинск 2012

1. Цель работы.

1.Изучение элементарных источников электромагнитного поля.

2.Изучение физических аналогов элементарных источников электромагнитного поля и способов их возбуждения.

3.Ознакомление с методикой измерения амплитудной диаграммы направленности излучающих систем и расчётом основных параметров элементарных источников электромагнитного поля.

4.Углубление теоретических знаний и экспериментальная проверка основных принципов излучения электромагнитной энергии.

2. Описание лабораторной установки.

Функциональная схема лабораторной установки приведена на рис.1

Рис.1. Функциональная схема лабораторной установки.

Генератор СВЧ колебаний 1 типа Г4-80 работает на клистроне в десяти сантиметровом диапазоне волн. Энергия СВЧ подается к излучателю по коаксиальному кабелю, имеющему волновое сопротивление 50 Ом. Штыревой 3 и щелевой 5 излучатели имеют различные комплексные входные сопротивления. Это обстоятельство вызывает появление в фидерной линии отраженных волн, нарушающих нормальную работу генератора. Для их устранения служит согласующее устройство 2.

Электрический вибратор 3 выполнен в виде штыря (рис. 3, в), расположенного над проводящей плоскостью. Штырь является продолжением центрального проводника коаксиальной линии, наружный проводник которой соединён с проводящей плоскостью. Возбуждение щели 5 осуществляется с помощью объёмного цилиндрического резонатора 4 (рис. 2). Принцип работы объёмного резонатора заключается в следующем. Если в передающей линии (в данном случае в круглом волноводе с волной H11) поместить металлическую перегородку, то в точке отражения возникает равная по величине и противоположная по фазе отражённая волна. Сумма падающей и отражённой волн образует вдоль линии стоячую волну. На расстоянии половины длины волны в волноводе λВ / 2 от перегородки находится первый узел электрического поля. Если сюда поместить вторую перегородку, то она не нарушит граничных условий и не окажет никакого влияния на поле.

Щель

Петля

Рис. 2. Цилиндрический резонатор с излучающей щелью (показан разрез в плоскости

вектора напряжённости электрического поля).

Полученный замкнутый объём обладает резко выраженными резонансными свойствами. При изменении частоты, фиксированная перегородка уже не будет находиться в узле электрического поля. Поэтому граничные условия будут нарушены. Это приводит к резкому уменьшению амплитуды стоячей волны.

Колебания в объёмном цилиндрическом резонаторе возбуждаются с помощью петли, расположенной в его нижней торцевой стенке (рис. 2). На другой стенке резонатора прорезана щель, которая пересекает поверхностный электрический ток. Объёмные резонаторы широко используются как колебательные системы СВЧ.

Рис.3. Структура силовых линий электрического поля заряда, расположенного над

идеально проводящей плоскостью.

Источники электромагнитного поля расположены на хорошо проводящей плоскости. Однако, в силу граничных условий эта плоскость не искажает поля излучения. Поэтому диаграмма направленности источников в верхнем полупространстве будет такой же, как и в свободном пространстве. Это можно объяснить при помощи принципа зеркальных отображений, сущность которого заключается в следующем.

Пусть на некотором расстоянии d от идеально проводящей плоскости расположен электрический заряд. Картина силовых линий электрического поля в этом случае показана на рис.3, а.

Если вместо плоскости поместить на зеркальном расстоянии равный по величине и противоположный по знаку электрический заряд, то для верхнего полупространства картина электрических силовых линий не изменится (рис.3, б). Таким образом, действие идеально проводящей плоскости можно заменить действием зеркального источника. Поэтому излучение штыревого вибратора над проводящей плоскостью (рис.3, в) будет таким же, как и у вибратора удвоенной длины, расположенного в свободном пространстве (рис.3, г). На рис.4 приведены диаграммы направленности электрического (рис.4, а) и щелевого (рис.4, б) вибраторов, расположенных на идеально проводящей плоскости.

Принцип зеркальных отображений широко используется в теории антенн для определения поля излучения источников, находящихся вблизи проводящих поверхностей. При этом их отражающее действие заменяется действием зеркальных фиктивных источников.

Рис. 4. ДН электрического (а) и щелевого (б) вибраторов, расположенных

на идеально проводящей плоскости.

Для измерения поля излучения источников используется приёмная вибраторная антенна 6. Принятые СВЧ колебания детектируются полупроводниковым диодом 7, включенным между плечами вибратора. Предотвращение попадания СВЧ колебаний в измерительную цепь обеспечивается конденсатором, шунтирующим вход измерителя по токам СВЧ. Измерительный зонд позволяет принимать волны двух поляризаций, что необходимо при измерении поля излучения щели в двух ортогональных плоскостях. Штанга отклоняется от нормали к плоскости с помощью червячного редуктора и штурвала. Редуктор снабжён устройством отсчёта угловых положений.

Детектированные колебания подаются на вход измерительного селективного усилителя 8 типа B8-7, усиливающего только колебания низкой частоты. Поэтому СВЧ сигнал должен быть амплитудно-модулированным, что обеспечивается соответствующим режимом работы генератора.