WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
Физический факультет Казанского государственного университета Гусев Ю.А.

СПЕЦПРАКТИКУМ ПО СВЕРХВЫСОКИМ ЧАСТОТАМ Учебное пособие (второе издание) Казань 2008 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие…………………………………………………………………………2 Введение……………………………………………………………………………..3 Часть 1.

Работа №1. Исследование некоторых элементов волноводной техники………..4 Работа №2. Измерительная линия………………………………………………...11 Работа №3. Определение полных сопротивлений по измерению коэффициента отражения…………………………………………………………………………..19 Работа №4. Определение добротности резонатора по измерениям КСНВ..…..24 Часть 2.

Работа №5. Измерение диэлектрических констант в дециметровом и сантиметровом диапазонах с помощью измерительной линии………………...32 Работа №6. Измерение диэлектрических констант гетерогенных диэлектриков…………………………………………………………………….....47 Работа №7. Изучение бикомплексных сред на СВЧ………………………….....53 Работа №8. Исследование магнитоуправляемого ответвителя……………........60 Работа №9. Эффект Фарадея……………………………………………………...75 Работа №10. Кинетика явлений намагничивания………………………………. 89 Работа №11. Электронный парамагнитный резонанс………………………….103 Работа №12. Временная диэлектрическая спектроскопия…………………….115 ПРЕДИСЛОВИЕ Развитие электроники сверхвысоких частот и ее применение в различных областях науки и техники, и особенно в области информационных технологий требует качественной подготовки специалистов. Для лучшего усвоения курсов «Физическая электроника», «Электродинамика сверхвысоких частот», «Основы диэлектрической спектроскопии» и «Физика волновых процессов» на кафедре радиоэлектроники создана учебная лаборатория «Радиофизические измерения на СВЧ». Специфика научных направлений работы кафедры обусловила выбор и разработку тематики лабораторных работ.

Лабораторные работы по своему характеру разделены на две части. В первой части (работы 1-4) большое внимание уделяется изучению волноводной техники СВЧ, а также методики радиофизических измерений на СВЧ. Во второй части (работы 5-12) представлены методы исследования диэлектрических и магнитных свойств вещества.

В каждой работе рассмотрена краткая теория изучаемого вопроса и порядок выполнения работы.

Спецпрактикум по СВЧ в течении ряда лет выполнялся студентами старших курсов кафедры радиоэлектроники. В настоящем предлагается второе издание спецпрактикума по СВЧ переработанное и дополненное.

Автор выражает искреннюю благодарность младшему научному сотруднику кафедры радиоэлектроники Васильевой М.А. за помощь при оформлении рукописи.

Все замечания по данной работе будут приняты с благодарностью.

ВВЕДЕНИЕ Прежде чем приступить к работе, каждый студент должен сдать минимум по технике безопасности, ознакомиться с общими правилами работы в лаборатории и с порядком выполнения лабораторных работ.

После получения задания студент обязан ознакомиться с литературой к работе, экспериментальной установкой и отдельными приборами, входящими в ее состав. После этого сдать преподавателю устный предварительный отчет.

Преподаватель проверяет знания студентом теории и цели работы, методики ее проведения, схемы установки, назначения и устройства отдельных ее элементов, а также умение обращаться с ними.

После сдачи устного отчета студент допускается к проведению экспериментальной части работы.

Результатом работы является письменный отчет, состоящий из следующих разделов:

1. Цель работы и расчетные формулы.

2. Блок-схема экспериментальной установки.

3. Результаты экспериментальной части работы, содержащие данные, полученные непосредственно в ходе эксперимента и найденные после их последующей обработки. Расчеты и вычисления должны быть оформлены в виде таблиц и графиков.

4. Анализ проведенных измерений и расчетов с оценкой погрешностей.

В конце отчета по каждой работе необходимо дать заключение, содержащее перечисление и краткую характеристику явлений и зависимостей, обнаруженных в ходе работы, а также сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими и анализ возможных причин частичного расхождения этих данных.

