Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч - страница 52

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 

За формулою (Б2) визначається коефіцієнт стоячої хвилі. Основні характеристики електромагнітного поля в повітрі (вакуумі) розраховуються за формулами п. 3.2 на підставі отриманих експериментальних даних.

2   Вивчення властивостей електромагнітної хвилі при проходженні через діелектрик і метал. Для цього в області рупора поміщають діелектричний аркуш (площина аркуша - нормальна осі рупор-диполь) і знімають кілька значень Pmax і Pnm . Ці значення наносять на графік P = f (z) і ви­значають фазове зміщення хвилі при проходженні її через діелектрик. Для раніше отриманого значення l0 (Б3) за

формулами п.3.2 розраховують основні характеристики електромагнітної хвилі при проходженні через даний діе­лектрик.

Помістивши між рупором і диполем екран, який відби­ває хвилі, легко переконатися у тому, що амплітуда прий­нятого сигналу різко зменшується. За формулами п. 3.2 для отриманого значення l0 розраховують основні характери­стики електромагнітного поля в металі екрана.

Значення tgS, e і m для використаних у роботі ді­електриків і металів визначають за довідником [12].

Отримані результати розрахунків зводять у таблицю і роблять висновки щодо основних властивостей електро­магнітного поля в повітрі (вакуумі), діелектрику і металі.

Вимірювання діаграм спрямованості і поляризації поля рупорної антени. Для одержання діаграм спрямовано­сті антени по кутах j і 0 (див. рис. 4.25) необхідно вста­новити замість диполя приймальну рупорну антену і під'єднати її до індикатора. Площину відкривання прий­мальної антени орієнтують нормально до напрямку випро­мінювання і встановлюють на відстані, обумовленій спів­відношенням (Б1). Повертаючи передавальну антену в го­ризонтальній площині, виміряється потужність прийнятого сигналу через кожні до одержання нульових значень. Аналогічні виміри виконуються і для вертикальної площи­ни.

Прибравши із площини розкривання передавальної ан­тени лінзу, виміри повторюють. Результати вимірювань слід подати у вигляді графіків, показаних на рис. 4.25.

За формулами п. 4.6 можна оцінити КСД та ширину ді­аграм спрямованості досліджуваної антени. Необхідно зробити висновок щодо впливу плосковипуклої лінзи на ширину діаграм спрямованості і порівняти розрахункові значення із експериментальними даними.

Для вимірювання поляризації поля застосовується або допоміжна антена із лінійною поляризацією, або поляриза­ційні решітки. Виміри зводяться до знімання показань ін­дикатора від кута повороту випробуваної антени або ре­шітки. Якщо обмірювана крива має два симетрично розмі­щені нулі, то поле лінійно поляризоване; за наявності то­чок мінімуму буде еліптична поляризація; якщо показання індикатора не залежать від кута повороту, то поляризація колова.

У нашому випадку необхідно встановити між антенами поляризаційну решітку так, щоб її площина була орієнто­вана перпендикулярно до осі передавальної і приймальної антен. Потім визначається вид поляризації спостережува­ного поля шляхом зміни орієнтації стрижнів решітки.

 

3.3 Зміст звіту

Звіт повинен містити:

1)   мету роботи;

2)   схему лабораторної установки і перелік додаткових пристроїв, які входять до установки;графіки зміни потужності P = f (z) для повітря і

при проходженні хвилі через діелектрики;

4)   результати розрахунків основних характеристик по­ля в повітрі, діелектрику і металі; висновки щодо основних властивостей поля в цих середовищах;

5)   діаграми випромінювання рупорної антени без лінзи і з лінзою, розрахунки ширини діаграм спрямованості та КНД, висновки щодо виду поляризації спостережуваних полів і впливу плосковипуклої лінзи на ширину діаграм спрямованості.

 

3.4 Запитання, які виносяться на захист лабораторної роботи:

1  Яка мета виконання даної роботи?

2  Запишіть рівняння Максвелла в інтегральній і дифе-ренційній формах запису і поясніть їх фізичний зміст.

3  Дайте визначення плоскої хвилі та запишіть для неї хвильове рівняння.

4  Дайте визначення основних характеристик електро­магнітного поля.

5  Поясніть загальні принципи роботи антен і опишіть конструкції рупорних антен.

6  Дайте визначення основних характеристик антен і видів поляризації випромінювання.

