Цели работы.
1. Ознакомление с методикой волноводных измерений.
2. Ознакомление с волноводной измерительной техникой.
3. Измерение различных характеристик основной волны прямоугольного волновода.
4. Исследование физической сути рассматриваемых явлений.
Описание установки и измерений, проводимых в работе.
В работе исследуется прямоугольный волновод с поперечным сечением 23х10 мм (рис.1). Для этого к концу волноводного тракта подключаются различные нагрузки и наблюдаются соответствующие им распределения напряженности электрического поля вдоль волновода. Затем исследуется поперечное распределение электрического поля в волноводе. Экспериментально определяются такие параметры, как длина волны в волноводе, коэффициент бегущей волны (КБВ), коэффициент отражения от нагрузки.
Рис. 1. Фрагмент прямоугольного волновода.
Рис.2. Схема лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят (рис. 2):
G – генератор ГКЧ 61;
P1 – измерительная линия Р1-28 с сечением волновода 23х10 мм для исследования электрического поля вдоль волновода (в направлении координаты z);
P2 – специальная измерительная секция для исследования электрического поля поперек волновода (в направлении координаты x);
P3 – усилитель селективный У2-8 для измерения сигналов с измерительных секций;
A – различные нагрузки, подключаемые к выходу W измерительной линии P1.
Высокочастотный сигнал частотой от генератора G поступает по кабелю на две последовательно соединенные измерительные секции P1 и P2, которые образуют прямоугольный волноводный тракт сечением 23х10 мм, в котором возбуждается волна H10 .
К выходу W секции P1 подключаются различные нагрузки:
1.) Короткозамыкающая пластина, создающая режим стоячей волны в линии;
2.) Согласованная поглощающая нагрузка, создающая режим бегущей волны в линии;
3.) Две решетки с продольным и поперечным расположением штырей (относительно вектора );
4.) В роли нагрузки выступает открытый конец волновода.
Низкочастотные сигналы с детекторов секций P1 и P2 поступают на селективный усилитель P3. Показания стрелочного индикатора усилителя P3 пропорциональны квадрату амплитуды напряженности электрического поля в волноводе .
Продольное распределение амплитуды электрического поля в волноводе исследуется с помощью измерительной линии P1, в которой зонд в виде штыря перемещается по узкой щели, прорезанной в середине широкой стенки волновода. Такая щель является неизлучающей. Измерительная линия снабжена шкалой для отсчета положения зонда.
Поперечное распределение амплитуды электрического поля в волноводе исследуется с помощью специальной секции P2, в которой штырь перемещается в направлении, перпендикулярном узкой стенки волновода с помощью микрометрического винта.
Теоретический материал.
Выражения для комплексных амплитуд поля волны H10, распространяющейся в сторону увеличения координаты z имеют вид:
,
. (1)
Введем обозначения:
,
. (2)
Тогда выражения (1) для комплексных амплитуд поля можно записать с учетом (2), как:
,
, (3)
где - постоянная распространения в волноводе; - длина волны в волноводе; - волновое сопротивление волны H10; - волновое сопротивление среды, заполняющей волновод.
Если в волноводе присутствуют нерегулярности, то распространяющаяся в волноводе волна частично или полностью отражается от них. Можно считать, что в сечении волновода, в котором находится нерегулярность включена некоторая нагрузка.
Пусть сечение нагрузки совпадает с плоскостью , падающая волна распространяется в отрицательном направлении оси z, а отраженная – в положительном направлении. Тогда выражение для комплексной амплитуды напряженности электрического поля имеет вид:
, (4)
где - коэффициент отражения от нагрузки.
Амплитуда напряженности электрического поля:
. (5)
Максимальное и минимальное значения амплитуды при равны:
, (6)
достигаются в точках
, , (7)
Расстояние между соседними минимумами и максимумами равно половине длины волны в волноводе, поскольку , откуда:
. (8)
Используя это соотношение можно экспериментально определить длину волны в волноводе.
Выражение для нормированной амплитуды напряженности электрического поля имеет вид:
. (10)
В работе используется измерительная линия, у которой продольная координата детекторной головки отсчитывается от некоторого сечения , не совпадающего с сечением включения нагрузки , т.е. . В системе координат измерительной линии запишем:
. (11)
Если построить график по формуле (10) для режима короткого замыкания, можно заметить, что координаты минимумов кратны половине длины волны в линии . Этим значениям соответствуют , откуда находим . Тогда, учитывая, что функция (11) имеет период , можно записать:
. (12)
Выражение (12) позволяет построить распределение нормированной амплитуды напряженности электрического поля в линии по экспериментальным данным. Для этого необходимо измерить величину КБВ:
, (13)
откуда модуль коэффициента отражения от нагрузки :
. (14)
Фазу коэффициента отражения можно определить, зная положение первого минимума в режиме короткого замыкания и первого минимума в режиме произвольной нагрузки :
. (15)