Воробьев Теория электромагн поля и СВЧ (Кривець)

381

картина которого приведена на рис. Б6. Этот график иллюстрирует интерференцию двух волн - прямой и отражённой.

где ∆l - расстояние между двумя соседними максимумами

или минимумами сигнала детектора (см. рис. Б6).

По формуле (Б2) определяется коэффициент стоячей волны. Основные характеристики электромагнитного поля в воздухе (вакууме) рассчитываются по формулам п.3.2 на основании полученных экспериментальных данных.

2 Изучение свойств электромагнитной волны при прохождении через диэлектрик и металл. Для этого в области рупора помещают диэлектрический лист (плоскость листа - нормальна оси рупор - диполь) и снимают несколько значений Pmax и Pmin . Эти значения

наносятся на график P = f (z) и определяется фазовый

сдвиг волны при прохождении её через диэлектрик. Для ранее полученного значения λ0 (Б3) по формулам п.3.2

рассчитываются основные характеристики электромагнитной волны при прохождении через данный диэлектрик.

Поместив между рупором и диполем отражающий экран, легко убедиться в том, что амплитуда принимаемого сигнала резко уменьшается. По формулам п.3.2 для полученного значения λ0 рассчитывают основные

характеристики электромагнитного поля в металле экрана. Значения tgδ , ε и µ для используемых в работе

диэлектриков и металлов определяются по справочнику

[12].

Полученные результаты расчётов сводятся в таблицу и делаются выводы относительно основных свойств

382

электромагнитного поля в воздухе (вакууме), диэлектрике и металле.

3 Измерение диаграмм направленности и поляризации поля рупорной антенны. Для получения диаграмм направленности антенны по углам ϕ и θ (см. рис. 4.25)

необходимо установить вместо диполя приёмную рупорную антенну и подключить её к индикатору. Плоскость раскрыва приёмной антенны ориентируется нормально направлению излучения и устанавливается на расстоянии, определяемом соотношением (Б1). Поворачивая передающую антенну в горизонтальной плоскости, измеряется мощность принимаемого сигнала через каждые 3° до получения нулевых значений. Аналогичные измерения выполняются и для вертикальной плоскости.

Убрав из плоскости раскрыва передающей антенны линзу, измерения повторяют. Результаты измерения следует представить в виде графиков, показанных на рис. 4.25.

По формулам п.4.6 можно оценить КНД и ширину

диаграмм направленности исследуемой антенны. Необходимо сделать вывод относительно влияния плосковыпуклой линзы на ширину диаграмм направленности и сравнить расчётные значения с экспериментальными данными.

Для измерения поляризации поля применяется либо вспомогательная антенна с линейной поляризацией, либо поляризационная решётка. Измерения сводятся к снятию показаний индикатора от угла поворота испытуемой антенны или решётки. Если измеренная кривая имеет два симметрично расположенных нуля, то поле линейно поляризовано; при наличии точек минимума будет эллиптическая поляризация; если показания индикатора не зависят от угла поворота, то поляризация круговая.

383

В нашем случае необходимо установить между антеннами поляризационную решётку так, чтобы её плоскость была ориентирована перпендикулярно оси передающей и приёмной антенн. Затем определяется вид поляризации наблюдаемого поля путём изменения ориентации стержней решётки.

3.3 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1)цель работы;

2)схему лабораторной установки и перечень дополнительных устройств, входящих в установку;

3)графики изменения мощности P = f (z) для воздуха

ипри прохождении волны через диэлектрики;

4)результаты расчётов основных характеристик поля в воздухе, диэлектрике и металле; выводы относительно основных свойств поля в этих средах;

5)диаграммы излучения рупорной антенны без линзы

ис линзой, расчёты ширины диаграмм направленности и КНД , вывода относительно вида поляризации

наблюдаемых полей и влияния плосковыпуклой линзы на ширину диаграмм направленности.

3.4 Вопросы, выносимые на защиту лабораторной работы:

1.Какая цель выполнения данной работы?

2.Запишите уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах записи и объясните их физический смысл.

3.Дайте определение плоской волны и запишите для неё волновое уравнение.

4.Дайте определения основных характеристик электромагнитного поля.

384

5.Объясните общие принципы работы антенн и опишите конструкции рупорных антенн.

6.Дайте определения основных характеристик антенн

ивидов поляризации излучения.

7.В чём заключается методика получения диаграмм направленности антенн и определения видов поляризации излучения?

385

Лабораторная работа 4 – Исследование пространственных волн электромагнитного излучения в системе периодическая структура – диэлектрический волновод

Цель работы – экспериментальное исследование диаграмм направленности излучения пространственных волн периодической структуры типа «гребёнка» при возбуждении её поверхностной волной диэлектрического волновода.

4.1 Пояснения к работе

В миллиметровой и субмиллиметровой технике важное место занимают эффекты, связанные с преобразованием периодическими структурами (дифракционными решётками) поверхностных волн диэлектрических волноводов (ДВ) [31]. В этом случае поверхностные волны ДВ трансформируются с помощью дифракционной решётки (ДР) либо в поверхностные волны ДВ, либо в объёмные волны, отрывающиеся от них. Данное физическое явление широко применяется при разработке антенн, канализирующих устройств, создании логических элементов для вычислительных машин новых поколений, в голографии и др.

Условия излучения объёмных волн на отражательных металлических ДР прямоугольного сечения определяются следующим соотношением [31]:

3, …; α - постоянная распространения; Ln - пространственный период системы;

k = Ln λ ; λ - длина волны излучения.

