Исследование режимов работы прямоугольного волновода. Исследование режимов работы

Лабораторная работа №1


Тема: Исследование режимов работы прямоугольного волновода. Исследование режимов работы коаксиального волновода. Исследование режимов работы волноводного направленного ответвителя.


Цель работы: изучение структуры поля волны Н10 в прямоугольном волноводе и расчѐт основных параметров этой волны, приобрести знания особенностей распространения электромагнитных волн в коаксиальном волноводах и изучить свойства волноводного направленного ответвителя и приобрести навыки определения его параметров.


Теоретическая часть
Общие свойства электромагнитных волн в линиях передачи
I.Исследование режимов работы прямоугольного волновода.

В диапазоне сверхвысоких и крайне высоких частот (частота f>1 ГГц) в качестве линий передачи широко используются полые металлические трубы и диэлектрические стержни с различной формой поперечного сечения. На рисунке 1.1 схематически показаны их основные типы. Такие линии передачи называются волноводами. Диэлектрические волноводы используются также и в оптическом диапазоне частот и называются световодами.

Образование волноводной волны

Прямоугольный волновод (рисунок 1.3) представляет собой металлическую трубу прямоугольного сечения, полую или заполненную диэлектриком, предназначенную для передачи мощности СВЧ.
Цифра 1 в записи H10 означает, что все составляющие электромагнитного поля имеют одну вариацию поля вдоль оси oх. Цифра 0 означает, что все компоненты поля имеют постоянное распределение вдоль оси oy (0 вариаций).
Прямоугольный волновод

1.2. Домашний расчѐт:

Чтобы в волноводе создался одноволновой режим, его размеры должны удовлетворять условию a< λ< 2a, где a – большая сторона прямоугольного волновода.

Дано: Гц – рабочая частота
Длина волны в волноводе – это расстояние между двумя ближайшими точками вдоль оси волновода, фазы колебаний которых отличаются на 2π.
Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная или абсолютная диэлектрическая проницаемость) ε описывает способность материала к поляризации электрическими полями и определяется следу- ющим образом:

Здесь ε_r — относительная проницаемость, а ε₀ — электрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость вакуума).

Исследование режимов работы коаксиального волновода.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Волны в направляющих системах
В дециметровом и сантиметровом диапазонах, в основном, используются линии передачи закрытого типа, в которых вся энергия сосредоточена в пространстве, экранированном от внешней среды металлической оболочкой. Общие свойства электромагнитных волн в линиях передачи.
Магнитными или волнами Н, называют волны, у которых вектор магнитного поля, помимо поперечных составляющих, имеет продольную составляющую. Продольная составляющая вектора электрического поля равна нулю (Нz≠0, Еz=0). Волны класса Н иногда называют поперечными электрическими волнами ТЕ.
В любой направляющей системе возможно существование большого числа типов волн (из классов Е и Н), количество которых зависит от выбора рабочей длины волны λр (расстояние, на котором фаза волны изменяется на 2π называется длиной волны).


К объяснению разницы длины волны в волноводе и в воздухе.


1Домашний расчет:

Рассчитать значения волнового сопротивления Zв, фазовой Vф и групповой Vгр скоростей и длины волны Λ в волноводе в одноволновом режиме

где с – скорость света в вакууме; с = _{√𝗌 𝜇}

1
D – диаметр оплетки коаксиального кабеля;
d – диаметр центральной жилы коаксиального кабеля.


ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Направленный ответвитель (НО) – прибор, служащий для ответвления из основного высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях. Простейшим НО является узкополосным. Он выполнен следующим образом.

Домашный расчѐт направленного ответвителя с электромагнитной связью

По рассчитанной ранее величине переходного ослабления С₁₃=14 определит амплитудный коэффициент связи k_св пользуясь следующей формулой

Найти характеристические сопротивления чѐтного Z_чет и нечѐтного Z_неч типов колебаний по формулам

Где Z -- сопротивление входных и выходных плеч направленного ответвителя, по условию равное 50 Ом.

Используя полученные ранее значения для характеристических сопротивлений и для выбранной конфигурации направленного ответвителя, вычислит его геометрические размеры, исходя из следующих соотношений

Где d -- толщина диэлектрической подложки, выбранная нами ранее, равная 2 мм;

ε -- диэлектрическая проницаемость среды (ε = 5).