Elektromagnetinio lauko struktūros tyrimas stačiakampiame bangolaidyje

Laboratorinis darbas Nr.1 Elektromagnetinio lauko struktūros tyrimas stačiakampiame bangolaidyje Studentas Vadovas Darbo tikslas – susipažinti su bangolaidiniu traktu, jo parametrų matavimo metodika, matavimo prietaisais, ištirti elektromagnetinių bangų, sužadintų stačiakampiame bangolaidyje, lauko struktūrą. Teorija. Bangolaidis arba bangolaidinė linija yra metalinis stačiakampio, apvalaus arba sudėtingos formos skerspjūvio vamzdis. Jis naudojamas elektromagnetinei energijai perduoti centimetrinių ir milimetrinių bangų diapazonuose (2-300 GHz). Tuose diapazonuose atviros dvilaidės linijos elektromagnetinei energijai perduoti netinka, nes intensyviai spinduliuoja ją į supančią aplinką. Koaksialinės dvilaidės linijos, gerai tinkančios metrinių ir decimetrinių bangų diapazonuose, centimetrines-milimetrines bangas stipriai slopina. Slopinimą didina nuostoliai koaksialinės linijos laidininkuose, didėjantys veikiant paviršiniam efektui, ir nuostoliai vidaus ertmės dielektrike. Bangolaidžio vidinė ertmė dažniausiai esti pripildyta oro, kuris prireikus gali būti net praretintas. Sienelės gaminamos iš gerų laidininkų (vario, aliuminio), o vidinis sienelės paviršius padengiamas sidabru ar auksu ir poliruojamas. Todėl paviršinių srovių, tekančių bangolaidžio sienelėse, nuostoliai yra maži ir elektromagnetinės bangos bangolaidžiuose slopinamos nežymiai. Bangolaidžio skersiniai matmenys turi būti tos pačios eilės, kaip ir juo perduodamos bangos ilgis  (turima galvoje bangos ilgis tuštumoje). Priklausomai nuo bangolaidžio skersinių matmenų santykio su bangos ilgiu  bangolaidžiu gali sklisti tam tikras baigtinis įvairių tipų bangų skaičius. Sklidimo sąlygos yra fkr, (1) čia kr, fkr – kritinis bangos ilgis bei kritinis dažnis. Jie priklauso nuo bangolaidžio skersinių matmenų ir bangos tipo. Pavyzdžiui, stačiakampio skerspjūvio bangolaidžiui (2) čia a ir b – vidiniai bangolaidžio matmenys (žiūr. 1 pav.); m ir n – indeksai nusakantys bangos tipą. Jie parodo kiek stovinčios bangos pusbangių telpa išilgai matmens a ir matmens b, atitinkamai. Standartinių bangolaidžių a>b. Iš (2) lygties matyti, kad didėjant m ir n, kritinis bangos ilgis trumpėja ir, esant const, egzistuoja tokie m ir n, kuriems sąlygos (1) nebeišpildomos. Taigi tokių tipų bangos yra virškritinės ir bangolaidžiu sklisti negali, nes yra labai slopinamos. Didžiausias kritinis bangos ilgis atitiks tuos bangų tipus, kurių indeksai yra minimalūs. Tokios bangos vadinamos pagrindinėmis. Magnetinių arba skersinių elektrinių bangų atveju pagrindinė yra H10(TE10) tipo banga (t.y. m1, n0). Elektrinių (skersinių magnetinių) bangų atveju – E11(TM11). Iš abiejų pagrindinių bangų H10 ir E11 dažniausiai pirmenybė atiduodama bangai H10 , nes , todėl banga H10 gali pernešti elektromagnetinę energiją, esant patiems mažiausiems bangolaidžio matmenims. 