386

Из соотношения (Б4) следует, что волна с n ≥ 0 , cosγn >1 представляет собой спектр неоднородных

плоских волн, существующих вблизи решётки и распространяющихся вдоль оси y с фазовыми скоростями

vф < c .

Рисунок Б7 – Схема возбуждения объёмных волн отражательной ДР:

1 – дифракционная решётка; 2 – диэлектрический волновод; 3 – диаграммы направленности излучения

Для значений n < 0 при рассеянии неоднородной волны ДВ на периодическом излучателе в виде отражательной решётки поле представляет собой суперпозицию плоских волн, часть из которых уходит в свободное пространство под углом (Б4) в виде спектра объёмных волн, а остальные – локализованы вблизи рассеивателя в виде спектра медленных гармоник. Выбрав соответствующим образом параметры электродинамической структуры и распространяющейся вдоль ДВ поверхностной волны, можно добиться преобладания того или иного типа волн. При этом спектр углов распространения объёмных плоских волн составляет 0°≤ γn ≤ 180° и определяется соотношением

диэлектрическом волноводе;

vв - фазовая скорость волны в волноводе.

Задавая значения βв , n и k , можно реализовать в

системе дифракционная решётка – диэлектрический волновод различные режимы трансформации поверхностных волн ДВ в объёмные.

4.2 Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы

Для выполнения лабораторной работы используется установка, представленная на рис. Б8.

x

Рисунок Б8 – Схема экспериментальной установки для измерения пространственных характеристик излучающей системы дифракционная решётка – диэлектрический волновод

388

Основным элементом установки является излучающая система, образованная отражательной дифракционной решёткой 1 и диэлектрическим волноводом 2, включенными в измерительный тракт через согласующие переходы 3.

Пространственные характеристики (диаграммы направленности излучений и их интенсивности) измеряются с помощью подвижной антенны 4. При этом ось вращения приёмного рупора 4 в E -плоскости проходит через излучающую апертуру и совмещается с вертикальной осью решётки 1, а ось вращения в H -плоскости совпадает с продольной осью ДВ 2, что обеспечивает регистрацию углов излучения в интервале ϕ =10°-170° с точностью ∆ϕ =±0.25°. В ходе измерения

диаграмм направленности сигнал, принимаемый рупором 4, поступает на вход «Y» двухкоординатного графопостроителя (ГП), вход «X» которого подключен к датчику угла поворота приёмного рупора. Таким образом, при перемещении подвижной антенны на графопостроителе фиксируются диаграммы излучения, которые после оцифровки используются для компьютерной обработки полученных данных.

Для определения частотных характеристик, коэффициента стоячей волны (КСВ) и коэффициента передачи исследуемой системы используется панорамный измеритель КСВН и ослаблений, который состоит из блока генератора качающей частоты (ГКЧ), индикатора КСВН и ослаблений (Я2Р-67), направленных ответвителей 5 с детекторными секциями, подключенными к соответствующим разъёмам блока Я2Р-67. В зависимости от способа включения ответвителей в измерительную линию, определяются зависимости либо коэффициента передачи, либо КСВ в заданном диапазоне частот. Полученные результаты обрабатываются при помощи

389

блока DEV, представляющего собой аналогово-цифровой преобразователь, и поступают через шину USB в персональный компьютер (ПК) для дальнейшей обработки результатов измерений.

При проведении измерений на входе в исследуемый объект обеспечивается постоянный уровень мощности с помощью автоматического регулятора мощности (АРМ), входящего в панорамный измеритель, а минимальные отражения на выходе ДВ – за счёт включения в измерительный тракт согласованной нагрузки 6.

Перед началом выполнения работы студенты изучают инструкцию по эксплуатации используемого в работе панорамного измерителя КСВН и ослаблений.

1 Расчёт углов излучения. Для заданных преподавателем параметров βв , Ln , n и трёх значений λ

(частоты) по формуле (Б5) рассчитываются углы излучения γn .

2 Измерение диаграмм направленности излучений. Для заданных значений λ путём установки их на панорамном измерителе КСВН проводится серия измерений интенсивности и углов диаграмм направленности излучений с параллельной фиксацией коэффициентов прохождения или КСВН на панорамном измерителе.

3 Построение диаграмм направленности излучений.

Для трёх фиксированных значений λ (частоты) строятся диаграммы направленности излучений в координатных осях P / Pmax ( P - мощность излучения, Pmax -

максимальное значение мощности) от γ (угол излучения).

4 Сравнение экспериментальных значений и углов излучения с теоретическими оценками. Сравниваются полученные углы излучения в эксперименте с расчётными и анализируются измеренные КСВН в заданном диапазоне длин волн для различных значений углов излучений.

390

4.3 Содержание отчёта

Отчёт должен содержать:

1)цель работы;

2)схему экспериментальной установки и её описание;

3)расчётные значения углов диаграмм направленности излучения;

4)экспериментально полученные диаграммы направленности излучения;

5)выводы о сравнении экспериментальных результатов с расчётными.

4.4 Вопросы, выносимые на защиту лабораторной работы:

1.Какая цель выполнения данной работы и принципы её построения?

2.Чем отличаются периодические замедляющие системы от гладких волноводов замедляющих систем (диэлектрических волноводов)?

3.В чём заключается принцип преобразования поверхностных волн диэлектрического волновода в объёмные волны на периодических структурах?

4.Какой принцип работы панорамного излучателя КСВН и ослаблений? Объясните назначение основных его элементов.

5.В чём состоит метод подвижной антенны при измерении диаграмм направленности излучений?

6.В каких приборах миллиметрового диапазона волн может быть использован принцип преобразования поверхностных волн диэлектрических волноводов в объёмные на дифракционных решётках?