У чому полягає методика одержання діаграм спрямо­ваності антен і визначення видів поляризації випроміню­вання?Лабораторна робота 4 Дослідження просторових хвиль електромагнітного випромінювання у системі «періодична структура-діелектричний хвилевод»

 

Мета роботи - експериментальне дослідження діа­грам спрямованості випромінювання просторових хвиль періодичної структури типу «гребінка» при збудженні її поверхневою хвилею діелектричного хвилеводу.

 

4.1 Пояснення до роботи

У міліметровій і субміліметровій техніці важливе місце займають ефекти, пов'язані із перетворенням періодични­ми структурами (дифракційними решітками) поверхневих хвиль діелектричних хвилеводів (ДХ) [31]. У цьому випад­ку поверхневі хвилі ДХ трансформуються за допомогою дифракційних решіток (ДР) або в поверхневі хвилі ДХ, або в об'ємні хвилі, які відриваються від них. Дане фізичне явище широко застосовується при розробленні антен, ка­налізуючих пристроїв, при створенні логічних елементів для обчислювальних машин нових поколінь, у голографії та ін.

Умови випромінювання об'ємних хвиль на відбивних металевих ДР прямокутного перерізу визначаються таким співвідношенням [31]:cos уп


1


(     2p п ^
a             


< 1, (Б4)де   Yn   -  кут випромінювання  гармоніки з індексом

п = -1,-2,-3,...; a - стала поширення;

Ln - просторовий період системи;

k = Ln/1; l - довжина хвилі випромінювання.

Зі співвідношення (Б4) випливає, що хвиля з n > 0, І cos у\ >1  являє собою спектр неоднорідних плоских
Рисунок Б7 - Схема збудження об'ємних хвиль відбив­ної ДР:

1 - дифракційна решітка; 2 - діелектричний хвилевід; 3 - діаграми спрямованості випромінювання

 

Для значень п < 0 при розсіюванні неоднорідної хвилі ДХ на періодичному випромінювачі у вигляді відбивної решітки поле являє собою суперпозицію плоских хвиль, частина із яких іде у вільний простір під кутом (Б4) у ви­гляді спектра об'ємних хвиль, а частина - локалізована по­близу розсіювача у вигляді спектра повільних гармонік. Вибравши відповідним чином параметри електродинаміч­ної структури і поверхневої хвилі, яка поширюється вздовж ДХ, можна добитися переваги того або іншого типу хвиль. При цьому спектр кутів поширення об'ємних плос­ких хвиль становить 0°£ gn £ 180° і визначається співвід­ношенням

gn = arccos (V Рх + п/к),                  5)

де /Зх = vxjc - відносна швидкість хвилі у діелектричному хвилеводі;vx - фазова швидкість хвилі у хвилеводі.

Задаючи значення bx, n і k, можна реалізувати у сис­темі «дифракційна решітка-діелектричний хвилевід» різні режими трансформації поверхневих хвиль ДХ в об'ємні.

 

4.2 Опис лабораторної установки і порядок виконання роботи

Для виконання лабораторної роботи використовується установка, наведена на рис. Б8.

 

Рисунок Б8 - Схема експериментальної установки для вимірювання просторових характеристик випромінюваль­ної системи «дифракційна решітка - діелектричний хвиле­від»

 

Основним елементом установки є випромінювальна система, утворена відбивною дифракційною решіткою 1 і діелектричним хвилеводом 2, підключеними до вимірю­вального тракту через переходи 3.

Просторові характеристики (діаграми спрямованості випромінювань і їх інтенсивності) вимірюють за допомо­гою рухливої антени 4. При цьому вісь обертання прий­мального рупора 4 в E -площині проходить через випромі­нювальну апертуру і сполучається із вертикальною віссю решітки 1, а вісь обертання в H -площині збігається із по­здовжньою віссю ДХ 2, це забезпечує реєстрацію кутів ви­промінювання в інтервалі j =10°-170° з точністю A j =±0,25°. У ході вимірювання діаграм спрямованості си­гнал, прийнятий рупором 4, надходить на вхід «Y» двокоо-рдинатного графопобудовника (ГП), вхід «X» якого під­ключений до датчика кута повороту прийомного рупора. Таким чином, при переміщенні рухливої антени на графо­побудовнику фіксуються діаграми випромінювання, які пі­сля оцифровування використовують для комп'ютерної об­робки отриманих даних.

