Ed_lab
.pdfМИНРОССИИБРНАУКИ
Госудаобразовательнпрофессиональногоственноеучреждениевысшегобраз |
ования |
«Санкт -Петербгосударсэлектротехническийргсийвенный
университетЛЭТИ“ ”имениВ..УльяЛенина( )»ова
(СПбГЭТУ)
Методическиеуказания клаборат орным работам подисципл ине
“Электродинамик а”
Санкт-Петербург ИздательствоСПбГЭТУЛЭТИ“ ”
2014
УДК53 |
7.8:621.385.6(07) |
|
|
|
|
Методическиеуказаниялабораторнымрабп там |
|
|
|
дисциплине |
|
“Электродинамика” / Сост.:. |
П. Зубко, |
Н. Ю.Медведева , А.Г. Гага- |
|||
рин,А.Г.Алтынников |
, А.В.Дроздовский. |
СПб.Изд: |
-воСПбГЭТУ |
||
“ЛЭТИ”, 20 |
14. 32 с. |
|
|
|
|
Содержатописания |
лабораторпредназначенныхработ, дляозн |
а- |
комлениястудентовприменениемэлектродикакосновытех амикики |
|
|
СВЧ. |
|
|
Предстудентовляназаченыевн |
огоотделения,обучающихсяпо |
|
направлению 550700испециальностям071400, 200100.
Утверждено редакционно-издательскимсоветомуниверситета
вкачметодическихствеуказаний
Ó СПбГЭТУЛ“ |
ЭТИ”, 20 14 |
2
Лабораторная работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕДИСПЕ |
|
РСИИВОЛН |
|
|
|||||
ВОЛНОВОДЕ |
И В КОАКСИАЛЬНОЙЛИНИИПЕР |
|
ЕДАЧИ |
|
|||||
Целиработы |
. Изучениесвойствконструкцкоаксиальнойлинприи |
|
|
|
|
|
я- |
||
моугольноговолновода,такжеметизмерениядлиныикивов ны |
|
|
|
|
|
|
инии |
||
передачипараметров |
|
, характеризующихрежимеёработы. |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
1.1. Оснположениявные |
|
|
|
|
||
СВЧлиниейпередачиназываетсяустройство |
|
|
, ограничивающееобласть |
|
|||||
распространенияэлектромагнитволнСВЧдиапазонаправляющееых |
|
|
|
|
|
|
|||
потокихэлектромагэнергиивзаданапритной.номВзавленииисимости |
|
|
|
|
|
|
|||
отконструкцматериалови лин |
|
ипередачиазделяютнаотдельныетипы. |
|
|
|
||||
Вданнойработеисследуютсясвойствапрям углноводаик аксльного |
|
|
|
|
|
и- |
|||
альнлинии,коявляютйторыенаиболеераспространеннымиялиниямив |
|
|
|
|
|
|
|||
СВЧтехн.Этлиниипередачикеявляютсярегулярнымиих(свойстване |
|
|
|
|
|
|
|||
меняются внапраспрострвленииСВЧсигн)закрытымиланенияих( |
|
|
|
|
|
|
|||
попсечримеетзамкнутыйчноениепровконтурохватывающий, дящий |
|
|
|
|
|
|
|||
облраспространениятьэлектромагнитнойволны). |
|
|
|
|
|
|
|||
Электромагниволныраспросвнутрилинпередачиныераняющиеся |
|
|
|
|
|
|
|||
делятсяна: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- Электрическиеволны |
(Е-, ТМ-, ТН-волна) |
– этоэлектромагнитные |
|||||||
волны,векторнап яженн |
|
остиэлектрическогополякоторых |
|
|
имеетпопере |
ч- |
|||
нуюипродольнуюсоставляющие,векторнап магнитногояженностиполя |
|
|
|
|
|
|
|||
лежитвплоскости,перпендикунапраспроствлениюярной |
|
|
|
ранения. |
|
||||
- Магнитныеволны |
|
(М-, ТЕ-волна) |
– этоэлектромагнитныеволны |
,ве к- |
|||||
торнапряженности |
магниполякоторыхного |
|
имеетпоперечнуюодол |
|
ь- |
||||
нуюсоставляющие,векторнап яженности |
|
|
электрического полялежитв |
|
|||||
плоскости,перпендикунапрасвлениюярной |
|
|
пространения. |
|
|
||||
- Поперечныеэлектромагнитныеволны |
|
(ТЕМ-волна) |
– этоэле |
ктромаг- |
|||||
нитныеволны |
,вектор а напряженностиэлектрического |
|
имагнитногополяк |
|
о- |
||||
торых лежатвплоскости,перпендикунапраспространениявл.ениюярной |
|
|
|
|
|
|
|||
Вобщемслучаевлинияхпередачи, |
|
|
исследуемыхвданнойработе, |
|
|
о- |
|||
жетсуществобесконечмножествоолнтипаатьое |
|
|
|
|
Emn и Mmn (волныди |
с- |
|||
перстипаонного |
),отлиндексамичающихся |
|
m и n, котоопркыееделяют |
|
о- |
||||
личестполув,укладывающихсяолнпоперечногоутрисечелини |
|
