Файл: [Kostyurina_A.G.,_Kushnirenko_E.A.,_Lebedev_V.A.,_(BookFi.org).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.08.2025
Просмотров: 500
Скачиваний: 0
www.phys.nsu.ru
wwwРис. 6. Распределение.physконцентрации и электрического.nsuполя в дипольных.ru доменах Ганна: а - симметричный домен при высокой равновесной концентрации электронов ; б - несимметричный домен при достаточно низкой равновесной концентрации электронов ; - поле до образования домена; - полное поле в
домене; - поле вне домена; -ширина домена.
Если такой образец (диод Ганна) поместить в резонатор с собственной частотой
порядка, то колебания тока с частотой в диоде будут возбуждать в резонаторе интенсивные электромагнитные колебания на той же частоте. Возникшее СВЧ поле в резонаторе будет, в свою очередь, оказывать стабилизирующее воздействие на периодический процесс возбуждения и гашения домена.
Рис. 7. Форма тока в диода Ганна при прохождении доменов через образец
Система, состоящая из резонатора с помещенным в нем диодом Ганна, называется генератором Ганна.
wwwГенераторы Ганна.physв настоящее время широко.используютсяnsuв измерительной.ru
wwwаппаратуре в диапазоне.частотphysот 1 до 250 ГГц с выходной.nsuмощностью от сотен.ru микроватт до нескольких ватт. Дальнейшее повышение частот в диодах Ганна ограничивается принципиальными физическими трудностями.
В заключение отметим, что спектр токовых неустойчивостей в СВЧ диапазоне полупроводниковой плазмы достаточно широк и в целях создания генераторов СВЧ колебаний могут быть использованы лавинно-пролетная неустойчивость, туннельный эффект, неустойчивость поверхностных ленгмюровских волн и т.д.
Методы генерации СВЧ колебаний, рассмотренные в данном приложении, подробно освещены в работах /15 - 20/.
www.phys.nsu.ru
www.phys.nsu.ru
wwwЛабораторная работа.phys6.1 .nsu.ru
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЕХНИКЕ СВЧ
К СВЧ диапазону электромагнитного излучения обычно относят область частот от 109 Гц до 3 1011 Гц, соответствующую длинам волн от 30 см до 1 мм.
Большая по сравнению с видимым светом длина волны СВЧ излучения делает простыми и наглядными эксперименты, относящиеся к изучению законов физической оптики, и облегчает студентам постановку и проведение самостоятельных экспериментов. Для успешной работы в практикуме необходимы хорошее понимание принципа действия основных элементов и узлов СВЧ техники и практическое освоение приемов работы с ними, умение получать и регистрировать излучение с заданными параметрами (длиной волны, частотой, поляризацией, интенсивностью, формой фронта и т.п.) и измерять эти параметры.
Цель работы.
Знакомство с такими элементами и устройствами СВЧ техники, используемыми в практикуме, как:
www- генератор и.приемникиphysСВЧ диапазона; .nsu.ru - волноводы, согласующие и регулирующие элементы;
- измерители частоты и длины волны.
Принцип действия и назначение этих элементов и устройств подробно описаны в приложениях 4, 5, 6.
Задание 1. Изучение работы клистронного генератора
1.1.Соберите схему, изображенную на рис. 1. Исходное состояние приборов: ручки аттенюаторов 6, 7 в крайнем левом положении (минимум затухания); чувствительность осциллографа 10 -(5 - 20) мВ/дел.; измерительная линия 17 нагружена на согласованную нагрузку.
1.2.Включите источники накала 2 и напряжения отражателя 3. ВНИМАНИЕ! Блок питания резонатора 1 включите только после минутного прогрева накала.
1.5. После прогрева клистрона 4 и включения 1 регулировкой зонда 17 добейтесь устойчивой картины зон генерации клистрона на экране осциллографа (5-6 зон). Зарисуйте осциллограмму.