1 pav. Stačiakampio skerspjūvio bangolaidis Parinkus bangolaidžio matmenis taip, kad galiotų nelygybės ir , (3) bangolaidžiu sklisti galės tik pagrindinės bangos H10. Vienos vienintelės bangos sklidimas bangolaidžiu yra pageidautinas daugeliu praktikos atvejų. Pagrindiniai bangos H10 parametrai išreiškiami taip: kritinis bangos ilgis ; (4) bangos ilgis bangolaidyje ; (5) bangos sklidimo bangolaidžiu fazinis koeficientas (arba banginis skaičiu) ; (6) fazinis greitis ; (7) grupinis greitis ; (8) banginė bangolaidžio varža ; (9) čia - laisvos erdvės (tuštumos) banginis skaičius; - tuštumos banginė varža omais; - elektromagnetinių bangų greitis laisvoje erdvėje (tuštumoje jis lygus šviesos greičiui c3108 m/s). Jeigu bangolaidžiu sklindanti banga sutinka savo kelyje bangolaidžio parametrų pokytį (uždaras arba atviras bangolaidžio galas, nesuderinta apkrova ar pan.), tai ji iš dalies ar visiškai nuo to netolygumo vietos atsispindi. Atsispindėjusi banga superpozicijoje su tiesiogine duoda pilną arba dalinį stovinčios bangos režimą. Stovinčiai bangai būdinga tai, jog lauko amplitudė, einant išilgai bangolaidžio, keišiasi sinuso dėsniu, t.y. turi maksimumus (pūpsnius) ir minimumus (mazgus). Pūpsniuose tiesioginė ir atsispindėjusi bangos susitinka tomis pačiomis fazėmis, todėl suminio lauko amplitudė yra lygi tiesioginės ir atsispindėjusios bangos laukų amplitudžių sumai. Mazguose tiesioginė ir atsispindėjusi bangos susitinka priešingomis fazėmis, todėl suminio lauko amplitudė yra lygi tiesioginės ir atsispindėjusios bangos laukų amplitudžių skirtumui. Suderinimo kokybę nusako stovinčios bangos koeficientas: (10) Emax ir Emin yra stovinčios bangos elektrinio lauko stiprumo amplitudės pūpsnyje ir mazge, o Umax ir Umin – tam laukui proporcingos įtampos. Jei atspindžio nėra (t.y. idealus suderinimas), elektrinio lauko amplitudė einant išilgai bangolaidžio nekinta (EmaxEmin) ir stovinčios bangos koeficientas lygus 1. Jei turime pilną atspindį, t.y. atsispindėjusios bangos lauko amplitudė yra lygi tiesioginės bangos lauko amplitudei, tai Emin0 ir ksb. Naudojamas ir atvirkštinis, bėgančios bangos koeficientas . (11) Atstumas tarp gretimų stovinčios bangos mazgų lygus pusei bangolaidžiu sklindančios bangos ilgio . Tokiu būdu, išmatavę atstumą tarp gretimų stovinčios bangos mazgų, galime įvertinti bangos ilgį bangolaidyje . 2 pav. Struktūrinė-elektrinė bangolaidinio trakto schema: 1 – sekcija H bangai sužadinti; 2 – reguliuojamas ateniuatorius; 3 – bangolaidinė matavimo linija; 4 – sekcija su skersai judamu zondu; 5 – suderinta apkrova; 6 – reguliuojamas trumpiklis. Aparatūra. Laboratorinio darbo aparatūra (žiūr. 2 pav.) susideda iš bangolaidinio trakto, kurio vidinio skerspjūvio matmenys a90 mm ir b45 mm, mikrobangų (decimetrinių bangų) generatoriaus, skirto laukui bangolaidyje sužadinti ir išėjimo signalo matuoklio įtampoms, gautoms matavimo linijų zonduose, matuoti. Pagrindinė bangolaidinio trakto sekcija yra matavimo linija su išilginiu plyšiu, leidžianti išmatuoti elektrinio lauko stiprumo amplitudės priklausomybę nuo atstumo, einant išilgai bangolaidžio didžiosios sienelės viduriu. Stovinčios bangos režimas sudaromas užbaigiant bangolaidinį traktą trumpikliu, o bėganti banga bus trakte, jei jis apkraunamas suderinta apkrova. Suderintos apkrovos funkciją atlieka tūrinis absorbuojantis įdėklas trumpai sujungto bangolaidžio gale. Toks įdėklas gaminamas iš kompozicinių medžiagų. Jų absorbuojantis komponentas yra grafito, karboninės geležies, silicio karbido arba ferito milteliai, o inertinis rišantysis komponentas – epoksidinė derva. Kad būtų mažesni bangų atspindžiai, įdėklai daromi tolydžiai kintamo profilio, pvz.: pleišto ar piramidės. Reguliuojamu ateniuatoriumi galima patogiai pasirinkti matuojamo signalo lygį, taip kad indikatoriaus rodyklė maksimalaus signalo atveju neišeitų už skalės ribų. Be to, ateniuatorius atlieka ir suderinančiojo įrenginio vaidmenį, ribodamas bangų atspindį iš mikrobangų generatoriaus pusės. Darbo užduotis ir eiga laboratorijoje 1. Susipažinkite su laboratorinio darbo aprašymu ir aparatūra. 