Устройства СВЧ и антенны. Техническая электродинамика и устройства СВЧ. Устройства СВЧ: Методические указания к лабораторным работам, страница 6

Поэтому они будут шунтировать линию. Это значит, что из совокупности таких изоляторов можно образовать сплошную трубу прямоугольного сечения, что не приведет к нарушению передачи энергии, хотя при постепенном увеличении числа изоляторов структура распространяющегося поля будет деформироваться так, чтобы выполнялись граничные условия.

Вспомним!

На границе раздела диэлектрика и идеального проводника могут существовать только нормальные составляющие вектора электрического поля  и тангенциальные составляющие вектора магнитного поля , т.е.

                                                                                 (7)

Как уже упоминалось выше, прямоугольные волноводы применяются для передачи СВЧ мощности на основной волне типа  (m=1; n=0). Поперечные размеры волновода выбираются из необходимости удовлетворения противоречивым требованиям максимальной передаваемой мощности, минимального затухания, максимальной полосы пропускания при обеспечении распространения только основного типа волны.

Передача электромагнитной энергии возможна, как это следует из рис. 15, при выполнении условия

                                                                                                       8)

т.е.  или .

Распределение электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля основной волны, а также картина линий поверхностных токов, приведены на рис. 3 основной части методических указаний. Общее условие существования только основной волны можно сформулировать следующим образом: рабочая длина волны  должна быть меньше критической длины волны  основного типа , т.е. должны выполняться следующие неравенства:

                     или    .                               (9)

Одновременное существование нескольких типов волн приводит к неопределенности: неизвестно, какая доля мощности передается тем или иным типом волны. Кроме того, трудно одновременно выполнить условия отсутствия отражений от нагрузки для нескольких типов волн, особенно, если нагрузкой является антенна.

Коэффициент затухания основной волны может быть найден по формуле

                                   (10)

где  – поверхностное сопротивление, которое зависит от удельной проводимости волновода  и глубины проникновения поля :

.                                                                                           (11)

Поскольку для различных типов волн распределение и значение токов разные, то потери в стенках волновода будут зависеть от типа волны, которая распространяется в волноводе. При приближении рабочей длины волны  к критической  наблюдается довольно резкое возрастание коэффициента затухания, пропорциональное множителю , поэтому принимают, что длинноволновая граница использования прямоугольного волновода  должна быть на 10% ниже критической длины основной волны типа .

Допустимая передаваемая по волноводу мощность равна

.                                         (12)

Волновое сопротивление волновода прямоугольного сечения

,                                                                              (13)

где  – волновое сопротивление свободного пространства, равное 120,т.е. 377 Ом.

3. Описание лабораторной установки

Блок схема измерительной установки приведена в разделе III общих методических указаний и состоит из СВЧ генератора 1 с встроенным в него аттенюатором, переключателя П (ручка переключателя каналов должна быть в положении 2, т.е. СВЧ энергия подается на измерительную аппаратуру, находящуюся на лабораторном столе), измерительной линии 5, детекторной секции II, измерительного усилителя 8 с измерительным прибором, согласованных нагрузок 10. Дополнительно в настоящей работе используются следующие устройства, изображенные на рис. 16:

Рис. 16

короткозамкнутый отрезок волновода (рис. 16,б) с продольными и поперечными щелями на его широкой и узких стенках, снабженный специальным съемным подвижным экраном для закрывания щелей в случае необходимости, волноводные секции (рис. 16,а,б), торцевые стенки которых представляют собой решетки, образованные набором горизонтально и вертикально ориентированных проводников, отрезки волноводов (рис. 16г) с одним или двумя согласующими штырями (одношлейфная и двухшлейфная согласующие секции), несогласованная нагрузка, в качестве которой может быть использовано любое СВЧ устройство по указанию преподавателя.

4. Порядок выполнения работы

1.  Изучить измерительную схему и конструкции волноводных элементов и узлов, методику настройки СВЧ генератора и усилителя, ознакомиться с методами исследования и измерения (см. общие методические указания).

2.  Включить в сеть СВЧ генератор и усилитель (см. соответствующие инструкции по эксплуатации, имеющиеся на лабораторном столе). Через десяти–пятнадцати минутного прогрева аппаратуры установить рабочую частоту по указанию преподавателя и настроить усилитель.

3.  Определить длину волны  в волноводе (имеющим поперечное сечение с размерами 23х10 мм) с помощью измерительной линии, для чего необходимо подсоединить к ее выходному фланцу металлическую пластину, установив тем самым в волноводе измерительной линии режим стоячей волны. Затем воспользоваться методикой измерения длины волны, описанной в общих методических указаниях. По измеренной длине волны в волноводе, воспользовавшись формулой (1) рассчитать длину волны в свободном пространстве (т.е. длину волны , соответствующую частоте, установленной на генераторе СВЧ) и сравнить полученное значение с выставленным на СВЧ генераторе.

Измерить длину волны в волноводе для пяти значений частот СВЧ генератора по указанию преподавателя. Построить график зависимости длины волны в волноводе  от длины волны (частоты) генератора СВЧ.

4.  Определить поляризацию электромагнитного поля (по ориентации вектора напряженности электрического поля Е) последовательно подключая к выходному фланцу волновода измерительной линии волноводные секции с решетками на их торцевых стенках из горизонтально (рис. 16,а) и вертикально (рис. 16,в) ориентированных проводников. При этом измеритель КБВ в измерительное линии, нагруженной и ненагруженной (режим открытого конца волновода) на указанные волноводные секции. Сравнить измеренные величины.