1.4. В режиме ручной регулировки 3 определите напряжения Uотр, соответствующие максимумам мощности зон генерации. Для наибольшей по мощности зоны генерации снимите зависимость мощности (в относительных единицах) и частоты от напряжения отражателя
.
www.phys.nsu.ru
www.phys.nsu.ru
Клистронный генератор с волноводом, аттенюаторами, измерительной линией и излучателем: 1 - блок питания резонатора (Uр ≤ 300 В); 2 - блок питания накала (Uн = 6,3 В); 3 - генератор пилообразного напряжения-блок питания отражателя (Uотр ≤ 200 В); 4 - секция клистронного генератора; 5 - частотомер со встроенным аттенюатором -6; 7 - аттенюатор типа Д5-1, Д5-5, Д5-10; 8 - фазовращатель; 9 - фильтр высокой частоты, снабженный переключателем детектора в положения "микроамперметр" или "осциллограф"; 10 - осциллограф; 11 - микроамперметр; 12 - рупор; 13 - заглушка; 14 - согласованная нагрузка; 15 - детектор; 16 - рамка c током; 17 - измерительная линия.
Задание 2. Изучение работы измерительной линии
wwwЕсли измерительная.physлиния 17 (см. рисунок) нагружена.nsuна согласованную.ru нагрузку 14, то в волноводном тракте распространяется бегущая волна. Распределение энергии вдоль линии (по оси Z) в случае бегущей волны однородно, поэтому показания детектора измерительной лини 17 не должны зависеть от перемещения зонда вдоль нее. Из-за неидеальности сочленения различных отрезков (секций) волноводного тракта и неидеальности характеристик согласованной нагрузки в местах сочленения возникает частичное отражение волн. Суперпозиция падающей и отраженных волн приводит к образовании стоячих волн. В стоячей волне распределение энергии поля вдоль волновода неоднородно и имеет максимумы (пучности) и минимумы (узлы), чередующие с пространственным периодом λ/4 (где λ - длина волны в волноводе). Чисто стоячая волна образуется лишь при равенстве амплитуд падающей и отраженной волн и постоянстве их фазовых соотношений. В противном случае образуется частично стоячая волна. Характер стоячей волны описывается коэффициентом стоячей волны КСВ или обратной величиной - коэффициентом бегущей волны КБВ /4/.
(1)
где Emax, Emin - амплитуда напряженности поля в пучности и узле соответственно.
Заметим, что в измерительной технике для оценки стоячей волны часто используют не энергетические, а амплитудные соотношения. В этом случае в формуле
(1) в правой части стоит отношение амплитуд, а не их квадратов. Определенные таким образом коэффициенты называют коэффициентами стоячей (бегущей) волны по напряжению и обозначают соответственно КСВН (КБВН). Для характеристики отражения часто используют также и другие величины: коэффициент отражения R /4/ .
www.phys.nsu.ru
(2)
и коэффициент отражения по амплитуде ρ
, (3)
где Eпад и Eотр - амплитуды падающей и отраженной волны соответственно. К сожалению, не всегда оговаривают, какой именно коэффициент отражения имеется в виду, отчего может возникнуть терминологическая путаница. Величина КСВН и ρ связаны соотношением
и . (4)
Используя формулу (4), определите ρ и R по измеренному значению КСВН.
2.1. Измерение КСВ в волноводном тракте
Измерьте КСВ для следующих видов нагрузки линии:
-согласованная нагрузка 14;
-металлическая заглушка 13;
-диэлектрическая пластина;
-открытая линия;
-аттенюатор 7 с металлической пластиной (при различной степени затухания, установленной аттенюатором).
Указание. При проведении измерений обратите внимание на смещение узлов (пучностей) относительно точки отражения. Результаты используйте для определения величины сдвига фазы волны при отражении.
2.2. Градуировка детектора
В качестве детектора в измерительной линии используются СВЧ диоды, вольтамперная характеристика которых подобна вольт-амперной характеристике диодов, используемых нами в качестве приемников поля в свободном пространстве. Обычно весьма важно знать, какой величине пропорциональны показания детектора:
напряженности поля или его интенсивности (квадрату напряженности). Измерительная линия позволяет произвести градуировку детектора, т.е. установить характер зависимости его показаний от величины напряженности электрического поля волны.
Для градуировки используется тот факт, что напряженность электрического поля в стоячей волне при КСВ = 1 описывается /4/ известной формулой
, (5)
где Eo - амплитуда напряженности поля падающей волны; λ - длина волны в волноводе; Z - координата, отсчитываемая вдоль направления распространения волны в волноводе.
wwwСнимите зависимость.physпоказаний тока детектора.nsuJд от координаты Z..Проверьтеru квадратичность характеристики детектора.
