Характеристика кольцевых систем СВЧ-диапазона в режиме бегущих и стоячих волн

Отчет по практике

Реферат

Отчет по ознакомительной практике содержит: 12 страниц, 7 рисунков.

Ключевые слова: генератор качающейся частоты (ГКЧ), направленный ответвитель (НО), измерительная линия (ИЛ), вентиль, коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН), резонансная система (РС), СВЧ- волна, резонанс бегущей волны, резонанс стоячей волны, волноводный тракт, коаксиальная линия.

В работе была исследована частотная характеристика кольцевых систем СВЧ - диапазона в режиме бегущих и стоячих волн.

Введение

Для студентов, специализирующихся в области медицинской электроники наряду с глубоким усвоением теоретических знаний по фундаментальным и прикладным наукам, необходимо приобретение практических навыков, связанных с эксплуатацией, диагностикой неисправностей и ремонтом современной медицинской аппаратуры. В современной медицине широкое применение находят различные методы электротерапии, в том числе СВЧ - терапии. Поэтому будущим специалистам необходимы практические навыки измерения характеристик высокочастотных электромагнитных полей, работы со стандартной радиоизмерительной аппаратурой, используемой при проверке работоспособности и ремонте медицинской техники, а также знание наиболее распространенных видов используемой медицинской аппаратуры и её основных параметров. Ознакомительная практика является одним из видов практической подготовки студентов и представляет собой ряд комплексных лабораторных занятий, сочетаемых с обзорными лекциями и другими видами учебного процесса.

Ознакомительная практика проводилась в период с 15.07.10г.г. по 14.08.10г.г. в лаборатории кафедры радиофизики и электроники. В процессе практики выполнил задания экспериментального характера, связанных с измерением различных параметров СВЧ элементов и излучающих устройств.

Ознакомительная практика включала в себя следующие виды работ:

- Теоретические занятия (обзорные лекции)

- Инструктаж по технике безопасности, в том числе при работе с источниками СВЧ излучения

- Выполнение индивидуальных заданий

- Составление отчета по практике

Целью практики является экспериментальное исследование физических процессов и явлений, имеющих место в медицинской аппаратуре и ознакомление с аппаратным и программным обеспечением при проведении натурного и вычислительного эксперимента.

За время прохождения ознакомительной практики усвоил и осознал задачи инженера-физика по диагностированию неисправностей и проверке работоспособности различных видов медицинской аппаратуры. Приобрел практические навыки измерения различных радиотехнических параметров, в том числе связанных с излучением и канализацией электромагнитных волн СВЧ диапазона.

В ходе прохождения практики была выполнена лабораторная работа: «Изучение интерференции волн в трактах. Бегущая и стоячая волны ».

Цель: изучение процессов в замкнутом волноводном тракте.

Приборы и принадлежности: генератор качающейся частоты(ГКЧ), индикатор КСВН и ослабления, диафрагмы ножевого типа, кольцевой волноводный тракт, аттенюатор, подставка с движущейся платформой.

1.Описание установки и теоритические сведения

Поляризация и наложение волн.

Для описания ориентации волны, распространяющейся в заданном направлении, существует понятие поляризации. Плоскостью поляризации называют плоскость, проходящую через направление распространения и параллельную вектору . Таким образом, всякое наложение двух волн с произвольными амплитудами и фазами есть также некоторая электромагнитная волна. Любая из плоскостей, проходящих через ось , может в равной мере быть плоскостью поляризации.

Существенно, что при распространении волны плоскость ее поляризации может и не оставаться неподвижной, т. е. волна может изменять свою ориентацию относительно направления распространения. Действительно, рассмотрим электрические поля двух ортогонально поляризованных волн одного направления и составим их наложение

(1)

Если фазы волн совпадают

( и ),

то, как легко убедиться, наложение волн есть волна, поляризованная в неподвижной плоскости, составляющей угол

с плоскостью поляризации первой волны. Это плоская, или линейная, поляризация.

