Общие методические указания по выполнению лабораторных работ 2

Определение полных сопротивлений и измерение длины волны в волноводе 4

Исследование электромагнитного поля в прямоугольном волноводе 15

Измерение параметров диэлектриков на СВЧ волноводными методами 27

Общие методические указания по выполнению лабораторных работ

Выполнение лабораторной работы студентом делится на три эта­па: подготовку к работе, выполнение самой работы и составление отчета.

Добросовестная подготовка к работе обеспечивает хорошее и быстрое выполнение ее, сокращает время на составление отчета.

При подготовке к работе рекомендуется:

1. Внимательно прочитать описание предыдущей лабораторной ра­боты и вопросы, выносимые на коллоквиум, предшествующий этой рабо­те.

2. Используя рекомендованную литературу и конспект лекций, ус­воить основные теоретические сведения, методы и технику измерений, которые необходимо проделать в данной работе. Ответить на вопросы, выносимые на коллоквиум.

3. За день-два до выполнения работы ознакомиться с лаборатор­ной установкой и аппаратурой, которая будет использована во время работы. Непонятные вопросы выяснить у преподавателя или сотрудни­ков лаборатории.

4. Дo выполнения лабораторной работы каждому студенту реко­мендуется проделать технические расчеты и построить графики сог­ласно заданию.

Подготовку к работе студент может считать законченной, если он имеет ясное представление о том, что делать, и что он ожидает получить в результате эксперимента.

Преподаватель, проводящий коллоквиум, до начала лабораторных работ, устанавливает степень понимания студентом этих вопросов. Студент, показавший на коллоквиуме недостаточные знания, к выпол­нение данной лабораторной работы не допускается. В то время как его товарищи выполняют лабораторную работу, ему предоставляется возможность здесь же в лаборатории восполнить недостаток своих знаний и подготовиться к повторному коллоквиуму в установленное преподавателем время.

При выполнении лабораторной работы студентам рекомендуется:

1. Перед включением приборов проверить, на какое напряжение они установлены. Подключать установку к сети только с разрешения лаборанта.

2. Как можно тщательнее выполнить все измерения, положенные по ходу лабораторной работы. При регистрации какой-либо зависимости, данные измерений, не требующие пересчета, наносить сразу же на график без предварительной записи в таблицу. Это значительно эко­номит время и позволяет обнаружить сразу же ошибочные измерения.

3. Если данные требуют пересчета, таблицу следует составить в черновой тетради, там же сделать пересчет и представить на гра­фике искомую зависимость. Для быстрого проведения необходимых расчетов каждому студенту, пришедшему в лабораторию, рекомендуется иметь калькулятор.

4. Если экспериментально зарегистрированные точки зависимости не уклады­ваются на плавную кривую, нужно не соединять их ломаной линией, а проводить по ним кривую, соответствующую усредненным значениям из­меряемой величины.

5. Каждую экспериментально зарегистрированную кривую сравнить с теоретически рассчитанной кривой соответствующей зависимости. При об­наружении значительных расхождений в ходе этих кривых попытаться самому выяснить причины этих расхождений. В случае затруднения обращаться за помощью к преподавателю.

Такой метод позволяет во время выполнения лабораторной работы установить возможные ошибки и исправить их. Перенесение этой час­ти работы на дом приводит к нерациональному использованию времени в лаборатории, запоздалому обнаружению ошибок и повторному выполнению лабораторной работы.

Составление отчета по проделанной работе вырабатывает привыч­ку анализировать результаты измерений, т.е. воспитывает качества, необходимые в будущем научному работнику. Отчет по работе наглядно показывает степень научной подготовки студента и стиль его работы Отчет должен быть кратким и аккуратно выполненным.

При составлении отчета рекомендуется:

1. Основное внимание сосредоточить на анализе полученных за­висимостей, их объяснении и практических выводах, Желательны критические замечания по методам измерения и расчету исследуемых за­висимостей и величин.

2. Нe загромождать отчет многочисленными таблицами и пояснени­ями, взятыми из учебника. Указать, что исследовалось, метод измере­ния, метод расчета; привести сопоставление результатов расчета и эксперимента в виде графиков. Промежуточные выкладки желательно опускать.

3. Теоретически рассчитанные графики, при сравнении их с эк­спериментальными данными, вычерчивать либо карандашом другого цвета, либо пунктирной линией карандашом того жe цвета, что и экспериментальный график.

После проверки отчета преподавателем рекомендуется использо­вать данные из отчета для пополнения конспекта лекции.

