Методическое руководство к лабораторным работам по курсу Электродинамика и антенно-фидерные устройства (стр. 4 )

- значение вектора Пойнтинга, найденное в предположении, что излучение равномерно во всех направлениях:

(3.8)

Для направления максимального излучения (q=90°)

, Dmax=3/2 (3.9)

В теории излучения используется понятие колеблющегося магнитного диполя, называемого магнитным диполем Герца. По аналогии с электрическим вибратором у магнитного вибратора на концах должны быть сосредоточены магнитные заряды, которые в природе отсутствуют. Физическую модель элементарного магнитного вибратора можно выполнить, используя одиночную рамку с периметром много меньшим длины волны, либо другие модели.

Принцип перестановочной двойственности устанавливает правило перехода от полей, создаваемых элементарным электрическим излучателем к полям, которые создает элементарный магнитный излучатель. В соответствии с данным принципом поля, создаваемые магнитным излучателем выражаются через составляющие поля электрического излучателя , производя следующие замены в уравнениях Максвелла:

Электрический излучатель	Магнитный излучатель

3 Методика измерений

Стенд измерения состоит из генератора сигналов, передающей антенны, анализатора спектра и испытуемой антенны.

В качестве испытуемой антенны по очереди используются электрический и магнитный излучатель, установленные на опорно-поворотное устройство (ОПУ). При снятии диаграммы направленности отсчет углов ведется по лимбу ОПУ.

Установите частоту генератора, указанную преподавателем, сигнал генератора непрерывный. Измерение принимаемого сигнала проводить по п.9.2.1 технического описания на анализатор спектра С4-27, как относительное измерение уровня спектральных составляющих. Вращая ОПУ вокруг осей, определите направление максимального сигнала. Вращая ОПУ вокруг горизонтальной оси в секторе углов ± 90° через несколько градусов, определять уровни спектральных составляющих относительно сигнала, соответствующего главному максимуму, по линейной шкале для каждого отчета углов в децибелах.

4 Порядок выполнения работы

Ø  Измерить диаграмму направленности элементарного электрического излучателя в секторе углов q от 0 до 180 градусов с шагом 10 градусов.

Ø  Построить нормированную ДН в декартовых и полярных координатах.

Ø  Измерить диаграмму направленности элементарного магнитного излучателя в секторе углов q от 0 до 180 градусов с шагом 10 градусов.

Ø  Построить нормированную ДН в декартовых и полярных координатах.

5 Содержание отчета

Цель работы, описание стенда измерения, таблицы с измеренными данными, диаграммы направленности электрического и магнитного излучателя, выводы.

6 Контрольные вопросы

1 Что такое элементарный электрический излучатель?

2 Что такое элементарный магнитный излучатель?

3 Что такое вектор Пойнтинга?

4 Как определяется направление вектора Пойнтинга?

5 Дать понятие ближней и дальней зон элементарного излучателя.

6 Каковы особенности полей в ближней и дальней зонах?

7 Что такое диаграмма направленности?

8 Что такое мощность и сопротивление излучения?

9 Какой излучатель будет иметь большее сопротивление излучения при сравнимых геометрических размерах – электрический или магнитный?

10 Сформулируйте принцип перестановочной двойственности.

Лабораторная работа № 4. Практическое применение объемных резонаторов

1 Цель работы

Изучить работу проходного объемного резонатора в качестве СВЧ датчика

2 Введение

Простейшим объемным резонатором является волноводный (призматический) резонатор, представляющий собой отрезок волновода, закороченный с обоих концов металлическими пластинами. В короткозамкнутом волноводе образуется стоячая волна, характеризующаяся периодическим распределением вдоль волновода пучностей и узлов поперечной составляющей электромагнитного поля. Если в одном из узлов поперечной составляющей электрического поля сделать короткое замыкание, то в закороченном с обоих концов отрезке волновода сохранится режим стоячей волны, так как не нарушаются граничные условия. Такой режим можно рассматривать как режим свободных колебаний системы без потерь, когда ей сообщен некоторый запас энергии, т. е. закороченный с обоих концов отрезок волновода представляет собой колебательную систему с собственной частотой f0. При совпадении частоты питающего генератора с собственной частотой образуется резонансный режим колебаний на частоте fрез=f0.

