3823
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
53 |
№ 3823 |
Э 455 |
|
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн» для студентов всех форм обучения третьего курса факультета
«Радиотехника и электроника»
НОВОСИБИРСК
2010
1
УДК 537.876 + 621.372.8](076.5) Э 455
Составители:
А.П. Горбачев, канд. техн. наук, проф., М.А. Степанов, канд. техн. наук, ст. преп.
Рецензент Г.С. Садовой, канд. техн. наук, доц.
Работа подготовлена на кафедре «Радиоприемных и радиопередающих устройств»
© Hовосибиpский государственный технический университет, 2010
2
ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ В ЛАБОРАТОРИИ
Подготовка к работе
На лабораторные занятия студент должен явиться подготовленным. Подготовка к проведению работ производится студентами в дни и часы, предшествующие началу лабораторной работы по расписанию.
Подготовка к работе включает:
1.Ознакомление с описанием работы.
2.Изучение теоретических вопросов, связанных с данной работой, по литературе и конспекту лекций.
3.Ознакомление с правилами эксплуатации измерительной аппаратуры, применяемой в работе.
4.Выполнение предварительных расчетов к лабораторной работе.
5.Оформление бланка отчета.
Студенты, явившиеся на лабораторное занятие неподготовленными, к выполнению лабораторной работы не допускаются.
Порядок выполнения лабораторных работ
1.Перед выполнением цикла лабораторных работ на первом занятии студенты проходят инструктаж по технике безопасности и знакомятся с правилами выполнения работ в лаборатории.
2.Лабораторные работы выполняются бригадами в часы, предусмотренные расписанием.
3.Перед началом работы студенты предъявляют преподавателю бланки отчета по предстоящей работе и кратко поясняют суть предстоящих измерений. Если материал, представленный студентом, преподаватель считает удовлетворительным, студент допускается к выполнению работы.
4.Работа считается законченной после просмотра и утверждения полученных результатов преподавателем.
3
5.По окончании работы студент должен выключить питание лабораторной установки, измерительную аппаратуру и привести рабочее место в порядок.
6.Студенты, пропустившие занятия, а также не допущенные к работе, выполняют ее во время, согласованное с преподавателем.
Оформление отчета и зачет по работе
1.Защита производится только при наличии у студента отчета по выполненной лабораторной работе.
2.По лабораторной работе составляется общий отчет на бригаду. Содержание отчета должно соответствовать требованиям, изложенным
вописании лабораторной работы.
3.Отчет выполняется на листах формата А4, он не должен содержать помарок, исправлений. В отчете должны содержаться комментарии ко всем рисункам, графикам и таблицам. Все выполняемые расчеты должны быть пояснены. В конце отчета должен содержаться вывод по лабораторной работе.
4.Защита лабораторной работы осуществляется каждым студентом индивидуально в часы консультаций, определенные преподавателем. Консультации назначаются, начиная с десятой учебной недели.
5.На основании зачетов по всем выполненным работам студенту выставляется итоговый зачет по лабораторному практикуму в целом, являющийся составной частью допуска к итоговой аттестации студента в семестре по изучаемой дисциплине.
4
Лабораторная работа № 1
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ
Цели работы
1.Изучение устройства и принципа действия измерительной ли-
нии.
2.Ознакомление с явлением отражения электромагнитных волн в линиях передачи.
3.Определение коэффициента отражения нагрузки с помощью измерительной линии.
Введение
Измерительная линия непосредственно служит для исследования характера распределения электромагнитного поля вдоль передающей линии. Измерительные линии бывают волноводные и коаксиальные.
Основой волноводной линии является отрезок волновода с узкой щелью посредине широкой стенки волновода. При распространении основной волны такая щель не искажает поле в волноводе. Длина щели превышает длину волны в волноводе. Если щель недостаточно узка, смещена или перекошена, то через нее может излучаться энергия, о чем будет свидетельствовать нестабильность показаний индикатора при изменении положения окружающих предметов.