ЧАСТЬ I Работа № ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛНОВОДНОЙ ТЕХНИКИ Волноводные разветвления, исследуемые в настоящей работе, показаны на рис.1. Каждое плечо разветвления является прямоугольным волноводом стандартного поперечного сечения, по которому в рабочем диапазоне частот может распространяться только волна нижнего типа H10. Наиболее простыми являются трехплечие разветвления, называемые Е-тройниками в том случае, когда ответвление расположено в плоскости электрических силовых линий (рис.1а), и Н-тройниками для ответвлений, лежащих в плоскости магнитных силовых линий (рис.1б). Тройниковые разветвления являются шестиполюсниками.

Двойной волноводный тройник является представителем восьмиполюсных соединений, так как помимо двух плеч основного волновода содержит два ответвления в Е- и Н-плоскостях (рис.1в). Щелевой мост, представленный на рис.1г, тоже является четырехплечим разветвлением и состоит из двух волноводов, связанных щелью в общей узкой стенке.

Перечислим основные свойства приведенных волноводных разветвлений.

Как известно, эквивалентной схемой Е-тройника в первом приближении является последовательная схема, а для Н-тройника имеет место параллельная схема ответвления.

В соответствии с этим Е-тройник возбуждается нечетным относительно плоскости симметрии электрическим полем, а Н-тройник возбуждается четным полем. Поэтому Е- и Н-плечи двойного волноводного тройника (рис.1в) оказываются "развязанными" при подаче сигнала в одно из указанных плеч, если в 1 и 2 плечах основного волновода включены одинаковые нагрузки на одинаковом расстоянии от плоскости симметрии. Непосредственная связь отсутствует также между 1 и 2 плечами двойного волноводного тройника, то есть любые противоположные плечи развязаны. В щелевом мосте развязанными оказываются соседние плечи, то есть плечи, имеющие общую волноводную стенку. Например, при подаче сигнала в плечо 1 (см. рис.1 г) он поровну разветвляется в плечи 3 и 4 и не проходит в плечо 2. При подаче сигнала в плечо он проходит в плечи 1 и 2 и не попадает в плечо 4. Таким образом, щелевой мост является направленным ответвителем с переходным ослаблением в 3 дб.



Двойной волноводный тройник также обладает свойствами направленного ответвителя. Действительно, если двойной волноводный тройник включить в основной тракт, например, таким образом, что плечо 1 будет входным, а плечо 4 - выходным (см. рис.1в), то сигналы, прошедшие в плечи 3 и 2, будут пропорциональны соответственно падающей и отраженной мощностям.

Можно показать, что любое полностью согласованное четырехплечее разветвление без потерь является направленным ответвителем. Таким образом, и двойные волноводные тройники, и щелевые мосты могут быть использованы как трехдецибельные направленные ответвители. Отличительным свойством щелевого моста является то обстоятельство, что ответвляемые сигналы, одинаковые по величине, имеют взаимный фазовый сдвиг, равный / 2.

Экспериментальная проверка свойств волноводных разветвлений может быть выполнена с помощью короткозамыкающих поршней и согласованных нагрузок.

На рис.2 показаны варианты включения поршней и нагрузок, Там же приведены последовательная я параллельная схемы для Е- и Н-тройников (рис.2 а, б).

Эквивалентные схемы удобны для рассмотрения условий передачи мощности из одного плеча тройника в другое при наличии в третьем плече короткозамыкающего поршня. Действительно, при изменении электрической длины L/в короткозамкнутого волновода, называемого шлейфом, входное сопротивление в клеммах разветвления, если смотреть в сторону поршня, изменяется, приобретая бесконечно большое значение при четвертьволновой длине шлейфа и нулевое - при полуволновой.

Поэтому для Е-тройника, имеющего последовательную схему ответвления (рис.2 а), сигнал из плеча 1 должен проходить в согласованную нагрузку в режиме короткого замыкания на входе шлейфа, то есть при расстоянии L = mв/2, где m = =0,1,2,…. В этом случав Е-тройник фактически превращается в резкий изгиб, состоящий из 1-го и 3-го плеч тройника. При расстоянии L = (2m+1)в /4 от плоскости короткого замыкания до участка разветвления, то есть в режиме холостого хода на входе шлейфа сигнал полностью отразится обратно в плечо 1 и не пройдет в плечо 3 для идеальной последовательной схемы ответвления.