|
|
|
|
е- |
|||
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
ред.Каизчиждая |
этихволнсущнестзадротвдругаисимогимеет |
|
|
|
|
своюкритическуюдлинуволны |
|
lкр.Критическаядлинаволныявляется |
|
с- |
|
новнымпара,определяющиметромвозсуществованияожностьопределе |
|
|
|
н- |
|
ноготипаввлиниилнпередачиназаданнчаст.Условиемратей |
|
спростра- |
|||
ненияэлектромагнитнволныволноводесрабочейчаст той |
|
lв |
является |
||
неравенство lв<lкр.Диапаздлинволн,прик длинаторыхволныбольше |
|
|
|
||
критической,назывоблота,юттаккатьюечраспрки волнынестранение |
|
|
|
|
|
прои.Волнуснаибольшейходитв |
|
еличиной lкр называютволнойосновного |
|
|
|
типа. |
|
|
|
|
|
Следуотметить,что |
|
длинаволны( |
λв)влиниипередачиможе |
тотл |
и- |
чатьсясоответдляличинсвободноготвующихпространства( |
|
λ0). Еёв |
е- |
||
личинуможнопределиспомсоощтношенияью |
|
: |
|
|
|
lB |
= |
|
|
l0 |
|
|
|
|
|
µ -( l / |
l )2 |
|
|
|||
|
|
e |
r |
|
|
|||
|
|
|
r |
0 |
KP |
|
|
|
где λ0 – длинаволнысвободномпространстве; |
|
|
|
|
εr, µr – относительныед |
и- |
||
электрическмагнитнпроницаемостисреды;ая |
|
|
|
|
λкр – критическаядлина |
|
||
вовлинииныпередачи; |
с – скоростьввакуумеета. |
|
|
|
|
|||
Коаксиальнаялинияпередачи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Коаксиальнаялинияпередач |
исостоитизкругцилиндрического |
|
|
|||||
стержня,соосногокругцилойиндроболоР(.и1сч.еской1 |
|
|
|
|
|
а)Эле. |
к- |
|
тромагволраспространяюитныевпространсмеждунари жнымтвеся |
|
|
|
|
|
|
|
|
внутпроводненним,заполненнтрикомиэлеками.Таккакоаксиал |
|
|
|
|
|
|
ь- |
|
наялинияв |
ляется двухсвязлиниейпередачи,нейойарядус |
|
|
|
|
Е и М- |
||
j=0 j |
|
|
|
H |
|
E |
H |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vф= с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
z |
D |
E |
lв/2 |
|
|
|
|
|
а |
|
б |
|
|
Рис. |
1.1 |
4
волнараспространениевозможно |
ТЕМ-волны,которая |
являетсяволной |
|
основноготипадлякоаксиальнойлинии |
. |
|
|
|
ТЕМ-волнаявляетсяволнойбездисперсионноготипа,длякоторой |
|
λкр |
=∞и |
λв = λ0. Структура поля ТЕМ-волныкоаксиальнойлинприведена |
|
|
рис. |
1.1, б. |
|
|
Прямволновод.уг льный
Прямволнугольныйвод трубупрямоугольногосечения.Внеммогутраспрт волнылькостраняться дисперсионноготипа Hтn и дыкритическаядлинаволныопределяетсяпомощьюсоотношения
представляетсобоюполуюметаллическую |
|
Eтn (ри с. 1.2, а). Взависимостиотпорядка |
о- |
λкр = |
|
2 |
, |
|
m2 |
a2 + n2 b2 |
|||
|
|
где a, b – поперечнразмерыволноводае |
|
; m,n=0,1,2… . |
|
|
Наименьшуювеличинуλ |
|
кр имеетволна |
H10, структураполя |
данной |
волны приведена нарис. |
1.2, б. |
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
Рис.1.2 |
Метоизмерениядлиныикаволны |
|
. |
|
Дляпроведизмнеренийобхниясфоврмидл пениимороватьед |
|
а- |
|
чи стоячуюволну |
.Врежиместоячейволнывдольосипереднии |
ачибудут |
|
существчередующиесяо,вкочкиваамторыхьплитудаолябудетравна |
|
|
|
нузлы(лю),иточки,вкоторыхамплитудаолябудетмаксимальнапучн( |
|
о- |
|
|
|
|
5 |
сти)Рис.(1Расст.3)между. ояниеседнимипучностямиили(узлами)будет |
|
|
|
равнятьсяполовидлиныволны( е |
λв/2)Таккак.стоячаяволнапредставляет |
|
|
собоюсуперпозициюдвухолн,распространяющихсявпротивоположных |
|
|
|
направлениях,тодляееформирования |
можно разместить впоперечномс |
е- |
|
ченииволнпроводящуюстенкукороткое( азамыкание |
– КЗ)илиобраз |
о- |
|
ватьк |
аком-тосечрехолжимноХХ(стого)да. |
|
|
Рис.1.3
1.2. Описаниелабораторнойустановки |
|
|
||
Блок-схемалабораторнойустановки |
приведена нарис. |
