- •Измерительные линии
- •Указание мер безопасности
- •Подготовка к работе измерительной волноводной линии
- •Методика измерения
- •Метод «удвоенного минимума»
- •Порядок работы с генератором
- •Практическая часть работы
- •Короткозамкнутый отрезок волновода
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Список рекомендуемой литературы
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Изучить теоретические сведения и ознакомиться с принципом работы используемых в работе приборов:
- •Ответить на контрольные вопросы.
- •Оформить отчет. Сведения из теории
- •Методика измерения
- •Практическая часть работы
- •Ход выполнения эксперимента
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Список рекомендуемой литературы
- •Задание
- •Сведения из теории Прямоугольный волновод
- •Волны типа е в прямоугольном волноводе
- •Методика измерений длины волны в волноводе
- •Содержание отчёта
- •Контрольные вопросы
- •Список рекомендуемой литературы
Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен включать следующие пункты:
-
Название и цель работы.
-
Расчет граничных частот одномодового диапазона.
-
Расчет КСВ по измеренным величинам.
-
Расчет коэффициентов затухания в волноводе.
-
Расчеты экспериментальной и теоретической погонной мощности потерь в волноводе.
-
Таблица результатов работы.
-
График экспериментальной зависимости погонной мощности потерь в волноводе от частоты.
-
График экспериментальной зависимости коэффициента затухания от частоты.
-
Выводы по работе.
Контрольные вопросы
-
Что такое КСВ и коэффициент отражения?
-
Чем обусловлены потери в прямоугольном волноводе? Как определить потери в волноводе? Какие существуют потери?
-
Как осуществляются потери в стенках волновода и как их рассчитать?
-
Выводите формулу погонной мощности потерь в стенках волновода в одномодовом режиме.
-
Дайте определение понятию: «потери электромагнитной энергии в диэлектрике».
-
Какой существует метод расчета погонной мощности потерь в диэлектрике?
-
Что такое коэффициент затухания? Охарактеризуйте его связь с погонной мощностью потерь?
-
В чем заключается экспериментальный метод определения коэффициента затухания? Дайте его обоснование.
Список рекомендуемой литературы
-
Лебедев, И.В. Техника и приборы СВЧ / И.В. Лебедев. – М.: Высш. шк., 1970. – Т.1 – 300 с.
-
Семенов, Н.А. Техническая электродинамика / Н.А. Семенов. – М.: Радио и связь, 1973. – 536 с.
-
Гоноровский,И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С. Гоноровский. – М: Радио и связь, 1986. – 420 с.
-
Линии измерительные волноводные. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ГВ2.744.000 ТО, 1986.
-
Никольский , В.В. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей ВУЗов. – М., 1989. – 543 с.
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ В ОБЪЕМНОМ РЕЗОНАТОРЕ
Цель работы: определение нагруженной добротности объемного резонатора. Приобретение навыков экспериментального исследования объемных резонаторов СВЧ.
Задание
-
Изучить теоретические сведения и ознакомиться с принципом работы используемых в работе приборов.
-
Сделать необходимые измерения.
-
Произвести обработку результатов согласно порядка выполнения работы.
-
Ответить на контрольные вопросы.
-
Оформить отчет.
Сведения из теории
Объёмный резонатор (О.р.), колебательная система сверхвысоких частот, аналог колебательного контура представляет собой объём, заполненный диэлектриком (в большинстве случаев воздухом) и ограниченный проводящей поверхностью либо пространством с иными электрическими и магнитными свойствами. Наибольшее распространение имеют полые О.р. – полости, ограниченные металлическими стенками. Форма ограничивающей поверхности О.р. в общем случае может быть произвольной, однако практическое распространение (в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчёта и изготовления) получили О.р. некоторых простейших форм. К ним относятся круглые цилиндры, прямоугольные параллелепипеды, тороиды, сферы и др. Некоторые типы О.р. удобно рассматривать как отрезки полых или диэлектрических волноводов, ограниченные двумя параллельными плоскостями.
Задача о собственных колебаниях электромагнитного поля в О.р. сводится к решению Максвелла уравнений с соответствующими граничными условиями. Процесс накопления электромагнитной энергии в О.р. можно пояснить на следующем примере: если между двумя параллельными отражающими плоскостями каким-либо образом возбуждается плоская волна, распространяющаяся перпендикулярно к ним, то при достижении одной из плоскостей волна полностью отразится от неё. Многократное отражение от обеих плоскостей приводит к образованию волн, распространяющихся в противоположных направлениях и интерферирующих друг с другом. Если расстояние между плоскостями L = nλ/2 (λ – длина волны, а n – целое число), то интерференция волн приводит к образованию стоячей волны (рис. 1), амплитуда которой при многократном отражении сильно возрастает; в пространстве между плоскостями будет накапливаться электромагнитная энергия, подобно тому, как это происходит при резонансе в колебательном контуре.
