lab6 (nawe)

Цель работы - исследование электромагнитного поля в прямоугольном резонаторе, расчет и экспериментальное определение его добротности. Оценка изменений добротности в зависимости от размеров резонатора и частоты колебаний.

Экспериментальная установка.

Рис. 1. Схема установки для исследования прямоугольного объемного резонатора.

Рис. 2. Схематичная конструкция исследуемого резонатора со вспомогательными элементами.

Установка (Рис. 1.) состоит из панорамного автоматического измерителя Р2-54, который включает в себя: генератор качающейся частоты (ГКЧ) 1, индикатор отраженного сигнала ("ИНДИКАТОР") 2, два направленных ответвителя 3, 4 с детекторными секциями 5,6; исследуемого объемного резонатора, который образован отрезком прямоугольного волновода 8, нагруженного с одной стороны на диафрагму 7, с другой - на подвижный короткозамыкатель 9. Исследуемый резонатор имеет зонд 10, соединенный с детекторной секцией 11. В высокочастотную цепь зонда 10 включен перестраиваемый резонатор 12, существенно повышающий его чувствительность. Выход детекторной секции подключен к измерительному блоку из усилителя низкой частоты 13 и милливольтметра 14. Штыревой зонд 11 может перемещаться вдоль узкой неизлучающей щели, прорезанной посередине широкой стенки прямоугольного резонатора. С помощью этого зонда можно оценить распределение напряженности электрическою поля вдоль резонатора.

На Рис.2 приведена схематичная конструкция исследуемого резонатора 1 со вспомогательными элементами: диафрагмой 2, отделяющей резонатор от основного волновода 3, зондом 4 и подвижным короткозамыкателем 5, с помощью которого выполняется настройка резонатора. Короткозамыкатель перемещается с помощью микрометрического винта. Величина перемещения отсчитывается по рейке и шкале, нанесенной на лимбе резонатора с точностью 0,01 мм.

В процессе измерений используются следующие режимы работы автоматического измерителя: режим периодической перестройки частоты, режим ручной перестройки частоты.

В схему установки (рис.1) исследуемый резонатор включен адсорбционным способом. При этом на резонансной частоте происходит интенсивный отбор мощности из основной линии передачи и снижение мощности, отраженной от входа резонатора. В режиме периодической перестройки частоты на экране ИНДИКАТОРА автоматического измерителя можно наблюдать частотную характеристику отражательного сигнала с ярко выраженным резонансным провалом. Минимальное значение соответствует резонансной частоте используемого типа колебаний f_о. Определяя на резонансной характеристике полосу пропускания на уровне 3 дБ относительно минимального значения добротность объемного резонатора Q можно найти по формуле:

Исследования структуры поля в прямоугольном резонаторе выполняются на фиксированной частоте. При этом в качестве задающего генератора применяется ГКЧ в режиме ручной перестройки частоты. "ИНДИКАТОР" в этом виде измерений не используется. Измерения осуществляются с помощью милливольтметра с усилителем низкой частоты на входе.

Теоретическая часть.

1. Построим структуру поля в прямоугольном резонаторе для колебаний Н₁₀₁, Н₁₀₂, Е₁₁₁.

Для волны Н₁₀₂ структура поля будет подобной Н₁₀₁, только по оси z откладываются две полуволны.

2. Построим картину распределения плотности поверхностных токов на стенках резонатора для указанных типов волн:

Распределение поверхностных токов для колебаний типа Н₁₀₂ и Н₁₀₁.

3. Волны типа в H_mn и E_mn прямоугольном резонаторе можно возбудить с помощью поперечной щели в стенке волновода; продольной щелью возбуждаются волны только типа H_mn. Колебания в резонаторе можно возбудить также с помощью ЭЭИ, параллельного оси z.

4. Определим длину объемного резонатора для получения резонанса на колебаниях типа H₁₀₁, и при частоте f₀=3880 МГц, зная, что поперечное сечение резонатора (а х b) = (58 х 25) мм.

Длина вычисляется с помощью выражения:

,

П одставляя исходные данные, получаем

5. Рассчитаем добротность ненагруженного прямоугольного объемного резонатора сечением (а х b) = (58 х 25) мм, настроенного на частоту f₀=3880 МГц. В случае колебаний Н_101, H₁₀₂ проводимость материала стенок резонатора положить равной s=5,7.10⁷ См/м. Определить, как изменится добротность в рассчитанных случаях, если проводимость материала стенок уменьшится в 2 раза.