Основой коаксиальной измерительной линии обычно служит отрезок плоскопараллельной линии (открытый коаксиал). Плоскопараллельная линия состоит из двух параллельных пластин и цилиндрического стержня, расположенного между ними. Пластины образуют внешний проводник коаксиальной линии, цилиндрический стержень служит ее внутренним проводником. Такую линию можно рассматривать как коаксиальную с двумя продольными щелями. На концах плоскопараллельная линия имеет переходы к обычной коаксиальной цилиндрической линии.
Измерительная линия состоит из трех основных узлов: отрезка линии передачи (волноводной или коаксиальной), зондовой головки и подвижной каретки. Зондовая головка представляет собой перестраиваемый резонатор, связанный с линией с помощью зонда – металлического штыря, расположенного вдоль силовых линий электрического поля. Зондовая головка закреплена на подвижной каретке, которая может перемещаться вдоль линии передачи (рис. 1.1).
5
2 
A
4
3 
|
|
|
1 |
|
|
|
E |
|
|
|
|
Рис. 1.1. Структура измерительной линии
Наведенная ЭДС зонда, пропорциональная напряженности электрического поля в линии 1, возбуждает в резонаторах 3 и 4 электромагнитные колебания, которые затем поступают на полупроводниковый детектор. Индикатором поля детектора служит микроамперметр постоянного тока. Координата зондовой головки 2 в линии 1 и величина выпрямленного тока служат исходными данными для определения различных характеристик электромагнитного поля в линии – длины волны, коэффициента фазы, коэффициента отражения и др.
При подготовке измерительной линии к работе зондовая головка настраивается на максимум тока микроамперметра. Для установления зависимости между током микроамперметра и напряженностью электрического поля в линии производится градуировка детектора измерительной линии. Результатом градуировки является график, называемый детекторной характеристикой измерительной линии. При малых токах характеристика будет близка к квадратичной.
В отличие от идеализированных, реальные радиочастотные линии передачи имеют конечную длину. Однородность линии нарушается, и поле в линии представляет собой наложение двух волн: падающей и отраженной. Падающей называется волна, распространяющаяся от генератора в направлении нагрузки, включенной на конце линии. Другая волна возбуждается в нагрузке и распространяется обратно к генерато-
6
ру. Эта волна и называется отраженной. Источником отраженных волн могут быть и другие неоднородности передающего тракта – соединения, изгибы, разветвления и т. п.
Отношение комплексных амплитуд падающей Eпад z и отражен-
ной Eотр z волн на нагрузке |
z |
0 |
называют комплексным коэффи- |
||||
циентом отражения нагрузки: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Eотр |
0 |
|
|
|
e j . |
|
|
|
||||||
|
0 |
||||||
|
Eпад |
|
|
|
|
||
Действительное поле в волноводе является результатом наложения (суперпозиции) падающей и отраженной волн:
E z E 0 e j z |
E 0 e j z |
E z 1 e 2 j z . |
пад |
отр |
пад |
Здесь знаки фаз соответствуют отсчету координаты z от нагрузки к генератору. Величина 2 / в – коэффициент фазы, в – длина
волны в волноводе.
Очевидно, что коэффициент отражения зависит от характера нагрузки. На рис. 1.2 показана картина распределения амплитуд относительной напряженности суммарного поля (напряжения) вдоль линии при различных нагрузках.
|
|
|
E |
zmin |
1 |
Eпад |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
0 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
0.5e j |
0 |
|
|
zmin |
|
|
|
|
Рис. 1.2. Распределение напряженности поля вдоль линии при различных нагрузках
7
Различают три режима передачи энергии в линии.
1. Режим бегущей волны 0 , соответствующий случаю согла-
сованной нагрузки. При этом имеется лишь падающая волна, а отраженная отсутствует.
2. Режим стоячей волны |
|
|
|
|
1 . |
Линия на конце замкнута нако- |
|
|
|
||||||
ротко |
1 или изолирована |
|
1 . В этом случае электромаг- |
||||
нитная энергия полностью отражается от конца и в линии устанавливаются стоячие волны.
3. Режим несогласованной нагрузки 1 . Наблюдается частич-
ное отражение энергии от конца линии.
