Режим бегущей волны в линии передачи

Лабораторная работа

Определение основных характеристик компонентов СВЧ трактов с помощью панорамного измерителя КСВН и ослабления

для направления подготовки 28.04.02 «Наноинженерия»

магистра (профиль «Наноинженерия в приборостроении»)

Калуга, 2016

Цель работы – овладение методом измерения коэффициента стоячей волны и ослабления мощности СВЧ энергии при прохождении волны через компоненты СВЧ тракта в диапазоне частот, а не на одной частоте.

Задачи: произвести измерения диапазона частот пропускания ферритовых вентилей и пассивных аттенюаторов, а также их КСВН с помощью панорамного измерителя КСВН и ослабления.

В диапазоне СВЧ имеет место поглощение радиоволн – превращение энергии электромагнитных волн при распространении в среде в другие виды энергии. При этом можно наблюдать нерезонансное и резонансное поглощение. Нерезонансное поглощение является видом поглощения с непосредственным преобразованием энергии волн СВЧ диапазона в тепловую энергию. В случае резонансного поглощения СВЧ энергия расходуется на перевод молекул или атомов на более высокие энергетические уровни. Нерезонансные потери могут быть разделены на два вида – потери, связанные с макроскопическими токами и потери, связанные с микроскопическими токами. Потери первого вида наблюдают в проводящих материалах. Потери второго вида ещё называют диэлектрическими потерями и наблюдают в непроводящих (диэлектрических материалах)\. В этом случае имеет место смещение зарядов на расстояния, соизмеримые с размерами атомов и молекул.

Свойства диэлектриков определяются двумя параметрами - e’ b и e’’ - вещественными и мнимыми частями относительной диэлектрической проницаемости или её вещественной частью и тангенсом диэлектрических потерь - tgd. Последнюю величину определяют как:

tgd = e²/e¢.

 При этом полная диэлектрическая проницаемость вещества определяется как сумма вещественной и мнимой частей e = e’ + ie’’.

Действительная компонента на СВЧ e’ отвечает за сдвиг фаз - запаздывание во времени электрической индукции относительно напряженности электрического поля. Мнимая компонента соответствует величине диссипации электрической энергии в тепловую. Достижимые пределы изменения действительной компоненты диэлектрической проницаемости находятся 10³ – 10⁵, мнимой компоненты – 10^-5 + 10⁵

Свойства некоторых диэлектриков на СВЧ при 20-25° С даны в таблице 1.

Таблица 1

Основные параметры СВЧ трактов

Основные параметры, характеризующие линию передачи (тракт), связаны с геометрическими размерами линии передачи и наличием в ней отражений и потерь.

Режим бегущей волны в линии передачи

Если в линии реализуется чисто бегущая волна, то отношение амплитуды напряжения бегущей волны  к амплитуде тока , или отношение их действующих значений называется волновым сопротивлением и зависит от конструкции линии.

Чем больше емкость линии, тем больше ток, возникающий в ней под действием данного напряжения, подобно тому, как растет зарядный ток конденсатора при увеличении его емкости. При росте индуктивности ток уменьшается вследствие явления самоиндукции. Эти две тенденции находят отражение в величине волнового сопротивления  определяемого по формуле:

,

где  и  – погонные индуктивность и емкость. Так как напряжение и ток в бегущей волне совпадают по фазе, то волновое сопротивление следует считать активным. Мощность бегущей волны является активной и определяется формулой

.

Для получения режима бегущей волны нужно в тракте не должно быть нарушений однородности линии, а в конце линии необходимо включить нагрузку с активным сопротивлением, равным волновому сопротивлению . Тогда вся мощность бегущей волны будет поглощаться в нагрузке, т.е. электромагнитная энергия безвозвратно уходит от генератора. В этом случае говорят, что линия согласована с нагрузкой. Важной характеристикой является входное сопротивление линии Zвх, т.е. сопротивление линии для питающего генератора. Оно равно отношению напряжения к току в начале линии (рис. 1).

Рис. 1 Схема для полностью согласованного СВЧ тракта

При несогласованной нагрузке появляется отраженная волна и имеет место сложение бегущей и отраженной волн. При этом напряженность электрического поля в падающей волне (при условии, что волна является плоской) выражается формулой:

При сохранении поляризации напряженность электрического поля в отраженной волне зависит от координаты и времени:

    В стоячей волне, полученной после сложения этих двух волн:

 .

При этом волну, распространяющуюся вдоль линии можно охарактеризовать как плоскую волну с модулированной амплитудой , зависящей от координаты вдоль тракта:

.

Если ввести обозначение  - называемом модулем коэффициента отражения, то волну, установившуюся в линии можно описать выражением:

Коэффициент отражения в общем случае комплексная величина и может быть в любой точке выражен как

Отношение напряженности электрического поля в максимуме стоячей волны  к напряженности электрического поля в минимуме стоячей волны  называют коэффициентом стоячей волны по напряжению:

.

 Из формулы следует, что в линии со стоячей волной совершаются гармонические колебания напряженности электрического поля с частотой бегущей волны относительно неподвижно расположенных вдоль линии точек, в которых достигается максимальная (пучность) и минимальная (узел) амплитуда напряженности (напряжения).

Величина Г изменяется вдоль линии, как по амплитуде, так и по фазе в случае, если линия передачи неоднородна.

Для описания реакции линии передачи на возбуждение от генератора вводят понятие о полном сопротивлении Z. Оно определяется отношением векторов электрического и магнитного полей в любой точке линии передачи:

.

Здесь учтена смена знака в знаменателе выражения в связи с тем, что направление электрического поля не изменяется при отражении, а направление напряженности магнитного поля меняется на противоположное.

В это выражение вводят обозначение - , которое называют волновым сопротивлением линии. При коэффициенте отражения равном нулю полное сопротивление линии передачи, нагруженной на оконечную нагрузку, равно волновому сопротивлению

Порядок выполнения работы

Для нахождения величины ослабления СВЧ волны в каком-либо элементе необходимо предварительно прокалибровать СВЧ тракт. Для этого производят соединение направленных детекторных секций таким образом, как показано на рис. 8.

Калибровка по мощности

Затем устанавливают уровень мощности СВЧ сигнала. Для этого:

· устанавливают переключатель пределы в положение «ПАД»;

· устанавливают уровень мощности ручкой «Уровень» таким образом, чтобы в исследуемом диапазоне не было больших провалов мощности, поступающей от генератора СВЧ.