Laboratorny_praktikum_-_2007

торый и подается на вход формирователя импульсов. Время счёта определяется высокостабильным кварцевым генератором опорной частоты. Относительная погрешность измерения частоты синусоидальных сигналов частото-

мерами второго типа составляет 10 5...10 7.

Измерение коэффициента стоячей волны и ее затухания. Коэффици-

ентом стоячей волны напряжения kc в линии передачи называют отношение модулей максимальной Umax и минимальной Umin амплитуд напряжения (напряженности электрического поля). Из этого определения следует, что коэффициент стоячей волны определяется выражением

входное плечо и выходящая из четырехполюсника. Как измерение kc , так и измерение ослабления связаны с определением отношения мощности двух волн в микроволновом тракте. Поэтому эти измерения в диапазоне частот можно осуществить, применяя генератор СВЧ-сигналов, устройства для выделения падающей и отраженной волн и измерители интенсивностей этих волн. Современный подход к решению данной задачи – применение панорамного измерителя коэффициента стоячей волны и затухания, который поз-

73

воляет наблюдать и измерять на экране электронно-лучевого индикатора зависимости указанных величин от частоты в заданном диапазоне частот.

Измеритель содержит генератор качающейся частоты 1, измерительный тракт 2 с исследуемым устройством и индикаторный блок 3 (рис. П.1, а). Устройство и принцип работы ГКЧ описаны ранее. Измерительный тракт содержит направленные ответвители H01 и Н02 и измеряемое устройство Н. Индикаторный блок содержит электронно-лучевой индикатор, горизонтальная развертка которого синхронизирована с ГКЧ, так что горизонтальная

координата луча пропорциональна разности f t fmin где f t – частота ГКЧ в любой момент времени t ; fmin – минимальная частота качания.

Сигнал с направленного ответвителя H01, пропорциональный мощности падающей волны, поступает на вход падающей волны усилителя, а сигнал с ответвителя Н02 – на вход отраженной волны усилителя. Ширина полосы пропускания усилителя регулируется. При широкой полосе пропускания индикатор работает с малой длительностью развертки (0.08 с), но имеет сравнительно малую чувствительность, ограниченную шумами. При узкой полосе пропускания чувствительность усилителя увеличивается, однако частоту развертки необходимо уменьшить. На вертикальные пластины электронно-луче- вого индикатора поступает сигнал, пропорциональный отношению мощностей отраженной и падающей волн. Откалибровав предварительно усиление канала вертикального отклонения с помощью короткозамыкающей перемычки, включенной вместо исследуемой нагрузки, можно затем непосредственно на экране индикатора наблюдать и измерять зависимость коэффициента стоячей волны напряжения от частоты. Относительная погрешность измерений в диапазоне значений kc от 1.035 до 5 не более 2 %.

Для измерения ослабления измерительный тракт собирается по схеме на проход (рис. П.1, б). При этом на вход отраженной волны усилителя поступает сигнал с Н02, включенного между выходом исследуемого устройства и согласованной нагрузкой СН. Амплитуда этого сигнала пропорциональна амплитуде волны, прошедшей через исследуемое устройство. Погрешность измерения ослабления в диапазоне –35…0 дБ определяется по формуле

A 0.01 Ax 0.2 ,где Ax – измеряемое ослабление, дБ.

Измерение напряженности электромагнитного поля. Непосредствен-

ное измерение напряженности поля в микроволновом диапазоне сопряжено

74

со значительными трудностями из-за высокочастотного изменения этой величины. Поэтому для таких измерений используются, как отмечалось, косвенные методы. К наиболее распространенным из них относится метод малого возмущающего тела. Этот метод основан на том, что при введении в

объем резонатора малого возмущающего тела изменяются собственная частота и добротность объемного резонатора и величины изменения определяются выражениями

где 0, Q0, E0, H0 – собственная частота, добротность, векторы напряженности электрического и магнитного полей; W0 – запасенная энергия невозмущенного резонатора; , Q, E, H – соответствующие параметры возмущен-

ного резонатора; 0 ўr i ўr , 0 ўr i ўr – комплексные диэлектрическая и магнитная проницаемости возмущенного тела; V – его объем. Формулы (П.1) и (П.2) позволяют по изменению частоты и добротности резонатора с известным распределением поля определить параметры возмущающего тела, или наоборот, помещая в разные точки резонатора тело с известными параметрами, определить распределение электромагнитного поля в нем.