Указания.
1. За нулевой отсчет Z (Z=0) следует принять координату узла стоячей волны. Измерения провести для значений Z, изменяющихся в интервале Z ≥ λ, сняв показания, по крайней мере, в 15 точках.
2. Вольт-амперная характеристика детекторных СВЧ диодов близка к квадратичной: ток Jд, диода, помещенного в электрическое поле E волны, определяется формулой
(6)
Для выяснения соответствия ожидаемой (формула (6)) и измеренной характеристик диода постройте график зависимости J д от параметра ξ = E(Z); ξ
определяется соотношением (5), а величина Jд может быть выражена в произвольных единицах.
2.3. Изучение свойств ферритового вентиля
www1. С помощью измерительной.physлинии 17 измерьте.nsuКСВ, обусловленный.ru включением в волноводный тракт ферритового вентиля в проходном и непроходном направлениях. Вентиль подключите к выходу 17.
2. Оцените уровень пропускания вентиля в непроходном направлении. Для этого выходной конец вентиля, подсоединенного к линии в проходном направлении, заглушите металлической пластиной и сравните полученное значение КСВ с его величиной, измеренной без пластины.
Отчет по работе должен содержать:
-осциллограмму зон генерации;
-графики зависимости мощности и частоты от напряжения отражателя для выбранной зоны генерации;
-измеренные значения КСВ для рекомендованных в 2.1 нагрузок;
-графики зависимости Jд(Z) и Jд(ξ).
Контрольные вопросы
1.Определите возможный диапазон перестройки частоты клистронного генератора.
2.Каким образом можно осуществить амплитудную или частотную модуляции СВЧ колебаний, генерируемых клистроном?
3.Как должны быть расположены излучающие и неизлучающие щели на волноводе?
4.Будет ли изменяться длина волны в волноводе при изменении размера узкой
стенки волновода?
www.phys.nsu.ru
www5. Предложите способ.physизмерения диэлектрической.nsuпроницаемости диэлектрика.ru с помощью измерительной линии.
www.phys.nsu.ru
www.phys.nsu.ru
wwwЛабораторная работа.phys6.2 .nsu.ru
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СВЧ ВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Основными характеристиками электромагнитной волны является форма ее фронта, спектр, интенсивность и состояние поляризации. В СВЧ технике очень легко осуществить источник линейно поляризованной монохроматической волны. Если в волноводе возбуждена мода H10 /1/, вектор электрического поля направлен перпендикулярно широкой стенке и на открытом торце волновода (или присоединенного к нему рупора) излучается линейно поляризованная монохроматическая волна. Несколько сложнее в лабораторных условиях обеспечить в СВЧ диапазоне плоский фронт волны. Для этого применимы те же способы, что и в оптике (рис. 1).
wwwРис. 1. Методы.формированияphysплоской волны.: аnsu- ограничение участка.ruфронта волны на большом расстоянии от точечного источника; б - малая диафрагма, размещенная в фокусе линзы; в - точечный источник в фокусе параболического зеркала.
Применение метода а в условиях учебной лаборатории ограничено малой мощностью источников СВЧ излучения в соответствия с требованиями техники безопасности. Применение метода в затруднено в лабораторных условиях из-за того, что диаметр зеркала должен быть много большие длины волны излучателя. Наилучшие результаты при получении плоской волны в условиях лаборатории дает применение рупора и различного типа СВЧ линз.
В СВЧ технике важным элементом источников и приемников излучения является антенна (передающая и приемная соответственно). Именно её качество определят такие параметры излучения, как состояние поляризации, форма волнового фронта, интенсивность поля в заданной точке и т.п. Без умения обеспечить и контролировать эти параметры невозможно грамотно проводить эксперименты по физической оптике.
Цель работы
Изучение методов получения свободной электромагнитной волны СВЧ диапазона и измерения её основных параметров (длина волны, форма фронта, состояние поляризации, интенсивность).
Задания
1. Измерьте длину волны, интенсивность и состояние
поляризации СВЧ волны в свободном пространстве
www.phys.nsu.ru