МИНОБРНАУКИ РОССИИ

___________________________________

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

_________________________________________________

Техническая электродинамика

Лабораторный практикум

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2011

УДК 621.372.8 + 621315.2/3

ББК 3 845.7 + 3 843.232

Т 38

Т 38 Техническая электродинамика: Лабораторный практикум / С. В. Грачев, Ю. Е. Лавренко, В. Н. Малышев, В. А. Степанов / СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011, 112 с.

ISBN 978-5-7629-1160-3

Представлены описания лабораторных по первой части дисциплины «Техническая электродинамика», посвященных теории волновых процессов в длинных линиях и волноводах, теории СВЧ-цепей и СВЧ-узлов.

Предназначен для студентов радиотехнических специальностей СПбГЭТУ.

УДК 621.372.8 + 621315.2/3

ББК 3 845.7 + 3 843.232

Рецензенты: кафедра радиофизики СПбГПУ; кандид. техн. наук, доцент И. И. Саенко (СПбГУАП)

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ISBN978-5-7629-1160-3СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011

1. Приборы и методики измерений в свч-диапазоне

   1. Описание измерительной установки

Лабораторная измерительная установка (рис. 1.1) используемая для выполнения работ, содержит следующие основные приборы и узлы.

На рис. 1.1 Г – генератор СВЧ колебаний сантиметрового (f10 ГГц) или дециметрового (f3 ГГц) диапазонов; ВС – волноводный или коаксиальный СВЧ-тракт протяженностью от генератора Г до нагрузки Н; такие СВЧ-тракты иногда называются волноведущими структурами ВС; В – ферритовый вентиль; КА – калиброванный аттенюатор; ИЛ – измерительная линия; ИП – индикаторный прибор; Н – нагрузка волноведущей структуры.

Генератор СВЧ.Генератор СВЧ создает колебания, модулированные меандром (длительность импульсаt_иравна продолжительности паузыt_п) (рис. 1.2,а). При таком режиме модуляции СВЧ колебаний (рис. 1.2) после детектирования детектором измерительной линии получается низкочастотная огибающая, главная составляющая спектра которой равна частоте повторения импульсов (рис. 1.2,б):

Чаще всего кГц. Напряжение этой частоты усиливается низкочастотным избирательным усилителем.

Генератор СВЧ имеет ручки перестройки частоты и регулировки уровня выходной мощности.

Волноведущая структура (ВС).Генератор СВЧ возбуждает волноводную или коаксиальную линии (волноведущие структуры). В них электромагнитные волны распространяются от генератора Г в сторону нагрузки Н. Как правило, энергия волны, созданной генератором, не вся поглощается в нагрузке. Возникает отраженная (обратная) волна. Между генератором и нагрузкой в волноведущей структуре устанавливается интерференционная картина.

Ферритовый вентиль (В).Ферритовый вентиль обладает свойством пропускать волны в прямом направлении (от генератора) и полностью подавлять волны, распространяющиеся в обратном направлении. Тем самым он обеспечивает развязку между генератором и измерительной установкой. Это необходимо для того чтобы отраженная от нагрузки волна не попадала обратно в генератор, так как она может вызвать нестабильность работы генератора: изменить частоту колебаний и уменьшить уровень генерируемой мощности.

Калиброванный аттенюатор (КА).Это устройство является поглощающим, позволяет плавно регулировать и точно измерять уровень мощности волны, прошедшей через него. Здесь КА используется для изменения уровня мощности волны на входе измерительной линии.

Устройство измерительной линии(ИЛ).Измерительная линия предназначена для исследования распределения электрического поля (или напряжения) вдоль волноведущей структуры. На рис.1.3 показан в упрощенном виде поперечный разрез волноведущих структур: волновода и двухплоскостной линии с изображением силовых линий электрического поля в них. Внутрь волноведущих структур введен тонкий металлический зонд. Глубина его погружения может регулироваться гайкой в верхней части измерительной головки (см. рис. 1.3,а). Там же расположена шкала, по которой отсчитывается глубина погружения зонда. В зонде наводится ток СВЧ, пропорциональный напряженности электрического поля (или напряжению) в том сечении волновода или линии, где он установлен. Зонд связан с объемным резонатором, и ток зонда возбуждает в резонаторе электромагнитные колебания, амплитуда которых может быть очень большой, если резонатор настроен на частоту колебаний поля в волноведущей структуре.

Настройка в резонанс производится изменением объема резонатора (см. рис. 1.3, б) и изменением положения регулируемых поршней (см. рис. 1.3,а). Возникшие в резонаторе колебания детектируются диодом, введенным в его полость, после чего продетектированный низкочастотный сигнал (меандр с частотой 1 кГц) подается на индикаторный прибор. Каретку с измерительной головкой (зонд, резонатор, детектор) можно плавно передвигать вдоль волноведущей структуры и отсчитывать ее местоположение по возрастающим или убывающим шкалам перемещения, которые снабжены нониусом с ценой деления 0,05 мм. В волноводе для этой цели посередине широкой стенки прорезана узкая длинная щель, не искажающая структуру поля в волноводе. Вдоль щели и движется зонд, помещенный в волновод. Перемещая каретку и считывая показания индикатора, можно экспериментально снять амплитудное распределение напряженности поля (напряжения) вдоль волноведущей структуры (волновода или линии).

Индикаторный прибор (ИП).Данное устройство представляет собой избирательный усилитель низкой частоты (УНЧ) со стрелочным индикатором. Индикаторный прибор имеет ручки управления, позволяющие менять его чувствительность плавно или дискретно. К индикаторному прибору прилагается инструкция по эксплуатации. Показания ИП пропорциональны уровню поля в волноведущей структуре в том месте, где находится зонд измерительной линии.Если вольтамперная характеристика диода квадратична, то и показания ИП пропорциональны квадрату напряженности электрического поля в ВС.

Нагрузка (Н).Под нагрузкой волноведущей структуры понимается любой СВЧ узел, включенный на выход измерительной линии, например: подвижная короткозамыкающая перемычка (плунжер): открытый конец волноведущей структуры; вообще, любое соединение узлов СВЧ, имеющих общий вход. Нагрузка может полностью отражать падающую на нее волну (плунжер), полностью поглощать энергию падающей волны (согласованная нагрузка).