Резонансные частоты находятся из условия, что при резонансе длина l закороченного отрезка волновода равна расстоянию между узлами поля стоячей волны E^, то есть целому числу полуволн в волноводе:

, р = 0, 1, 2…

Выражая длину волны в волноводе через резонансное значение длины волны генератора , получим

(4.1)

Пользуясь данной формулой, можно найти резонансные частоты для волноводных резонаторов, для которых известна критическая длина волны.

Добротность Q объемного резонатора определяется отношением запасенной энергии к энергии потерь за период колебания. Добротность характеризует полосу пропускания резонатора в режиме вынужденных колебаний, а также его способность сохранить запасенную энергию в режиме собственных колебаний. Различают добротность Q0 ненагруженного резонатора и добротность Qн нагруженного резонатора, связанного с высокочастотной нагрузкой. Добротность Q0 определяется с помощью выражения

, (4.2)

где d-глубина проникновения электромагнитной волны в металлическую стенку; v - объем резонатора; S - площадь поверхности стенок резонатора; H - напряженность магнитного поля.

Добротность Q0 зависит от характера распределения магнитного поля по объему. Ее значение тем больше, чем больше отношение объема резонатора к его поверхности.

Нагруженная добротность определяется выражением

, (4.3)

где Qвн – внешняя добротность, определяемая как отношение максимальной мощности колебаний в резонаторе к средней мощности потерь во внешней нагрузке.

В режиме вынужденных колебаний добротность определяет относительную ширину резонансной кривой на уровне половинной мощности

(4.4)

Прямоугольный волновод, замкнутый с обоих концов проводящими стенками, образует прямоугольный резонатор с ребрами a, b, c. Если конфигурация поля в резонаторе соответствует волне типа Нmn (Emn), и вдоль ребра с укладывается p полуволн, то возбужденные колебания в резонаторе называют колебаниями типа Hmnp(Emnp). Для обоих типов колебаний Hmnp и Emnp резонансная длина волны определяется по формуле:

. (4.5)

При колебаниях типа Е возможен случай, когда p=0. При этом и составляющие поля Ex=Ey=0, а составляющая Ez не зависит от z.

Тип колебаний Н101 в прямоугольном волноводе называют основным. Для этого типа колебаний добротность резонатора определяется по формуле:

(4.6)

Круглый волновод, замкнутый с обоих концов проводящими стенками, образует цилиндрический объемный резонатор диаметром D и длиной l. В нем также существуют колебания типов Hmnp и Emnp.

Для некоторых отличающихся между собой типов колебаний собственные частоты совпадают. Такие типы волн называют вырожденными. В цилиндрическом резонаторе это волны типов H01p и E11p. Вырожденными считают и два колебания Н11р, для которых векторы электрического поля поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Объемные резонаторы различных форм (прямоугольные, цилиндрические, сферические) и типов (открытые или закрытые) нашли широкое применение в качестве СВЧ датчиков. Данные датчики преобразуют изменение диэлектрической проницаемости или размера контролируемого объекта в измеряемые параметры – смещение частоты, изменение добротности, сдвиг фазы и т. п. При возбуждении различных типов колебаний необходимо представлять структуру их поля. Это позволяет анализировать резонатор при деформации его стенок, прорезании отверстий в стенках, при введении металлических включений внутрь резонатора. Если, например, токопроводящий элемент вводится в пучность магнитного поля, то резонансная частота увеличивается; при введении такого элемента в пучность электрического поля резонансная частота уменьшается.

Как и для волноводов, в качестве элементов связи для возбуждения объемных резонаторов применяют штыри (емкостная связь), витки (индуктивная связь) и отверстия в проводящих стенках. Элементы связи ухудшают добротность резонатора и сдвигают собственную резонансную частоту.

Проходные резонаторы основаны на резонансе колебаний, отраженных от двух неоднородностей в волноводе. Добротность и коэффициент передачи подобных резонаторов могут регулироваться в достаточно широких пределах с помощью изменения величины вносимой неоднородности.