Методическое руководство к лабораторным работам по курсу Электродинамика и антенно-фидерные устройства (стр. 3 )

1.4)  К выходу измерительной линии присоединить секцию с короткозамыкающим поршнем и поворотом.

1.5)  Перемещать поршень из нулевого положения до тех пор, пока узел напряженности в линии не переместится в одну из точек определенных в 1.3), например А1. Отметить положение поршня (точка Б). Точку А1 принять за начало отсчета по шкале секции с короткозамыкающим поршнем.

1.6)  Перемещая поршень от точки Б вправо, отмечать смещение узла в линии относительно точки А1.

1.7)  Измеренные значения свести в таблицу, построить графики, определить Dd. Рассчитать значение КСВН по формулам (2.4) и (2.5).

1.8)  Повторить измерения для всех частот.

1.9)  Построить графики зависимости КСВН от частоты.

2 Измерить КСВН волноводного круглого поворота методом смещения узлов на частотах, указанных преподавателем по методике, указанной в предыдущем разделе.

3 Измерить зависимость значения КСВН от угла поворота вращающегося перехода методом измерительной линии на частотах, указанных преподавателем:

3.1)  Присоединить к выходу измерительной линии вращающийся переход с согласованной нагрузкой.

3.2)  Настроить генератор на частоту, указанную преподавателем.

3.3)  Установить вращающийся переход в положение j=0°.

3.4)  Перемещая зонд измерительной линии, записать максимальные (Amax) и минимальные (Amin) показания индикатора. Следует брать значения максимумов и минимумов, находящихся в середине измерительной линии, чтобы избежать действия искажений, возникающих у концов щели.

3.5)  Операцию 3.4 проделать для углов поворота j=0°±45°,± 90°.

3.6)  Значение КСВН рассчитать по формуле (2.1).

3.7)  Построить график зависимости КСВН от угла поворота.

5 Содержание отчета

Структурные схемы измерения, эскизы исследуемых элементов, таблицы измеренных значений, графики зависимости КСВН от частоты для всех измерений, выводы.

6 Контрольные вопросы

1 Требования, предъявляемые к волноводным соединениям.

2 Преимущества и недостатки контактных фланцев.

3 Преимущества и недостатки дроссельных фланцев.

4 Назначение и конструкция волноводных изгибов.

5 Устройство и принцип действия волноводного вращающегося соединения.

6 Метод измерения коэффициента стоячей волны при помощи длинной линии.

7 Связь между КСВН и коэффициентом отражения.

8 Метод смещения узлов

9 Как определяется погрешность измерения КСВН с помощью измерительной линии?

10 Как влияет нарушение согласования на работу СВЧ тракта?

Лабораторная работа № 3. Электромагнитные поля элементарных излучателей

1 Цель работы

Исследование полей элементарного электрического и магнитного излучателей

2 Введение

Под элементарным электрическим излучателем (вибратором) понимают прямолинейный проводник с переменным током достаточно малых размеров по сравнению с длиной волны (l <<l) и равномерным по длине излучателя распределением амплитуды тока. Реализовать такой излучатель в чистом виде принципиально невозможно, так как распределение тока при любых размерах излучателя отличается от равномерного. Уменьшение его длины проблему не решает, так как на концах его ток проводимости всегда равен нулю, а в точках подключения внешнего источника возбуждения ток не равен нулю. Физическая реализация элементарного электрического вибратора была выполнена Г. Герцем в виде симметричного вибратора из тонких проводов, на концах которого установлены металлические шары, имеющие большую емкость. В результате сосредоточения электрических зарядов на концах вибратора амплитуда тока слабо меняется вдоль провода. Такой излучатель был назван диполем Герца. Расчет поля такого вибратора проводится в сферической системе координат (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 Электрический излучатель в сферической системе координат

При расчете полей вводятся следующие ограничения:

Ø  излучатель находится в безграничном пространстве в идеальной среде без потерь;

Ø  длина излучателя l <<l. Такое условие позволяет пренебречь запаздыванием по длине излучателя– амплитуда и фаза тока постоянны. Хотя ток является переменным, на концах диполя скапливаются заряды;

Ø  расстояния r, на которых определяется напряженность поля, много больше размеров излучателя;

Ø  переменный ток в излучателе изменяется по гармоническому закону.

Для элементарного электрического излучателя характерно наличие в пространстве трех составляющих электромагнитного поля: –азимутальной, радиальной и меридиональной соответственно.

Интенсивность составляющих электрического и магнитного поля зависит от угла q. Элементарный электрический излучатель создает в пространстве сферическую волну.

Критерием для ближней и дальней зоны элементарного излучателя является величина kr. Если kr<<1 и r<<l, то это ближняя зона, если kr>>1 и r>>l, то дальняя зона.

Напряженность поля в ближней зоне очень быстро уменьшается по мере удаления от излучателя пропорционально , а электрические и магнитные поля отличаются на множитель j, если в какой-то момент магнитное поле минимально, то электрическое поле максимально, то есть электрические и магнитные поля сдвинуты по фазе на 90° относительно друг друга.

Направление движения энергии в электромагнитном поле всегда перпендикулярно ориентации векторов Е и Н и определяется правилом векторного произведения

(3.1)

- вектор Пойнтинга, показывает направление переноса энергии и характеризует плотность потока энергии, проходящей через единичную площадку в единицу времени в направлении, перпендикулярном поверхности. Вычисление потока вектора Пойнтинга через замкнутую поверхность за время, равное одному периоду, определяет величину средней излучаемой мощности:

(3.2)

Определим вектор Пойнтинга для ближней зоны излучения. Вектор Пойнтинга имеет две составляющие,

Мгновенные значения данных составляющих можно выразить как:

(3.3)

Из формулы (3.3) видно, что обе составляющие изменяются по закону , т. е. принимают как положительные, так и отрицательные мгновенные значения. Очевидно, что среднее значение составляющих вектора Пойнтинга за период колебаний равно нулю.

Таким образом, в ближней зоне излучения энергии нет, движение энергии поля имеет колебательный характер.

В дальней зоне имеются отличные от нуля составляющие , и они изменяются по фазе. , а радиальная составляющая , и ей можно пренебречь. Составляющие убывают пропорционально , в дальней зоне отношение определяется параметрами среды и называется характеристическим сопротивлением Zс. Для вакуума eа=e0, mа=m0, а Zc=120p=377 Ом.

Вектор Пойнтинга в дальней зоне имеет только одну составляющую

Мгновенные значения данной составляющей можно выразить как:

(3.4)

Мгновенное значение вектора Пойнтинга всегда положительно. Это означает, что энергия движется только в одном направлении от излучателя и представляет собой энергию излученной электромагнитной волны. Поле имеет волновой характер.

Функция называется нормированной характеристикой направленности излучателя. В пространстве данная диаграмма представляет собой тор, а в меридиональной плоскости две соприкасающиеся окружности. В направлениях q=90° излучение максимально, а при q=0, 180° излучение отсутствует.

Мощность излучения можно представить как

(3.5)

Согласно данному выражению мощность излучения пропорциональна квадрату амплитуды переменного тока, протекающего по излучателю. Существует прямая аналогия между обычным выражением для мощности переменного тока, выделяемой на некотором активном сопротивлении:. Поэтому мощность излучения можно выразить как

, (3.6)

где - сопротивление излучения.

Диаграмма направленности и сопротивление излучения - это понятия из теории антенн, используемые для оценки различных антенных устройств.

Одной из важных характеристик является также коэффициент направленного действия излучателя D, определяемый как

, где (3.7)

- плотность потока энергии в заданном направлении,