Методическое руководство к лабораторным работам по курсу Электродинамика и антенно-фидерные устройства (стр. 5 )

В настоящей лабораторной работе предложен СВЧ датчик – проходной резонатор, выполненный на основе волновода 72х10 мм2 на индуктивных штырях. Длиной резонатор 140 мм, рабочее колебание H101, резонансная частота 2.45 ГГц. Данный датчик предназначен для применения в устройствах контроля параметров диэлектрических изделий шнурового типа. Известно, что частотный сдвиг в резонаторе прямоугольной формы при прохождении образца параллельно узким стенкам можно представить в виде:

, (4.5)

а при прохождении образца перпендикулярно узким стенкам в том же резонаторе:

, (4.6)

где – резонансная рабочая частота пустого резонатора, V0– объем резонатора, – диэлектрическая проницаемость материала, из которого изготовлен образец, А– площадь поперечного сечения образца ().

Конструктивно датчик представляет собой отрезок прямоугольного волновода с коаксиально-волновыми переходами, на котором с помощью двух идентичных неоднородностей типа индуктивных штырей сформирован проходной резонатор (вместо индуктивных штырей можно использовать и индуктивные диафрагмы). Контролируемый образец пропускается через отверстие в широкой стенке волновода в пучность электрического поля параллельно вектору поля.

Чувствительность датчика к изменению диэлектрической проницаемости и диаметра шнура можно получить, дифференцируя выражение (4.5)

(4.7)

где a, b, l – ширина, высота и длина резонатора, d – диаметр шнура, b0– высота отрезка шнура в резонаторе.

3 Методика измерений

Измерения проводятся на комплексном измерителе коэффициентов передачи и отражения Р4-38 по схеме измерения ослабления (коэффициента передачи).

4 Порядок работы

1 Изучить описание на измеритель

2 Подключить в схему измерения коэффициента передачи пустой проходного резонатор (датчик), определить резонансную частоту датчика. Помещая в него через отверстие в широкой стенки диэлектрические образцы различных диаметров и заполнения, определить частотный сдвиг резонансной кривой для каждого образца.

3 Построить зависимость сдвига частоты от диаметра образца.

5 Содержание отчета

Цель работы, описание схемы измерения, измеренные данные, графики, выводы.

6 Контрольные вопросы

1 Основные параметры объемных резонаторов.

2 Основные типы объемных резонаторов.

3 Как определяется резонансная длина волны в прямоугольном резонаторе?

4 Какой тип колебаний является основным для прямоугольного резонатора?

5 Какие типы колебаний являются вырожденными?

6 Как изменяется резонансная частота при введении в пучность электрического поля диэлектрического материала?

7 Способы возбуждения колебаний в резонаторе?

8 Области применения резонаторов?

9 Проходные резонаторы, их конструкции?

10 Из какого условия определяются резонансные частоты?

Лабораторная работа № 5. Измерение входных характеристик антенн различных типов

1 Цель работы

Измерение коэффициента стоячей волны по напряжению и входного сопротивления различных типов антенн

2 Ведение

Одними из важных параметров, характеризующих эффективность антенных систем, работающих в составе радиотехнической аппаратуры, являются коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и входное сопротивление антенны (его активная и реактивная части). Данные параметры одинаковы при работе антенны и в режиме приема, и в режиме передачи.

Любую антенну можно представить в виде четырехполюсника СВЧ и определить КСВН через элементы матрицы рассеяния, либо используя математическую модель регулярной линии передачи.

На регулярном участке любой линии передачи поле представляет собой суперпозицию падающей и отраженной волн.

Падающая волна – это волна, бегущая от генератора к нагрузке, отраженная волна – это волна, порождаемая нагрузкой или неоднородностью тракта и бегущая навстречу падающей волне.

Любой компонент падающей волны зависит от продольной координаты x по закону , а отраженной ; где - комплексный коэффициент распространения; a-коэффициент затухания, Нп/м; b - коэффициент фазы, рад/м.

Рисунок 5.1. Волны в эквивалентной длинной линии

В математической модели линии передачи векторные функции распределения поля в линии заменяются интегральными (усредненными) мерами электромагнитного поля – эквивалентными нормированными напряжениями падающей и отраженной волн.

(5.1)

Фазы нормированных напряжений падающей и отраженной волн принимают равными фазам поперечных компонентов электрического поля для соответствующих волн.

Отношение поперечных компонент электрического поля для падающей и отраженной волн в одной и той же точке поперечного сечения называется коэффициентом отражения по электрическому полю:

, (5.2)

а отношение нормированных напряжений называется коэффициентом отражения

, причем всегда .

Закон изменения коэффициента отражения в сечениях линии передачи можно представить следующим образом:

, (5.3)

где - значение коэффициента отражения в сечении x=0.

При одновременном существовании падающей и отраженной волны мощность в сечении определяется, как

. (5.4)

Формально вводятся следующие параметры:

- полное нормированное напряжение, ;

- полный нормированный ток, ;

- полное нормированное сопротивление;

- полная нормированная проводимость.

Любая антенна, включаемая в СВЧ тракт, представляет собой произвольную нагрузку, которая порождает в данном тракте отраженную волну. Вместе с падающей волной отраженная волна образует повторяющиеся минимумы и максимумы нормированных напряжений и токов. Данный режим характеризуется коэффициентом бегущей волны (КБВ) или КСВН, причем . В формулах КСВН обозначается как КстU.

. (5.5)

Отражение падающей волны от нагрузки уменьшает передаваемую мощность в раз и снижает КПД линии.

Коэффициент отражения зависит от соотношения между сопротивлением нагрузки Zн (в данном случае антенны) и волновым сопротивлением линии передачи Zв.

При Zн=Zв имеем , kстU=1, т. е. в линии передачи существует бегущая (падающая) волна, входное сопротивление равно волновому сопротивлению. Это режим согласования.

При Zн=0 , kстU®µ в линии стоячая волна. Это режим короткого замыкания.

При Zн=µ , kстU= µ в линии стоячая волна. Это режим холостого хода.

КСВН можно выразить и через элементы матрицы рассеяния

, (5.6)

где s11– коэффициент отражения.

В обозначении элемента smn первый номер определяет номер строки матрицы и одновременно номер согласованного входа, на который происходит передача мощности, второй индекс– номер столбца и номер входа, с которого осуществляется возбуждение.

Ухудшение согласования (увеличение КСВН) вызывает ограничение рабочей полосы частот антенн, которая является одним из важных параметров; вызывает снижение мощности излученного сигнала, снижение эффективности приемных антенн.

3 Методика измерений

Измерения проводятся на измерителе комплексных коэффициентов передачи и отражения Р4-38 и Р4-11.

4 Порядок работы

1 Изучить техническое описание на измеритель Р4-38; измерить зависимость КСВН, Rx и X детекторной и микрополосковой антенн от частоты в десяти частотных точках слева и справа от резонансной частоты (резонансной частоте соответствует минимальное значение КСВН).

2 Изучить техническое описание на измеритель Р4-11, измерить зависимость КСВН вибраторной антенны от частоты в десяти частотных точках слева и справа от резонансной частоты.