Свободные колебания в О.р. при отсутствии потерь энергии могут существовать неограниченно долгое время. Однако в действительности потери энергии в О.р. неизбежны. Переменное магнитное поле индуцирует на внутренних стенках О.р. электрические токи, которые нагревают стенки, что и приводит к потерям энергии (потери на проводимость). Кроме того, если в стенках О.р. есть отверстия, которые пересекают линии тока, то вне О.р. возбуждается электромагнитное поле, что вызывает потери энергии на излучение. Помимо этого, есть потери энергии в диэлектрике и потери за счёт связи с внешними цепями. Отношение энергии, запасённой в О.р., к суммарным потерям в нём за период колебаний, называется добротностью О.р. Чем выше добротность, тем лучше качество О.р.
По аналогии с волноводами типы колебаний в О.р. классифицируются по группам в зависимости от того, имеет ли пространственное распределение электромагнитного поля осевые или радиальные (поперечные) компоненты. Колебания типа Н (или ТЕ) имеют осевую компоненту лишь магнитного поля; колебания типа Е (или ТМ) обладают осевой компонентой только электрического поля. Наконец, у колебаний типа ТЕМ ни электрическое, ни магнитное поля не имеют осевых компонентов. Примером О.р., в котором могут возбуждаться колебания ТЕМ – типа, может служить полость между двумя коаксиальными проводящими цилиндрами, ограниченная с торцов плоскими проводящими стенками, перпендикулярными оси цилиндров.
Наиболее распространённым является цилиндрический О.р. Типы колебаний в цилиндрический О.р. характеризуют 3 индексами m, n, р, соответствующими числу полуволн электрического или магнитного поля, укладывающихся по его диаметру, окружности и длине (например, Еmnр или Нmnр). Тип колебания (Е или Н) и его индексы определяют структуру электрического и магнитного полей в О.р. (рис. 2). Колебание Н011 цилиндрического О.р. обладает особым свойством: оно безразлично к наличию контакта цилиндрических и торцовых стенок. Магнитные силовые линии этого колебания направлены так (рис. 2в), что в стенках О.р. возбуждаются только токи, текущие по окружностям цилиндра. Это позволяет делать неизлучающие щели в боковых и торцовых стенках О.р.
Кроме цилиндрических О.р., применяются О.р. другой формы, например в лабораторных устройствах – прямоугольные О.р. (рис.3а). Важен О.р. тороидальной формы с ёмкостным зазором (рис.3б), применяемый в качестве колебательной системы клистрона. Особенностью основного типа колебаний такого О.р. является пространственное разделение электрического и магнитного полей. Электрическое поле локализуется главным образом в ёмкостном зазоре, а магнитное – в тороидальной полости. Распределение поля в диэлектрическом О. р. при существенном различии в диэлектрической проницаемости диэлектрика и окружающего пространства близко к распределению поля в металлических полых резонаторах той же формы. В отличие от полых О.р., поле диэлектрических резонаторов проникает в окружающее пространство, однако быстро затухает при удалении от поверхности диэлектрика.
Металлические полые О.р. изготавливают обычно из металлов с высокой электропроводностью (Ag, Си и их сплавы) или покрывают полость изнутри слоем Ag или Аи. О. р. с чрезвычайно высокой добротностью получают из сверхпроводящих металлов. Настройка О.р. на определённую частоту производится изменением его объёма путём перемещения стенок или введения в полость О.р. металлических поршней, пластин и др. настроечных элементов. Связь с внешними цепями осуществляется обычно через отверстия в стенках О.р., с помощью петель, штырей и др. элементов связи. Для диэлектрических О.р. используются диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (рутил, тиганат стронция и др.), имеющие малые диэлектрические потери.
О.р. широко применяются в технике в качестве колебательных систем генераторов (клистронов, магнетронов и др.), фильтров, эталонов частоты, измерительных контуров, а также различных устройств для исследования твердых, жидких и газообразных веществ. О.р. применимы для частот 109–1011 Гц. Для более высоких частот длина волны возбуждаемых в О.р. колебаний становится сравнимой с размерами неизбежных шероховатостей и отверстий в стенках О.р., что приводит к рассеянию электромагнитной энергии. Эта недостатки устраняются в открытых резонаторах, представляющих собой систему зеркал.
Рис. 1. Образование стоячей волны в пространстве между двумя параллельными плоскостями в результате интерференции прямой и отражённых волн
Рис. 2. Простейшие виды колебаний в круглом цилиндрическом полом резонаторе: а – Е010, б – Н111, в – Н011. Сплошными линиями обозначены силовые линии электрического поля, пунктиром – силовые линии магнитного поля
Плотность силовых линий характеризует напряжённость поля. Для колебаний Е010 и H111 и плотность линий у оси цилиндра максимальна (пучность), а у его стенок равна нулю (узел). Силовые линии магнитного поля замкнутые кривые.
Рис. 3. Виды объемных резонаторов
а – прямоугольный полый объёмный резонатор, в котором возбуждён основной тип колебаний Ец0; сплошные линии – силовые линии электрического поля, пунктир – магнитного поля; б – тороидальный резонатор клистрона; в – резонаторная система магнетрона