Техническая электродинамика (стр. 1 )

Федеральное агенnство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Институт электронных информационных систем

Кафедра «Проектирование и технология радиоаппаратуры»

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Дисциплина по направлению 210200 -

«Проектирование и технология ЭС»

и специальности 210201 - «Проектирование и технология РЭС»

Сборник лабораторных работ

Руководство

УДК 621.372.85

Техническая электродинамика : Сборник лабораторных работ : Методические указания / Сост. , ; НовГУ – Новгород, 2005.

Представлены руководства и методика выполнения лабораторных работ по дисциплине для направления 210200 и специальности 210201.

Табл. 10 , библиогр.12 назв.

Одобрено на заседании кафедры ПТР

Протокол № от 2005 года

Зав. кафедрой

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Институт электронных информационных систем

Кафедра “Проектирование и технология радиоаппаратуры”

Исследование конструкций

неоднородностей волноводного тракта

Лабораторная работа № 1.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1 Анализ конструкций различных неоднородностей волноводного тракта и их электрических характеристик.

1.2 Расчет и экспериментальная проверка зависимости электрических характеристик неоднородностей тракта от конструктивных параметров в заданном диапазоне частот.

2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ

2.1 На практике часто приходится иметь дело со сложными волноводными устройствами, в которых форма волновода скачкообразно изменяется, волноводы разветвляются, изгибаются и т. д. Внутри волноводов располагаются стержни, диафрагмы и другие неоднородности. Неоднородность искажает первичное поле волновода. Образуется ряд быстродействующих колебаний высшего типа. Благодаря запасу энергии в высших типах колебаний неоднородность ведет себя как реактивное, сопротивление. Неоднородность эквивалентна емкости, если энергия в месте неоднородности, запасенная электрическим полем, превышает энергию магнитного поля. Если же энергия, запасенная магнитным полем, превышает энергию электрического поля, то неоднородность эквивалентна индуктивности.

В случае равенства этих энергий наступает резонанс, и сигнал беспрепятственно, проходит по волноводу. Эквивалентность неоднородности элементам с сосредоточенными параметрами возможна лишь в ограниченном диапазоне частот. Этот диапазон тем больше, чем меньше геометрические размеры неоднородности по сравнению с рабочей длиной волн. При приближении размеров неоднородности к рабочей длине волны меняется соотношение между накопленной электрической и магнитной энергиями, что вызывает изменение величины и даже характера эквивалентного сопротивления.

Основными параметрами волноводных неоднородностей являются:

а) полное сопротивление - (определяется геометрией волновода, СВЧ элемента);

б) комплексный коэффициент отражения от входа элемента – ;

в) комплексный коэффициент передачи – .

Полное сопротивление неоднородности равно:

, (1)

где Z0 - волновое сопротивление волновода,

RН и ХН - активная и реактивная составляющие полного сопротивления неоднородности соответственно.

Если в неоднородности и в стенках волновода отсутствуют потери, то ZН имеет чисто реактивный характер.

2.2 Диафрагмы в волноводе

Диафрагмами называются металлические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода. В прямоугольном волноводе в основном применяются следующие диафрагмы симметричная емкостная, симметричная индуктивная и резонансная (резонансное окно) - рис.1, а-в.

Емкостная диафрагма уменьшает зазор между краями диафрагмы, происходит концентрация силовых линий электрического поля и сосредотачивается некоторый запас реактивной энергии. Продольные токи, текущие по широким стенкам волновода, частично ответвляются на пластинки диафрагмы и замыкаются в виде токов смещения в зазоре.

а)

б)

 

в)

Рисунок 1

Поэтому эквивалентной схемой является сосредоточенная емкость, включенная параллельно между проводниками двухпроводной линии (рис.1а). Нормированная реактивная проводимость емкостной диафрагмы определяется геометрией и равна

. (2)

В случае индуктивной диафрагмы (рис.1,6) продольные токи на противоположных широких стенках волновода частично замыкаются через диафрагмы, соединенные с этими стенками. От токов, текущих по пластинкам диафрагмы, концентрируется магнитное поле. Поэтому эквивалентной схемой будет сосредоточенная параллельная индуктивность. Нормированная проводимость индуктивной диафрагмы зависит от геометрии и равна:

. (3)

Емкостная и индуктивная диафрагмы применяются в основном в качестве согласующих устройству также при построении волноводных фильтров и некоторых типов замедляющих систем.

Наряду с реактивными диафрагмами в технике СВЧ широко применяются резонансные окна (рис.1,в) - металлические перегородки с отверстиями, обладающие малым коэффициентом отражения на резонансной частоте f0 (резонансной длине волны l0). 0кно может закрываться тонкой диэлектрической пластиной. Такие диафрагмы позволяют разделить волновод на две части - вакуумную и невакуумную, не нарушая распространения волн по волноводу. Резонансная длина волны при заданных а, b, и находится из соотношения (4):

. (4)

Минимально возможный размер , удовлетворяющий условию согласования, равен половине длины волны в свободном пространстве. В этом случае величина обращается в нуль. Это значит, что в принципе отражение волны должно отсутствовать, если окно имеет исчезающе малую высоту и размер , близкий к l/2.

2.3 Реактивные штыри в волноводе

В качестве согласующих и трансформирующих устройств широко используются реактивные штыри в волноводе.

Индуктивный штырь - металлический проводник круглого сечения, установленный в поперечном сечении волновода по направлению силовых линий электрического поля и соединенный с обоих концов с широкими стенками волновода (рис.2,а). Действие штыря эквивалентно включению шунтирующей индуктивной проводимости. В эквивалентную схему включены два последовательных сопротивления емкостного характера, учитывающие конечную толщину штыря. Нормированное значение проводимости индуктивного штыря равно:

. (5)

Емкостной штырь (рис.2,б) представляет собой металлический проводник, установленный в поперечном сечении волновода по направлению силовых линий электрического поля и соединенный одним концом с широкой стенкой волновода. Длина емкостного штыря выбирается меньше, чем l/4. Токи проводимости на штыре переходят в токи смещения на зазоре, чем обусловлена емкостная проводимость штыря.

Нормированная проводимость емкостного штыря, расположенного в средней плоскости волновода, может быть рассчитана по формуле:

, (6)

где параметры ls - резонансная длина волны штыря и коэффициент S определяются из графика (см. рис. 2,в). Конструктивно ёмкостной штырь удобно изготавливать в виде винта, ввёртывающегося в широкую стенку волновода. Два или три таких штыря, размещённых вдоль волновода на фиксированных расстояниях, образуют удобное перестраиваемое согласующее устройство.

 

 

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Описание экспериментальной установки

Экспериментальное исследование полных проводимостей (или сопротивлений) неоднородностей тракта производится с помощью лабораторной установки, блок-схема которой показана на рис. 3.

Основными элементами лабораторной экспериментальной установки являются: генератор (1), воспроизводящий электромагнитные колебания длиной волны около 3 см.

 

Рисунок 3 - Структурная схема измерительной установки.