7.5. Опис вимірювальної установки і порядок виконання роботи

На рис. 7.11 зображено структурну схему вимірювальної установки. Досліджуваний фільтр включають як чотириполюсник з узгодженим навантаженням. Вимірювання виконують за допомогою панорамного вимірювача КСХ типу Р2-6І, призначеного для вимірювання та відтворення на екрані ЕПТ частотних характеристик КСХ і для вимiрювання послаблення елементів хвилеводних трактів. Фільтр з узгодженим навантаженням вмикається на виході направлених відгалужувачів "падаюча – відбита".

Користуючись технічним описом та iнструкцією по експлуатації Р2-6І, необхідно підготувати прилад до вимірювань і виконати вимірювання заданих характеристик фільтрів. При проведенні вимірювань після встановлення характеристики фільтра на екрані слід звузити смугу качання до мінімально можливої, а вимірювання величин КСХ проводити на найчутливішій шкалі.

7.6. Контрольні запитання

1. Як реалізується на НВЧ еквівалентна схема у вигляді послідовного контура, ввімкненого послідовно?

2. Як вимірюється навантажена добротність?

3. Яка еквівалентна схема прохідного резонатора, ввімкненого послідовно?

4. Нарисувати структуру поля коливання Н₁₀₁ у резонаторі, виконаному на відрізку прямокутного хвилеводу.

5. Визначити найнижчий тип коливань у резонаторі.

6. Які переваги та недоліки смугових фільтрів з максимально плоскою і чебишевською характеристиками?

7. Як визначається відстань між діафрагмами в прохідному резонаторі фільтра?

8. Як вибирається відстань між резонаторами в смуговому фільтрі?

9. З яких міркувань вибирається кількість резонаторів у смуговому фільтрі?

10. Нарисувати схему вимірювальної установки для дослідження смугового фільтра.

7.7. Список використаної та рекомендованої літератури

Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая злектродинамика. Μ., 1971.

Вальднер О.А., Милованов О.С., Собенян И.П. Техника сверхвысоких частот. М., 1974.

Конструкция СВЧ-устройств и экранов / Под ред. A.M. Чернушенко. Μ., 1990.

Дьяконов В.П. Справочник по расчетам на микрокалькуляторах М., 1989.

Лабораторна робота № 8 дослідження oб'ємних резонаторів нвч

Мета роботи – вивчення резонансних властивостей i характеристик об'ємних резонаторів у сантиметровому діапазоні хвиль.

8.1. Загальні відомості

У діапазоні НВЧ важко створити коливальні контури із зосереджених елементів з високою добротністю. Тому в цьому діапазоні коливальні системи будують із елементів з розподіленими параметрами (відрізки двоправідної, коаксіальної, смужкової лінії хвилеводів та ін.). Із рівнянь Максвелла [1] випливає, що в ізольованому від зовнішнього простору об'ємі, заповненому середовищем без втрат, може існувати, як і у звичайному резонансному контурі без втрат, незатухакяий коливальний процес. Такі системи одержали назву об'ємних резонаторів. Наприклад, резонатором буде об'ем, обмежений з усіх боків металевою поверхнею (короткозамкнутий відрізок коаксіальної лінії або металевого хвилеводу). Основною перевагою об'ємного резонатора порівняно з контурами із зосереджених елементів є відсутність втрат на випромінювання через повне екранування поля стінками резонатора і втрат у діелектрику, тому що принципово введення діелектриків в середину резонатора не є необхідним. Теплові втрати в металевій оболонці резонатора також значно менші, ніж у провідниках звичайних контурів із зосереджених елементів, завдяки великій внутрішній поверхні, по якій протікають високочастотні струми.