2. Sujunkite bangolaidinį traktą taip, kad jame susidarytų stovinčių bangų režimas, t.y. užbaikite bangolaidinį traktą trumpikliu. 3. Įjunkite mikrobangų generatorių ir, jam įšilus, nustatykite dėstytojo nurodytą darbo dažnį f (2500  3000 MHz). Gaukite maksimalų generatoriaus galingumą. (f=2.8 GHz) 4. Įjunkite indikatorių ir, jam įšilus, suderinkite rezonansui zondų galvučių tūrinius rezonatorius. Tai atliekama, keičiant zondų galvučių reguliavimo elementus taip, kad indikatoriaus parodymai būtų didžiausi. 5. Reguliuojamu ateniuatoriumi nustatykite tokį signalo slopinimą, kad indikatoriaus rodyklė pūpsnio vietoje neišeitų už skalės ribų. 6. Išmatuokite elektrinio lauko stiprumo amplitudės priklausomybę nuo atstumo išilgai bangolaidžio. Apskaičiuokite stovinčios bangos koeficientą ksb. Generatorius generuoja f=2,8 GHz dažnio elektromagnetines bangas. Bangolaidžio matmenys: a = 90 mm, b = 45mm. Tiriame nesuderintą bangolaidį. Jame elektrinis laukas proporcingas voltmetro rodomai įtampai, yra pasiskirstęs taip: Bandymų rezultatai su nesuderinta apkrova: Atstumas mm 0 10 20 30 40 50 60 70 76 80 90 100 110 113 120 130 140 148 150 160 Indikatoriaus parodymai mV 14 18 72 94 100 96 76 24 0.02 6 50 78 88 98 94 76 32 0.02 2 56 Stovinčios bangos koef. 7. Išmatuokite bangos ilgį bangolaidyje . Pagal gautą matavimo rezultatą iš (5) lygties apskaičiuokite darbo bangos ilgį laisvojoje erdvėje . Gautą  reikšmę patikrinkite pagal generatoriaus dažnį. Kritinis bangos ilgis Praktinis bangos ilgis bangolaidyje Teorinis bangos ilgis bangolaidyje 8. Remdamiesi surastu bangos ilgiu , apskaičiuokite banginį skaičių  ir fazinį vf bei grupinį vgr greičius. 9. Palikite bangolaidinio trakto galą atvirą ir leiskite bangai sklisti į laisvają erdvę. Išmatuokite elektrinio lauko stiprumo amplitudės priklausomybę nuo atstumo išilgai bangolaidžio šiuo atveju. Apskaičiuokite stovinčios bangos koeficientą ksb. Atstumas mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 125 130 140 150 160 Indikatoriaus parodymai mV 36 42 44 40 30 22 24 32 40 44 40 32 24 22 24 32 40 44 10. Apkraukite bangolaidinį traktą suderinta apkrova. Išmatuokite elektrinio lauko stiprumo amplitudės priklausomybę nuo atstumo išilgai bangolaidžio. Apskaičiuokite stovinčios bangos koeficientą ksb. Elektrinio lauko stiprumas nuo atstumo išilgai bangolaidžio praktiškai nesikeičia ir grafikas gaunasi beveik tiesė. Išvados. Laboratoriniame darbe susipažinome su bangolaidžiu: kaip jis atrodo, kaip veikia, kaip jame pasiskirsto elektromagnetinis laukas. Sklisdamos bangos bangolaidyje, kai yra nesuderinta apkrova, jos visiškai atsispindi ir veliau jos arba kompensuoja viena kita , arba sustiprina tai galime pamatyti grafike, o kai apkrovos nėra – dalis bangų praeina, o dalis atsispindi (dėl bangolaidžio parametrų pasikeitimo) todel grafikas tiesesnis. Su suderinta apkrova elektromagnetinės bangos virsta į šilumos energija ir visos yra sugeriamos todėl grafikas teoriškai turėtų gautis tiesė ir ksb = 1, praktiškai taip negavome, kadangi tiksliai suderinti bangolaidį su apkrova labai sunku.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!