Для Н-тройника, которому в первом приближении соответствует параллельная схема ответвления (см. рис.2б), имеет место обратная картина:

прохождение сигнала из плеча 1 в плечо 3 при L = (2m+1)в /4, то есть в режиме холостого хода на входе шлейфа, и наибольшее отражение при L=mв/2, соответствующем короткому замыканию клемм разветвления. Для двойного волноводного тройника (рис,2в), согласно принципам нечетного и четного возбуждения Е- и Н-плеч, сигнал проходит в согласованную нагрузку при расстояниях до короткозамыкающих поршней, отличающихся на четверть волны L = L2 - L1 = (2m+1)в /4, и полностью отражается на входе двойного тройника при одинаковых расстояниях до поршней или при разности расстояний, кратной половине волноводной длины волны L = mв /2.

Отличие 3-децибельных щелевых мостов, обеспечивающих фазовый сдвиг между ответвляемыми сигналами на /2, от двойного волноводного тройника заключается в том, что полное прохождение сигнала из плеча 1 в плечо 2 (рис.2г) соответствует условию L = mв /2 (то есть одинаковым расстояниям до короткозамыкающих поршней). Минимальное прохождение сигнала определяется условием L = (2m+1)в /4 (1) Экспериментальная часть Схема экспериментальной установки представлена на рис.3.

Источником сверхвысокочастотных колебаний 8-миллиметрового диапазона волн является измерительный генератор ГЗ-30, состоящий из двух блоков: блока питания и высокочастотного блока. Высокочастотный блок содержит отражательный клистрон, снабженный механизмом перестройки частоты. Ручка перестройки частоты выведена на переднюю панель высокочастотного блока.

Клистрон имеет волноводный вывод энергии, подключенный к волноводному тракту сечением 7,2 х 3,4 мм. Волноводный тракт высокочастотного блока состоит из направленного ответвителя, волномера, детекторной секции и аттенюатора (регулируемого ослабителя). Детекторная секция используется для индикации сверхвысокочастотного сигнала от клистрона. Она подстраивается поршнем, ручка которого выведена через боковую правую стенку высокочастотного блока. Для измерения длины волны клистронного генератора используется высокодобротный волномер, включенный в узкую стенку волновода через два отверстия и возбуждаемый волной типа H10Р. Ручка перестройки волномера и его шкала расположены на передней панели высокочастотного блока. Здесь же находится ручка регулировки аттенюатора, градуировочная кривая которого приведена на стенде. Остальная часть волноводного тракта, изображенного на рис.3, находится вне высокочастотного блока Г3-30.

Блок питания прибора Г3-30 обеспечивает необходимые стабилизированные напряжения на резонаторе клистрона, фокусирующем электроде и отражателе.





Блок питания содержит также модулятор, осциллографический индикатор и миллиамперметр, измеряющий ток клистрона. Модулятор обеспечивает низкочастотную модуляцию напряжения отражателя клистрона либо от генератора прямоугольных колебаний типа «меандр», либо от генератора пилообразных колебаний для наблюдения на экране осциллографа зон генерации клистрона. В данной работе в основном используется модуляция прямоугольными меандровыми импульсами с индикацией их на экране осциллографической трубки. С помощью осциллографа также осуществляется индикация резонанса при настройке волномера.

К волноводному тракту высокочастотного блока подключена измерительная линия P1-12 с настраиваемой зондовой головкой, содержащей кристаллический детектор. Измерительная линия является основным инструментом исследований волноводных разветвлений. Она снабжена измерительным индикатором для отсчета фазы стоячей волны при измерении коэффициентов отражения. К измерительной линии подключается испытуемый объект (тройник или волноводный мост), к которому присоединяются секции с согласованными нагрузками или короткозамыкающими поршнями в зависимости от характера эксперимента. Детекторная головка, настраиваемая двухшлейфовым трансформатором и развязанная с помощью фиксированного ослабителя, используется для измерения мощностей в относительных единицах.