1.4. Вслучае |
|
|
исследованияпрям угольноголноводаизмерительнаялинияпредставляе |
|
|
т |
|
собоюотрезокволноводаспродощесерединельширокойюнойстенки. |
|
|
|
|
Вдольщелиможетпередвигатьсякареткаиндикаторнойголовкой.Индик |
|
|
|
а- |
торнаяголс держитпогруженныйвкачерщвволноводльззонд,кот |
|
|
|
о- |
ромнаводитсяЭДС,пропорциональнаянапряжен |
|
ностиэлектрическогополя |
|
|
вволноводеместераспз .Этондаложения |
|
позволяетопределитьполож |
|
е- |
ниемаксиминимустоячейволным.умов |
|
|
|
|
Коаксиальнаяизмерительнаялиниярис(. |
|
1представляет.5) собойц |
|
и- |
линдпроводническрасположенный, междуиплоскоп |
|
|
араллельными |
|
наружнымипластинами. |
Такаялинияявлбездетсяиструкт, сперсионной |
|
у- |
|
раполейвнейблизкаструполейвктуреоаксиальнойлинии. |
|
|
Какивсл |
у- |
чаепрямвоугольноголноводафиксирполмаксимумовжеваниея |
|
|
и- |
|
нимумполястоячейв произвлны |
|
одитсяпомощьюкареткисзондом, |
|
е- |
ремещающейсявдольлинии. |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
ВеличиныЭДСнаведенныеизмерительныйзондизмеряютсяп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о- |
|||||||
мощьювольтметра. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Генератор |
|
|
Измерительная |
|
|
|
|
|
|
Индикатор |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
СВЧ |
|
|
|
линия |
|
|
|
|
|
|
(воль тметр) |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Детектор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.3. Порядвыпработылненияк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1Собрать. схему: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§ соединитькабелемвыходге |
|
|
нератораивходизмерительной |
|
инии; |
|
|||||||||||
§ соединить кабелем выходголовкидетектора |
|
|
|
|
|
|
свольтметром . |
|
|||||||||
2Включить. генератор |
|
|
|
вольтметр.Датьпрогретьсяприб |
орамвтечение5 |
|
|||||||||||
мин. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3Установи. режимработыгенератораьРучкой« . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
MHz»установить |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
частоту f ,заданнуюпреподавателем. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
4Установить. |
нужныйпредел |
|
измеренияна |
вольтметре. |
|
|
|
||||||||||
5. Переизмекареткущаяритевдолиниипередачильную |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
,отыскать3 |
– 4 |
||||||
максимума (иминимума) |
стоячейволны. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
6.Результаты |
измерений занестивтаблицу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
7. Пропдерлациить |
пп. 3 – 6 надругихчастотахзаданных( преподават |
|
|
е- |
|||||||||||||
лем). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.4. Содержаниеотчета |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1Цельработы. . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2Теоретические. сведения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3Блок. |
-схеизмерений.а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
4. Протокол измерений. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
5Графики. λ |
в = |
F(f) |
(найденные экспериментально ирассчитанныепо |
|
|||||||||||||
формулам)длякоакс |
|
|
иальной линии идля прямвоугольноголновода |
. |
|
||||||||||||
6. Выводы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.5. Контрольныевопросы |
|
1) Чтотакоедисперсия? |
|
|
2) Какиетипыволнраспространяютсявпрямоугольноми |
коаксиальном |
|
волноводах? |
|
|
3)Чтотакоеснмодаикритическаявнаядлинаволны? |