Знание коэффициента отражения позволяет, таким образом, охарактеризовать поле в линии (волноводе) при наличии отражений. Величину коэффициента отражения можно определить с помощью измерительной линии, что на практике вызывает определенные трудности – для этого необходимо разделить падающую и отраженную волны. Поэтому обычно с помощью измерительной линии определяют два параметра картины распределения – коэффициент стоячей волны
КCB |
|
E |
z |
max |
|
|
|
||
|
E |
z |
min |
|
|
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
(1.1) |
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
и расстояние от нагрузки до ближайшего минимума напряженности поля (напряжения) zmin .
Зная величину КСВ, легко найти модуль коэффициента отражения. Фаза коэффициента отражения определяется из простого соотношения:
2 z |
. |
(1.2) |
Иногда вместо КСВ измеряется обратная величина, называемая коэффициентом бегущей волны (КБВ): КБВ = 1/КСВ. Нетрудно заметить, что пределы изменения 0 КБВ 1 и 1 КСВ .
Из-за потерь в линии амплитуда и мощность падающих и отраженных волн в направлении своего распространения несколько ослабляются. Однако в полой линии это явление трудно обнаружить.
8
Задание
(Выполняется при подготовке к работе)
1. Изучить по литературе структуру основной волны прямоугольного и круглого волноводов, основные закономерности отражения в линиях передачи.
2. Рассчитать длину волны |
в |
и коэффициент фазы основной |
|
|
волны прямоугольного волновода сечением 23×10 мм в диапазоне частот 11…13 ГГц с шагом в 400 МГц.
3. Для тех же частот рассчитать модуль и фазу коэффициента отражения нагрузки заданного прямоугольного волновода, если
КCB 3 , zmin / в 0.15.
(Выполняется в лаборатории)
1.Ознакомиться с используемой аппаратурой и порядком работы с
ней.
2.Подготовить изучаемую волноводную линию к работе.
3.Измерить длину волны в измерительной линии.
4.Отградуировать детектор измерительной линии.
5.Измерить с помощью измерительной линии картину распределения амплитуд и измерить точным и приближенным методом КСВ заданных волноводных нагрузок в диапазоне частот 11.8…13 ГГц с шагом 200 МГц. Выбор нагрузок – по указанию преподавателя.
6.Измерить модуль и фазу коэффициента отражения тех же волноводных нагрузок в том же диапазоне частот.
Методические указания
Подготовка измерительной линии к работе
Закрыть заглушкой (металлической пластиной) открытый конец измерительной линии и настроить зондовую головку на частоту генератора. Для этого необходимо настроить в резонанс контуры зонда и детектора по максимуму показаний индикатора (микроамперметра) с помощью двух колец, находящихся на зондовой головке.
После настройки регулировкой выходной мощности генератора добиться того, чтобы стрелка прибора в максимуме поля отклонилась почти на полную шкалу.
9
Измерение длины волны
Длина волны в находится как удвоенное расстояние между сосед-
ними минимумами поля при закороченной линии. Положения минимума следует определять с использованием «метода вилки»: по обе стороны минимума фиксируются два положения зондовой головки, при которых отклонения микроамперметра одинаковы и на 5–10 делений превышают отклонения в минимуме. Минимум будет находиться между этими двумя положениями.
Градуировка детектора измерительной линии (измерение детекторной характеристики)
Поставить зонд в какой-нибудь минимум поля при закороченной линии и зафиксировать его положение. Принять это положение за на-
чало координат z 0 .
Смещать зонд из начального положения с шагом z 1 мм и фиксировать показания микроамперметра I z . Измерения проводить в пределах 0 z в /4.
Рассчитать соответствующие I z значения амплитуд относительной напряженности электрического поля E z / Emax sin 2 z / в с тем же шагом и в тех же пределах, что и изменения I z . Синус рассчитывается от аргумента в радианах.
Измерение КСВ и коэффициента отражения нагрузки
Для измерения картины распределения амплитуд и КСВ измерительная линия включается между генератором и заданной нагрузкой.
Измеряется и строится картина I z в пределах 0 z |
в |
с шагом |
|
|
2 мм. При этом обязательно фиксируются минимумы и максимумы. Для измерения КСВ определяются токи микроамперметра в макси-
муме Imax и минимуме Imin поля. Приближенно КСВ определяется как
KCB |
|
Imax |
|
. |
|
||||
|
|
Imin |
||
10