Для измерения мощности в относительных единицах и для измерения коэффициента стоячей волны используется резонансный усилитель звуковой частоты типа У2-1А, настраиваемый на частоту меандровой модуляции. На вход усилителя подаются сигналы с детекторных головок измерительной линии или с головки, изображенной на рис.3 в конце волноводного тракта. Каждый из этих сигналов пропорционален выпрямленному току кристаллического детектора и, следовательно, на начальном (квадратичном) участке вольт-амперной характеристики детектора эти сигналы пропорциональны СВЧ мощности.

Измерение КСВ и относительной величины ответвляемой мощности Для измерения КСВ и относительной мощности, проходящей в различные ответвления испытуемого объекта, используется усилитель У2-1. В целях повышения точности измерений желательно не выходить за пределы квадратичного участка вольт-амперной характеристики кристаллического детектора, являющегося индикатором измеряемого сигнала. Для этого следует устанавливать уровень СВЧ сигнала таким образом, чтобы показания вольтметра усилителя в максимуме стоящей волны не превышали 100 делений в положении декадного переключателя "x10". Глубина погружения зонда в волновод измерительной линии P1-12 не должна превышать 1 мм, что соответствует 1-1,делениям шкалы, нанесенной в верхней части зондовой головки. При измерении КСВ рекомендуется следующая последовательность операций:

а) зондовая головка измерительной линии подстраивается на рабочей частоте по максимуму проходящего сигнала. Зонд измерительной линии перемещается в максимум стоячей волны, и при помощи регулируемого ослабителя в высокочастотном блоке устанавливается показание 100 делений на шкале вольтметра усилителя У2-1 в положении декадного переключателя "х10";

б) зонд измерительной линии перемещается в минимум стоячей волны и в случае необходимости осуществляется переход на более чувствительную шкалу вольтметра ("x1") с помощью декадного переключателя. По показанию вольтметра в минимуме стоячей волны отсчитывается величина КСВ с помощью прилагаемой таблицы, составленной расчетным путем на основании квадратичной характеристики детектора.

При определении относительной величины ответвляемой мощности рекомендуется следующий порядок измерений:

а) детекторная головка с двухшлейфовым трансформатором и развязывающим ослабителем включается в основной тракт в отсутствии испытуемого объекта. После настройки детекторной головки записывается уровень сигнала на шкале вольтметра усилителя, пропорциональный величине падающей мощности;

б) затем между основным трактом и развязанной детекторной головкой включается испытуемый объект, как показано на рис.3, и по вольтметру усилителя при неизменной настройке детекторной головки отсчитывается в относительных единицах (делениях шкалы) уровень мощности, прошедшей в испытуемое плечо разветвления.

Задание 1. Ознакомиться с волноводной установкой 8-миллиметрового диапазона и используемой в ней электронной аппаратурой. Включить измерительный генератор Г3-30 и освоить отсчет частоты (длины волны) с помощью резонансного волномера. Включить резонансный усилитель У2-1. Установить ослабление регулируемого ослабителя на выходе Г3-30 не менее 10 дб.

2. Исследовать условия прохождения сверхвысокочастотной мощности между двумя плечами Е- и Н-тройника, а также двойного волноводного тройника в соответствии с принципиальными схемами, изображенными на рис.2, а-в.

С этой же целью присоединить к испытуемому тройнику волноводную секцию с короткозамыкающим поршнем. При испытании двойного волноводного тройника присоединить два поршня.

В качестве согласованной нагрузки использовать детекторную головку с настроенным двухшлейфовым трансформатором и развязывающим ослабителем.

Настроить клистрон на длину волны, указанную в задании, и подстроить зондовую и детекторную головки. Перемещая короткозамыкающий поршень (поршни) до получения режимов наибольшего прохождения и запирания сигналов в соответствии с методикой, рекомендованной выше, измерить а) КСВ на входе тройника в режимах максимального и минимального прохождения сигналов;

б) отношение максимального проходящего сигнала к минимальному;

в) величину в в волноводе;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.