Для визначення частотних характеристик, коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) і коефіцієнта передачі досліджуваної системи використовується панорамний вимірник КСХН і ослаблень, який складається із блока генератора хитної ча­стоти (ГХЧ), індикатора КСХН і ослаблень (Я2Р-67), спрямованих відгалужувачів 5 з детекторними секціями, підключеними до відповідних з'єднувачів блока Я2Р-67. Залежно від способу підключення відгалужувачів до вимі­рювальної лінії, визначають залежності або коефіцієнта передачі, або КСХ у заданому діапазоні частот. Отримані результати обробляються за допомогою блока DEV, який являє собою аналого-цифровий перетворювач, і надходять через шину USB у персональний комп'ютер (ПК) для пода­льшої обробки результатів вимірювань.

При проведенні вимірювань на вході в досліджуваний об'єкт забезпечується постійний рівень потужності за до­помогою автоматичного регулятора потужності (АРП), який входить у панорамний вимірник, а мінімальні відбит­тя на виході ДХ забезпечуються за рахунок підключення до вимірювального тракту погодженого навантаження 6.Перед початком виконання роботи студенти вивчають інструкцію з експлуатації використаного в роботі панорам­ного вимірника КСХН і ослаблень.

1   Розрахунки кутів випромінювання. Для заданих ви­кладачем параметрів , Ln, n і трьох значень l (частоти) за формулою (Б5) розраховуються кути випромінювання

Уп .

2   Вимірювання діаграм спрямованості випромінюван­ня. Для заданих значень l шляхом установлення їх на па­норамному вимірнику КСХН проводиться серія вимірю­вань інтенсивності та кутів діаграм спрямованості випро­мінювань із паралельною фіксацією коефіцієнтів проход­ження або КСХН на панорамному вимірнику.

3   Побудова діаграм спрямованості випромінювань. Для трьох фіксованих значень l (частоти) будуються діа­грами спрямованості випромінювань у координатних осях P / Pmax (P - потужність випромінювання, Pmax - макси­мальне значення потужності) від У (кут випромінювання).

4   Порівняння експериментальних значень і кутів ви­промінювання із теоретичними оцінками. Порівнюються отримані кути випромінювання в експерименті із розра­хунковими і аналізуються обмірювані КСХН у заданому діапазоні довжин хвиль для різних значень кутів випромі­нювань.

 

4.3 Зміст звіту

Звіт повинен містити:

1)  мету роботи;

2)  схему експериментальної установки і її опис;

3)  розрахункові значення кутів діаграм спрямованості випромінювання;

експериментально отримані діаграми спрямованості випромінювання;5) висновки щодо порівняння експериментальних ре­зультатів із розрахунковими.

 

4.4 Запитання, які виносяться на захист лабораторної роботи:

1  Яка мета виконання даної роботи і принципи її побу­дови?

2  Чим відрізняються періодичні сповільнювальні сис­теми від гладких хвилеводів сповільнювальних систем (ді­електричних хвилеводів)?

3  У чому полягає принцип перетворення поверхневих хвиль діелектричного хвилеводу в об'ємні хвилі на пері­одичних структурах?

4  Який принцип роботи панорамного випромінювача КСХН і ослаблень? Поясніть призначення його основних елементів.

5  У чому полягає метод рухливої антени при вимірю­ванні діаграм спрямованості випромінювань?

У яких приладах міліметрового діапазону хвиль може бути використаний принцип перетворення поверхневих хвиль діелектричних хвилеводів в об'ємні на дифракційних решітках?ДОДАТОК В

(обов'язковий) В1. ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ за розділом 1

«Основні рівняння і закони електромагнітного поля»

1  Який учений-фізик сформулював спільну систему рі­внянь електромагнітного поля:

а) Кулон;

б) Ампер;

в) Фарадей;

г) інша відповідь?

2  Які довжини хвиль належать до НВЧ-діапазону:

а) l =1-0,1 мм;

б) l =10-1 см;

в) l =10-1 м;

г) інша відповідь?

 

Які вектори характеризують електричну складову поля:

а) E - напруженість;

б) B - індукція;

в) 5 - вектор густини струму;

г) інша відповідь?

 

4. Які основні параметри характеризують діелектричне середовище:

а) провідність g;

б) проникність e;

5  в)           проникність m;Який із зв'язків електричних компонентів поля запи­саний вірно:

а) D = g E ;

б) E = maD ;

в) E= g D;

г) інша відповідь?

6  Яке співвідношення відповідає закону Ома в дифере-нційній формі:

®®

а)  B = rotA;
®®

б) 5= gE;

в) E = -gradj;

г) інша відповідь?

7   Середовище називається однорідним, якщо ea, ma і

g:

а) не залежать від E і H;

б) змінюються від точки до точки;

в) є тензорами;

г) інша відповідь.

8   Яке рівняння Максвелла в диференційній формі за­пису є законом повного струму:

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 


Похожие статьи

Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч