- •Электродинамика
- •1. Исследование электрофизических свойств материалов в микроволновом диапазоне
- •1.1. Основные теоретические положения
- •1.1.1. Электрофизические свойства диэлектриков
- •1.1.2. Электрофизические свойства магнетиков
- •1.1.3. Электрофизические свойства гиротропных сред
- •1.2. Объекты измерений
- •1.3. Методика измерений
- •1.3.1. Измерение диэлектрической проницаемости
- •1.3.2. Измерение магнитной проницаемости феррита
- •4.3.3. Описание измерительной установки
- •1.4. Задание по лабораторной работе
- •1.4.1. Предварительное задание
- •1.4.2. Основное задание
- •1.4.3. Дополнительное задание
- •1.5. Содержание отчета
- •1.6. Контрольные вопросы
- •2. Исследование электромагнитных волн в волноводах
- •2.1. Основные теоретические положения
- •2.2. Описание объекта наследований
- •2.3. Описание измерительной установки
- •2.4. Задание по лабораторной работе
- •2.4.1. Предварительное задание
- •2.4.2. Основное задание
- •2.4.3. Дополнительное задание
- •2.5. Содержание отчета
- •2.6. Контрольные вопросы
- •3. Исследование замедляющих систем
- •3.1. Основные теоретические положения
- •3.1.1. Параметры замедляющих систем
- •3.2.2. Измерение характеристик и параметров зс
- •3.2. Описание исследуемого макета зс
- •3.3. Описание измерительной установки
- •3.4. Задание по лабораторной работе
- •3.4.1. Предварительное задание
- •3.4.2. Основное задание
- •3.4.3. Дополнительное задание
- •3.5. Содержание отчета
- •3.6. Контрольные вопросы
- •4. Исследование объёмных резонаторов
- •4.1. Основные теоретические положения
- •4.1.1. Параметры объемных резонаторов
- •4.1.2. Методы измерения параметров полых резонаторов
- •4.2. Описание объекта исследований
- •4.3. Описание измерительной установки
- •4.4. Задание по лабораторной работе
- •4.4.1. Предварительное задание
- •4.4.2. Основное задание
- •4.5. Содержание отчета
- •4.6. Контрольные вопросы
- •1. Особенности измерений в микроволновом диапазоне
- •2. Исходные данные для выполнения предварительного задания
- •Размеры замедляющей системы типа «цепочка связанных резонаторов»
- •Список рекомендованной литературы
- •Оглавление
- •Электродинамика
- •197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5
4.1.2. Методы измерения параметров полых резонаторов
Для измерения параметров резонатор включают в измерительную цепь с помощью специальных устройств (элементов связи), предназначенных для возбуждения поля того или иного вида колебаний. К таким устройствам возбуждения относятся, в частности, петли (возбуждающие магнитное поле) и штыри (возбуждающие электрическое поле), образованные центральным проводником подводящей коаксиальной линии и расположенные соответственноперпендикулярно магнитным илипараллельно электрическим силовым линиям поля возбуждаемого вида колебаний резонатора. Элементы связи могут выполняться также в виде отверстий (щелей) в общей стенке, разделяющей резонатор и линию передачи. В соответствии с теоремой взаимности такие же устройства используются и для отбора энергии из резонатора. На рис. 4.4 схематично показаны способы возбуждения магнитного и электрического полей соответственно с помощью петли (а)и штыря (б).
Добротность резонатора с учетом потерь во внешних цепях называютнагруженной добротностью(ср. с формулой ):
Из (4.12) с учетом (4.5) следует, что
где
–внешняя добротность, определяемая как отношение энергии, запасенной в резонаторе, к мощности потерь во внешних цепях.
Отношение внешних потерь к собственным потерям называется коэффициентом связирезонатора с внешними цепями:
.
Связь может быть слабой (если внешние потери меньше собственных,),критической (внешние потери равны собственным,) исильной (внешние потери больше собственных,).
В случае включения резонатора по схеме четырехполюсника (или «на проход», т. е. с двумя элементами связи – рис. 4.5, а) имеет место соотношение
где и– коэффициентысвязи входного и выходного элементов.
Из (4.13) видно, что прии, близких к нулю, нагруженная добротностьстремится к. Величинуобычно измеряют по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) резонатора, которая для схемы «на проход» имеет вид, аналогичный резонансной кривой (см. рис. 4.3,а), и показана на рис. 4.6:
где – резонансная частота, соответствующая максимуму мощности, проходящей в нагрузку;– ширина полосы пропускания на уровне «половинной» мощности. Такой метод определения добротности называетсяметодом передачи. Измерение параметров резонатора, включенного по схеме двухполюсника (рис. 4.5,б), основывается на измерении зависимости коэффициента отражения (коэффициента стоячей волны) в линии передачи, на конце которой находится резонатор, от частоты задающего генератора. Обычно для измерения волнового сопротивления используют метод малых возмущений (прил. 1) .
Из определения волнового сопротивления следует, что если электрическое поле в области, где проводится измерение, однородно, то пропорционально отношению,а из формулы (П1) видно, что если в месте расположения возмущающего тела магнитное поле равно нулю, то смещение резонансной частотытакже пропорционально. Следовательно, волновое сопротивлениеоказывается пропорционально величине смещению резонансной частоты, а последняя может быть измерена экспериментально. Если приполе в резонаторе стремится к своему невозмущенному состоянию, калибровочный коэффициентв формуле (П4) можно положить равной 1. Этому условию удовлетворяет, в частности, тонкая диэлектрическая пленка, расположенная по внутреннему краю зазора резонатора. В этом случае при известной относительной диэлектрической проницаемости пленкиволновое сопротивление определяется по формуле
где – ширина зазора, мм;– площадь поперечного сечения пленки, мм2. Единицы измерения других величин следующие:, МГц;, ГГц;, Ом. На практике используют также возмущающие тела в виде тонких металлических и диэлектрических игл, дисков, шариков и т. д. Калибровочные коэффициенты для этих тел определяются экспериментально.
Рассмотренное явление смещения частоты находит два других важных применения.
Первое связано с определением диэлектрических и магнитных параметров вещества по смещению частоты и изменению добротности эталонного резонатора с известной структурой поля (см., в частности, лаб. раб. 1).
Второе заключается в определении поля для идентификации видов колебаний. Так, на рис. 4.4, бвидно, что тонкая металлическая игла, ориентированная параллельно силовым линиям электрического поля, вызывает сильное его искажение (возмущение – ср. с рис. 4.4,а), что приводит к соответствующему сильному изменению (смещению) частоты. Наоборот, игла, ориентированная перпендикулярно силовым линиям электрического поля, не искажает поля в резонаторе и, следовательно, его резонансная частота также не изменяется. Таким образом, зная ориентацию иглы и измеренную величину соответствующего смещения частоты, можно качественноопределить зависимость направления и относительной величины вектора электрического поля в местах возмущения, т. е. зависимостьот соответствующих координат пространства. Полученные зависимости являются необходимыми и достаточными для построения картины силовых линий электрического поля в объеме резонатора и, таким образом, для идентификации исследуемого вида колебаний.