Н₁₀₁:

Н₁₀₂:

Подставляя исходные данные, получаем: для волны типа Н₁₀₁ и для волны типа Н₁₀₂

При уменьшении проводимости материала стенок в два раза добротность уменьшается в раз.

План работы.

1. Исследовать характер изменения добротности прямоугольного объемного резонатора в зависимости от частоты колебаний и объема. Измерения выполнить с помощью автоматического измерителя Р2-54. Для этого подготовить автоматизированный измеритель к панорамному измерению отраженного сигнала в режиме периодической перестройки частоты, пересоединив узлы тракта в соответствии с режимом "ИЗМЕРЕНИЕ". Подключить исследуемый резонатор (рис.l). Переключателем "ВР. ПЕРЕСТРОЙКИ" установить период развертки 0.8 с, поставив переключатель "ПРЕДЕЛЫ".так, чтобы кривая отраженного сигнала занимала на экране "ИНДИКАТОРА" положение, удобное для наблюдения. Совместить ручкой "ОТСЧЕТ" отсчетную линию на экране с точкой минимума резонансного провала и по отсчетному устройству отсчитать измеренное значение. Сместив отсчетную линию на 3 дБ относительно минимального значения, определить на резонансной кривой граничные точки полосы пропускания. Для определения частоты, соответствующей интересующей точки наблюдаемой кривой, необходимо нажать кнопку "Ml" и ручкой "Ml" совместить частотную метку с этой точкой и по отсчетному устройству ГКЧ отсчитать значение частоты. Для более точных измерений следует перейти в режим ручной перестройки частоты.

2. Исследовать структуру поля в прямоугольном объемном резонаторе. Исследование проводится на фиксированной резонансной частоте. Для этого ГКЧ переводится в режим ручной перестройки частоты. Переключатель "ВР. ПЕРЕСТРОЙКИ" устанавливается в положение "РУЧ.". Ручкой "РУЧ." по отсчетному устройству ГКЧ выставляется нужная частота. Подстраивая резонатор в высокочастотной цепи штыревого зонда, добиться максимальных показаний милливольтметра. Перемещая зонд вдоль щели, снять зависимость распределения электрического поля по длине резонатора для исследуемого типа колебаний.

Выполнение работы:

1. И з множества резонансов, существующих в объемном резонаторе, выберем шесть с наиболее выраженным резонансным провалом, идущих последовательно.

	1	2	3	4	5	6
, ГГц	5,155	4,864	4,579	4,304	4,037	3,777
, ГГц	5,133	4,856	4,574	4,299	4,032	3,773
, ГГц	5,142	4,860	4,576	4,302	4,035	3,775
Q	233,8	607,5	915,2	860,4	1008,75	943,75

2 . Для исследования ЭМП перемещаем подвижный зонд, снимая значения напряжения на милливольтметре.

U,мВ	22,5	15	3,5	1,3	0,19	0	0,21	1,3	14,6	21,3	22,6
,	4,7	3,87	1,27	1,14	0,44	0	0,46	1,14	3,82	4,62	4,75
L,мм	0	0,5	1	1,1	1,2	1,25	1,3	1,4	2	2,5	2,7

U,мВ	23,2	23,8	24	24,1	24,2	24	23,7	23,5	17,3	8,2	0,75	0,56
,	4,82	4,88	4,9	4,91	4,92	4,9	4,87	4,85	4,16	2,86	0,87	0,75
L,мм	2,8	2,9	2,95	3,1	3,2	3,25	3,3	3,4	4	4,5	4,8	4,9

U,мВ	0	0,17	0,85	2,5	17	20,7	24	24,1	24,3	24	23,1	19,1
,	0	0,41	0,92	1,58	4,12	4,55	4,9	4,91	4,93	4,9	4,91	4,37
L,мм	4,95	5	5,1	5,2	6	6,3	6,7	6,8	6,9	7	7,1	7,5

3. Графически изобразим распределение напряженности ЭМП по длине объемного резонатора.

Вывод:

В ходе выполнения лабораторной работы №6 определили, что в объемном резонаторе возможно множество резонансов на различных частотах. Распределение их определяется размерами резонатора и частотой излучаемой волны. Наблюдать подобное явление нам позволяет использование ГКЧ. На каждой из резонансных частот возможно вычисление добротности.

Исследовали распределение ЭМП по длине резонатора на определенной резонансной частоте. Убедились в том, что напряженность ЭМП периодически изменяется, что соответствует стоячей волне, присутствующей в исследуемом резонаторе.

Экстремумы расположены с периодом, приблизительно равным 1,95мм. Кроме того, имеются ярко выраженные заострения в точках минимума. Все это согласуется с теоретическим материалом.