Методическое руководство к лабораторным работам по курсу Электродинамика и антенно-фидерные устройства (стр. 1 )

Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский технический университет

Кафедра автономных систем и информационной безопасности

МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО

к лабораторным работам по курсу

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Новосибрск-2001

Содержание

1 Лабораторная работа № 1.

Исследование структуры электромагнитного поля в прямоугольном волноводе

2 Лабораторная работа № 2. Исследование элементов волноводного тракта

3 Лабораторная работа № 3. Электромагнитные поля элементарных излучателей

4 Лабораторная работа № 4. Практическое применение объемных резонаторов

5 Лабораторная работа № 5.

Измерение входных характеристик антенн различных типов

6 Лабораторная работа № 6.Измерение ДН и КУ пирамидального рупора

7 Лабораторная работа № 7. Антенны эллиптической поляризации

8 Лабораторная работа № 8. Методы антенных измерений

Лабораторная работа № 1. Исследование структуры электромагнитного поля в прямоугольном волноводе

1 Цель работы

Изучение распространения основного типа волны (Н10) в прямоугольном волноводе.

2 Введение

Полая металлическая труба, заполненная диэлектриком (в основном воздухом), прямоугольного поперечного сечения называется прямоугольным волноводом.

Прямоугольные волноводы широко применяются в трактах дециметрового, сантиметрового, миллиметрового диапазонов волн.

Рассмотрим распространение волн Н-типа в прямоугольном волноводе. По определению у данного типа волн составляющая поля Ez равна нулю.

Волна типа Hmn распространяется вдоль оси z с постоянной распространения b. Индексам m, n соответствует своя структура электромагнитного поля: m – равно числу полуволн, укладывающихся вдоль широкой стенки длиной a, n - равно числу полуволн, укладывающихся вдоль узкой стенки длиной b.

В отличие от E-волн для Н-волн следует, что если один из индексов равен нулю, то поле продолжает существовать. Волной основного типа для прямоугольного волновода является именно волна Н10. Поперечное волновое число для Н-волн определяется по формуле:

, (1.1)

где - постоянная распространения волны в свободном пространстве,

gmn - постоянная распространения волны типа mn в направляющей системе.

g=b-ia, где a-постоянная затухания, b - постоянная фазы (фазовая постоянная) волны.

(1.2)

Если , gmn - вещественное число, волна распространяется вдоль оси Z.

При gmn-мнимое, и поле затухает по экспоненциальному закону, следовательно, волна прекращает распространяться по волноводу.

При возникает граничный случай.

, (1.3)

где - критическая длина волны с индексами m и n в прямоугольном волноводе.

(1.4)

определяется геометрическими размерами прямоугольного волновода, если , волна Hmn распространяется по волноводу, причем одновременно могут распространяться несколько типов волн (H10, H11 и т. д.). Если поле затухает.

Постоянная распространения в волноводе определяется следующим соотношением:

,

где - длина волны в прямоугольном волноводе, определяемая по формуле

(1.5)

Длина волны в прямоугольном волноводе для каждого типа будет разной, поскольку различна критическая длина волны.

Длина волны в прямоугольном волноводе больше длины волны в свободном пространстве, так как фазовая скорость в прямоугольном волноводе больше, чем в свободном пространстве.

Фазовой скоростью Vф называется скорость перемещения фазового фронта волны вдоль направления распространения.

Групповой скоростью Vгр называется скорость переноса энергии (мощности) волны вдоль направления распространения.

(1.6)

Рассмотрим волну типа H10, которая получила основное применеие в технике СВЧ среди других типов волн. Критическую длину волны можно определить по формуле (1.4), подставив соответствующие значения индексов m, n (для H10 m=1, n=0).

Для

Волна Н10 обладает наибольшей критической длиной.

Если критические длины для некоторых типов совпадают (Н11 и Е11), то такие волны называются вырожденными.

Чем больше частота (меньше длина волны, тем больше типов волн одновременно могут распространяться в прямоугольном волноводе. Поэтому различают одномодовый (распространяется один тип волны) и многомодовый (распространяются несколько типов волн) режимы работы прямоугольного волновода. При одномодовом режиме вся мощность переносится одним типом волны Н10. При многомодовом мощность распределена между всеми распространяющимися типами и часть мощности теряется, если оконечные устройства рассчитаны на определенный тип волны. Поэтому обычно используется одномодовый режим с волной типа Н10.

Структура поля Н10.

(1.7)

Затухание a в прямоугольном волноводе определяется как

, где (1.8)

- поверхностное сопротивление стенок волновода,

s - удельная проводимость стенок волновода,

-характеристическое сопротивление вакуума.

Мощность, передаваемая в прямоугольный волновод, определяется как

, где (1.9)

-характеристическое сопротивление волновода.

3 Методика измерений

Измерительная установка состоит из генератора СВЧ сигнала, измерительной линии, индикатора.

Основной целью измерения является определение длины волны Н10 в волноводе lв и фазовой скорости Vф. Измерение длины волны в линии производится в режиме стоячих волн, для этого измерительную линию закорачивают короткозамкнутой пластиной. Амплитуда поля стоячей волны изменяется вдоль оси волновода по синусоидальному закону. Расстояние между соседними узлами или пучностями поля равно lв/2. Фазовая скорость определяется по формуле(1.6), групповая скорость по формуле (1.6).

Для нескольких значений частот определить lв, Vф, Vгр и построить зависимости от частоты.

4 Порядок выполнения работы

1 Рассчитать критическую длину волны для волновода с сечением 17х 8 мм2.

2 Рассчитать и построить зависимости lв, Vф/с, Vгр/с от частоты в диапазоне, заданном преподавателем.

3 Настроить измерительную линию на частоту генератора. Передвигая зонд по всей длине измерительной линии через 5 мм, снять кривую распределения амплитуды электрического поля вдоль оси волновода в режиме стоячей волны (короткого замыкания). Определить длину волны в волноводе. Изменяя частоту генератора, измерить длину волны в волноводе для каждого заданного значения частоты.

Построить измеренные зависимости lв, Vф/с, Vгр/с от частоты и сравнить с рассчитанными.

5 Содержание отчета

Структурная схема измерения, таблицы измеренных значений, графики рассчитанных и измеренных зависимостей, выводы.

6 Контрольные вопросы

1 Свойства электромагнитного поля основного типа волны в прямоугольном волноводе

2 Постоянная затухания основного типа волны в прямоугольном волноводе, ее физический смысл

3 Критическая частота, длина волны различных типов? От чего они зависят?

4 Какой тип является основным для прямоугольного волновода?

5 Какие типы волн существуют в прямоугольном волноводе?

6 Условия распространения Е - и Н-волн в прямоугольном волноводе.

7 Область применения волноводных трактов.

8 Что такое фазовая и групповая скорости?

9 Что такое вырожденные типы волн?

10 Как зависит число распространяющихся типов волн от частоты. Одномодовый и многомодовый режимы распространения?

Лабораторная работа № 2. Исследование элементов волноводного тракта

1 Цель работы

Изучение конструкции и принципов действия различных элементов волноводного тракта, измерение отражений от элементов тракта.

2 Введение

Главными требованиями, предъявляемыми к элементам сочленения волноводного тракта, являются отсутствие отражений от места сочленения, потерь в контакте, искрения в контакте при большой передаваемой мощности и отсутствие излучения из щелей в открытое пространство. При сочленении отдельных отрезков волноводов и коаксиальных линий в плоскости контакта должно обеспечиваться малое сопротивление для продольных токов, текущих по линии. Особенно важно обеспечить хороший контакт по широким стенкам волновода, где протекает продольный ток.