Слід зазначити, що, на відміну від звичайних контурів, об'ємні резонатори резонують не на одній частоті, а на нескінченній множині дискретних частот, причому кожній резонансній частоті відповідає певна структура поля в резонаторі. Нижнім коливанням називають таке, якому при заданих розмірах резонатора відповідає певна структура поля в резонаторі при мінімальній резонансній частоті. Якщо резонансні частоти двох або декількох видів коливань однакові між собою, то такі види коливань називаються виродженими. Основними параметрами, що характеризують об'ємні резонатори, є: 1) резонансна довжина хвилі (або резонансна частота f_p); 2) добротність Q; 3) активна провідність G. У загальному випадку резонансну довжину хвилі та структуру поля в об'ємному резонаторі знаходять, розв'язуючи хвильове рівняння за граничних умов, які визначаються формою та геометричними розмірами резонатора. Розв'язання такої задачі суттєво спрощується, якщо резонатор утворений із відрізка лінії передачі з відомою структурою електромагнітного поля.

Добротність об'ємного резонатора визначається за формулою:

, (8.1)

де W_ср – середнє за період значення енергії, яка запасається в резонаторі;

ΔW – зміна енергії, яка запасається в резонаторі за період.

У загальному випадку втрати в резонаторі дорівнюють:

, (8.2)

де W_cp – енергія втрат за період коливань в оболонці резонатора;

∆Wg – енергія втрат за період коливань у середовищі, що заповнює резонатор;

∆W_E – енергія, що віддається резонатором у зовнішні пристрої;

∆W_випр – енергія, що випромінюється.

Основним параметром є власна, або ненавантажена добротність Q_o, що визначаеться як відношення енергії яка запасається в: системі, до енергії втрат за період коливань тільки всередині резонатора. На відміну від неї, навантажена добротність Q_н враховує розсіювання енергії як в резонаторі, так і у підвідних колах. Зрештою, відношення енергії, яка запасається, до втрат за період тільки у зовнішніх кодах визначає так звану зовнішню добротність Q_зовн. Між названими видами добротності існує певний зв'язок:

У техніці НВЧ широко поширені об'ємні резонатора у вигляді короткозамкнутих відрізків регулярних ліній передачі. У цьому випадку резонатор утворюється відрізком лінії передачі довжино ℓ, з обох боків замкнутим накоротко за допомогою iдеально провідних металевих пластин, перпендикулярних до поздовжньої осі лінії. При збудженні коливань у такому резонаторі вздовж його осі встановлюється стояча хвиля, в якій відповідно до граничних умов на торцевих закорочуючих пластинах знаходяться вузли поперечної складової напруженості електричного поля. Тому довжина об'ємного резонатора дорівнює цілому числу півхвиль коливання, що поширюється по регулярній лінії передачі:

, (8.3)

де ρ = 1, 2, 3, ..., .

Підставивши сюди вираз для , визначимо резонансну довжину хвилі резонатора:

, (8.4)

де λ_кр – критична довжина хвилі, що поширюється по лінії передачі;

ρ – кількість півхвиль стоячої хвилі, яка встановлюється вздовж осі резонатора.

Класифікація коливань у таких об'ємних резонаторах здійснюється відповідно до типу хвилі. Щоб розрізняти коливання з різною кількістю півхвиль, вводять додатковий індекс ρ, що дорівнює кількості півхвиль у стоячій хвилі. Оскільки в передавальних лініях можуть поширюватись хвилі ТЕМ, H_mn, E_mn, то в резонаторах існують коливання видів ТЕМ _p, H_mnp, E_mnp. Виходячи з граничних умов, неважко показати, що для коливань ТЕМ_р і H_mnp індекс ρ > 1, а для E_mnp > 0.

Як і у випадку хвилеводів, як елементи зв'язку з об'ємними резонаторами застосовують електричні та магнітні вібратори, отвори зв'язку. Знаючи структуру потрібного коливання в резонаторі, легко вибрати орієнтацію збуджуючого штиря або рамки.

Отвір зв'язку слід прорізати в такому місці об'ємного резонатора, де є або максимум нормальної до площини отвору електричної складової поля, або максимум дотичної до площини отвору складової магнітного поля.

На рис. 8.1 показано деякі приклади збудження об'ємних резонаторів, а на рис. 8.2 – структури електричних і магнітних полів у коаксіальному півхвильовому, прямокутному і циліндричному резонаторах.