Определение полных сопротивлений и измерение длины волны в волноводе

Цель работы

• Ознакомиться с характеристиками процессов в линии передачи

• Получить навыки использования измерительной линии для количественной оценки параметров волновых процессов

• Измерить полное сопротивление нагрузки

Приборы и принадлежности

1. Генератор дециметрового диапазона ГЗ-10А.

2. Измерительная коаксиальная линия.

3. Милливольтметр.

4. Согласованная нагрузка.

5. Развязывающий аттенюатор.

6. Короткозамыкающая заглушка.

7. Исследуемые нагрузки.

Краткая теория метода

Основные понятия о характеристиках процессов в линии передачи

В зависимости от возмущения электромагнитной волны в волноводе подразделяются на волны типа Е=ТМ – плоские магнитные волны, в которых отсутствует продольная составляющая магнитного поля Н, и волны типа Н=ТЕ – при отсутствии продольной составляющей электрического поля Е.

В коаксиальных измерительных линиях чаще всего используется плоская волна типа ТЕМ, не имеющая продольных компонентов Е и Н.

Электрические силовые линии направлены радиально от центрального проводника к внешнему, а магнитные – концентрическими окружностями вокруг центрального провода.

Возьмем измерительную линию, слева присоединенную к генератору СВЧ а справа к измеряемой нагрузке (рис. 1 ). направим ось х от генератора к нагрузке вдоль измерительной линии с началом отсчета в некоторой точке х=0.

рис. 1

При включении генератора в волноводе измерительной линии установятся стоячие волны, так как часть энергии поля будет отражаться от нагрузки.

Поперечные составляющие полей Е и Н могут быть представлены как сумма падающей и отраженной волн (т.е. идущей в положительном направлении Е⁺ и в отрицательном Е^- соответственно):

Е=Е⁺+Е^-, (3)

Н=Н⁺+Н^-. (3’)

Коэффициентом отражения ρ в данной точку волновода называется комплексная величина, равная отношению взятых в этой точке поперечных составляющих Е и Н:

(4) (4’)

При этом . На практике для определения чаще всего используют выражение (4), поэтому ниже под коэффициентом отражения мы будем понимать .

Коэффициент отражения зависит от точки, в которой он определяется, так как при перемещении по волноводу фазы волн изменяются. в самом деле, для начала отсчета (точки 0):

(5)

а любой другой точки для волновода без потерь:

(6)

но , а ,

поэтому

и мы получим:

,

(6*),

Здесь -фазовая постоянная , или волновое число для волновода, -длинна волны в волноводе.

Характеристическим или волновым сопротивлением волновода Z₀ называется отношение поперечных компонент полей Е и Н для бегущей волны:

(7)

Оно является неизменным для любой точки .

Полным сопротивлением волновода в данной точке называют комплексную величину, равную отношению полей (3) и (3*):

,

или учитывая (4), (4*) и (7) ,

Таким образом, для определения полного сопротивления в данной точке волновода необходимо измерить в ней коэффициент отражения ρ. Для измерения модуля ρ достаточно измерить коэффициент бегущей волны S (КБВ) или обратную ему величину – коэффициент стоячей волны (КСВ).

Коэффициентом стоячей волны называют отношение напряженностей полей в точках минимума (Е_min) и максимума (E_max) электрического поля (рис.1)

Процесс образования в волноводе стоячих волн для некоторой точки удобно представить графически:

Рис. 2

Из рис. 2 видно, что картина стоячих волн получится в согласии с рис. 1, если вектор Е^- вращать против часовой стрелки. Из этих же рисунков ясно, что

, (10)

Если из эксперимента известны Е_min и E_max , то используя (10), можно определить модуль коэффициента отражения:

. (11)

Для определения фазы коэффициента отражения достаточно измерить расстояние данной точки от ближайшего минимума, где фаза принимается равной (2n-1)π .

Тогда для точки минимума по (6):

φ=φ₀+2βx_min=(2n-1) π,

откуда:

φ₀=(2n-1)π -2βx_min ,

и для точки х , в которых нужно определить фазу, будем иметь

φ=(2n-1) π -2βx_min+2βx=(2n-1) π -2β(х-х_min) , (12)

Принимаем условие, при котором φ всегда расположено в интервале между - π и + π , тогда n=0. Обозначая х-х_min=d_min , окончательно получим:

φ=-2βd_min- π , (13)

На практике определяют обычно местоположение минимума и измеряют расстояние до него со стороны нагрузки, а не со стороны источника.