|
|
4) Какимипараме |
трамиопределяеткритичедлиннаволныская |
л- |
новедстр?ущейктуры |
|
|
8
Лабораторнаяработа |
2. МИКРОЛИНИИПЕРЕДОЛОСКОВЫЕ |
|
АЧИ |
||
Цели работы. Исследовамикролипниеролосковыхрйедачи |
|
е- |
|||
зонаторов наихоснове |
.Приобретениепрактическихнавыковработы |
|
гене- |
||
раторомкачающейсячастотыСВИП( |
|
-генератором)вкомплексеиндикат |
|
о- |
|
ромКСВНиослаблений. |
|
|
|
|
|
|
|
2.1. Оснположениявные |
|
|
|
МикрополосковаялинияМПЛ() ( |
рис. 2.1, а) – |
этодвухпроводная |
о- |
||
лосковаялинияпоперечнымсечениеввидепараллельныхпря,им |
|
|
е- |
||
ющая однуплоскостьсимметрии,параллельнуюнап спространвлению |
|
|
е- |
||
нияэнена(р.исгии |
|
2.1, а: 1 – |
проводящполоск, ая |
2 – экранземляной( |
|
электрод), |
3 – подложкаиздиэлектрика)МПЛ. |
– внастоящеевремянаи |
- |
ɛ1, µ1, ϭ1 |
|
w |
|
|
|
y |
t |
1 |
h |
ɛ2, µ2, ϭ2 |
|
|
|
|
x |
|
3 |
|
|
2 |
y |
|
а |
|
|
|
|
|
E |
|
|
H |
t |
|
|
|
|
h |
|
|
x |
|
|
б |
Рис. 2.2
9
болееширокоп |
рименяемаяСВЧ |
-линияпередачиазработкем ниатю |
|
р- |
|
ныхустройств |
СВЧ. |
Основнымтипом |
в МПЛ являетсяквази |
ТЕМ-волна, |
д- |
накомогутбытьвозбужденыиволнывысшихтипов.Структураполявпоп |
|
|
е- |
||
речномсеченииМПЛпокриса. зана |
|
|
2.1, б. |
|
|
Однойизважнейшиххар |
|
актеристикМПЛявляетсяволновоесопр |
|
о- |
|
тивление,опредгеометрляемоеразмерамлиндиэлектриччески ми |
|
|
е- |
||
скойпроницаемостьюподл.Длянулевойжкилосоктолщины |
|
(t/h→0) |
|
||
при соотношении w h <1 |
|
|
|
Z0 =
при соотношении wh ³1
60
εэф
é |
æ |
8h ö |
+ |
1 æ |
||
êln ç |
|
÷ |
|
ç |
||
|
|
|||||
ê |
è |
w ø |
|
8 è |
||
ë |
|
|
|
|
|
|
w ö2 ù 2h ÷ø úú;
û
|
Z0 = |
|
120π / ε |
|
эф |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
w/ h + 2.42 - 0.44h+/ w (1- h / w)6 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
где t – толщинамикрополоска; |
|
h – толщинадиэлектрика; |
|
w – ширинамикр |
о- |
|||||
полоска; |
εэф – эффективнаядиэлектрпрон.Встатичеческаяцаемоскомть |
|
|
|
|
|
|
|||
случае ε |
= ( ε +1) |
+2 |
(- ε |
-1/ 2 |
. Следуотметить,чтоэффе |
|
к- |
|||
+1)(1 h 10w / ) |
|
|
||||||||
|
эфr |
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
тивнаядиэлектрпронопричцаемостьраспрскаяделяэнеделениемтся |
|
|
|
|
|
р- |
||||
гиираспространяющейсяэлектромагнитнойволнымеждудиэлектрической |
|
|
|
|
|
|
||||
подложкойсотносительнойпроницаемостью |
|
|
|
|
εr ивоздушнымпространством. |
|
||||
Соответственно,значения |
|
εэф лежатвпределахот |
|
|
εr до1. |
|
|
|
||
Однимизпростейших |
|
|
втожевремя |
|
важнэлеСВЧйшихментов |
-схем |
||||
наосноявляетсяМПЛмикропрезМПРо(),лосковыйнаторпредставля |
|
|
|
|
|
|
ю- |
|||
щийсобойотрезокМПЛрезонадлинснойы |
|
|
|
|
|
l. Такиерезонаторыпримен |
я- |
|||
ювтехникесяСВЧвкачаствеотно |
|
|
|
-селективныхичастотозадающих |
|
|||||
элементовгенераторахиразличныхсистемахвязи. |
|
|
|
|
|
Пок нструкцииМПР |
|
|||
делятся на короткозамкнутыеи |
на разомкнутыенаконце.Короткозамкнутые |
|
||||||||
наконцахМПРиспользуютсяредкоиз |
|
|
-затехнолтрудностейгическихбе |
|
с- |
|||||
печениякороткогозамык |
|
аниямеждупроводникамиМПЛ.Нарис. |
|
|
|
|
2.2 пока- |
|||
занпример |
простейшего линейногоразомк |
|
нутнакоМПРгонцах |
|
.Основн ы- |
|||||
михарактерисрезонаявляютсярезонанснаяикорчастотами |
|
|
|
|
|
|
f0 идобро |
т- |
||
ность Q.Экспериментальноэтихарактеристикимогутбытьполучены |
|
|
|
|
|
нао |
с- |
|||
нове измехаренияактеристикпередачизонатора.Резонанснаячастота |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|