В частности, для идеально проводящего тела формула (П.1) принимает

вид:

где k1и k2 – безразмерные коэффициенты (коэффициенты формы), определяемые формой возмущающего тела и его ориентацией относительно векторов напряженности электрического и магнитного полей

Из формулы (П.3) видно, что при определенных условиях уход частоты0 пропорционален квадрату напряженности электрического или магнитного поля в том месте, где находится возмущающее тело. Перемещая

75

это тело в резонаторе по определенной траектории, можно получить зависимость напряженностей от координаты вдоль этой траектории.

В частности, если в месте расположения возмущающего тела H0 0 или k1 0, выражение (П.3) преобразуется к виду

E0 ср2 k ,

W0

где k k2 0 V 1 – калибровочный коэффициент, E0 ср2 – квадрат модуля

напряженности электрического поля, усредненный по объему возмущающего тела. Так как расчет коэффициента формы k2 для реальных возмущающих тел затруднителен, калибровочный коэффициент обычно определяют экспериментально, помещая возмущающее тело в эталонный резонатор с известным распределением электромагнитного поля. Так, при помещении тела на оси цилиндрического резонатора, возбуждаемого на колебаниях вида E010,

Погрешность определения поля описанным методом зависит от многих факторов, важнейшим из которых является размер возмущающего тела. Большое тело «усредняет» поле и сглаживает резкие его изменения в пространстве. Слишком маленькое тело вызывает малые уходы частоты, которые трудно измерить с достаточной точностью. Описанным методом непо-

средственно определяется соотношение E0 ср2 W в резонаторах. Однако метод малого возмущающего тела можно использовать и для измерения отношения E0 2P в линии передачи, где E0 и P – напряженность электриче-

ского поля и передаваемая мощность бегущей волны. Для проведения измерений необходимо в отрезке линии передачи длиной l обеспечить короткое замыкание с двух сторон металлическими стенками (закоротить линию), в результате чего образуется волноводный резонатор. Возбуждая в этом резонаторе вид колебаний, соответствующий исследуемому типу волны, опреде-

ляют для него известным образом отношение E0 ср2 W .

76

Далее, учитывая, что запасенная в резонаторе энергия равна сумме энергий падающей и отраженной волн Wпад, Wотр , которые в свою очередь связаны с передаваемой мощностью соотношением P W g l ( g – групповая скорость), находим:

Выражение (П.4) позволяет определять необходимые параметры по известным характеристикам СВЧ тракта.

2. Исходные данные для выполнения предварительного задания

77

Размеры замедляющей системы типа «цепочка связанных резонаторов»

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1963. Григорьев А. Д. Электродинамика и микроволновая техника. Учеб. для вузов. СПб.: Лань, 2007.

Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высш. шк., 1973.

Микаэлян А. Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. М.: Госэнерго-

издат, 1963.

Пименов Ю. В., Вольман В. И., Муравцов А. Д. Техническая электродинамика. М.: Радио и связь. 2000.

Сазонов Д. М., Гридин А. Н., Мишустин Б. А. Устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1981.

78

2.4.2.Основное задание………………………………………………………………………….37

2.4.3.Дополнительное задание…………………………………………………………… …

37

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРОВ………………………………..54

79

80

ГРИГОРЬЕВ АНДРЕЙ ДМИТРИЕВИЧ ЯНКЕВИЧ ВИКТОР БОЛЕСЛАВОВИЧ

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Лабораторный практикум

Редактор Н. В. Лукина

Подписано в печать …..07 Формат 60ґ 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 5,0 Гарнитура «Times». Тираж 145 экз. Заказ…..

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

81