Картина оказывается иной, если фазы налагающихся волн различны. Пусть, например, при одинаковых амплитудах () фазовое различие составляет . Полагая в (22)

и , определим вектор как

(2)

Определяя угол , указывающий положение плоскости поляризации волны, имеем

(3)

т.е. угол наклона вектора к оси не остается постоянным в пространстве и времени, а равен

.

Как видно, в каждой фиксированной плоскости вектор вращается с угловой скоростью , а в фиксированный момент времени распределение поля вдоль оси таково, что конец вектора «скользит по винтовой линии». Это волна круговой поляризации, точнее, левой круговой поляризации. Правая круговая поляризация соответствует случаю и (вращение в противоположном направлении).Наложение противоположно направленных волн одинаковых амплитуд вызывает процесс, называемый стоячей волной. Особенностью электромагнитной стоячей волны является характерное пространственное и фазовое смещение распределений и .Рассмотрим, например, стоячую волну, поляризованную в плоскости , Положив и находим

 (4)

или, переходя от комплексных амплитуд к векторам поля в случае идеального диэлектрика (, ):

(5)

Узлы (или пучности) стоячих волн векторов и сдвинуты на четверть волны. Во времени же эти поля смещены на по фазе. Такая стоячая волна в среднем не переносит энергии, как легко убедиться, вычисляя среднюю величину вектора Пойнтинга.

Резонанс бегущей и стоячей волны в волноводе.

При измерениях в кольцевой системе, составленной из волноводных отрезков, в режиме бегущих и стоячих волн схема экспериментальной установки выглядит следующим образом (Рис. 1)

Рис.1. Волноводная кольцевая система

Волноводное кольцо выполнено из отрезков прямоугольного волновода. В состав кольца включены два направленных ответвителя для ввода излучения в кольцо и ответвления части мощности в детектор. Поворотные элементы выполнены в виде уголков с отражающей площадкой.

На рисунке 2 представлена частотная зависимость КБВ кольцевой системы в данном исполнении.

Рис. 2. КБВ кольцевой системы.

Характерной особенностью данной частотной зависимости является ее резонансный характер. Данное обстоятельство определяется резонансным характером отражения от неоднородностей в волноводе. Как известно, при расположении неоднородностей на расстоянии в четверть длины волны в волноводе отраженные от них волны в обратном направлении оказываются в противофазе, при интерференции взаимно подавляются, и потому отраженная волна в тракте отсутствует. В волноводном кольце устанавливается режим бегущих волн. Для описанной системы резонансной частотой является частота 6,5 ГГц.

В связи необходимостью осуществления режима бегущих волн в широком диапазоне система была изменена (рис. 3). Уголковые поворотные элементы были заменены на плавные переходы, кроме того, для повышения рабочей частоты уменьшено сечение волноводного кольца.

Рис. 3 Схема экспериментальной установки

Основными элементами системы являлись генератор качающейся частоты, индикатор, два направленных ответвителя, детекторная секция и собственно волноводное кольцо.

Генератор качающейся частоты предназначен для использования в качестве источника СВЧ сигнала в составе панорамного измерителя коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) типа Р2-53.

Принцип действия ГКЧ 53 включает в себя блок управления и блок СВЧ №4 5,6-8,3Ггц.

Сменный блок СВЧ вставляется в блок управления и соединяется с последним электрически через разъем.

Основным блоком СВЧ является генератор СВЧ, включающий в себя генераторную головку, стабилизатор напряжения и вентиль.

Генераторная головка выполнена на диоде Гана, генерирующем в диапазоне частот от 5,6 до 12,05 Ггц.

В качестве перестраиваемого высокодобротного контура генератора используется сфера из монокристалла феррита с двумя витками связи, помещенными в поле тороидального электромагнита.

Перестройка частоты генератора в широком диапазоне осуществляется изменением величины магнитного поля, создаваемого электромагнитом при изменении величины тока, протекающего в его катушке.

Зависимость между величиной магнитного поля, а следовательно и между величиной тока, протекающего по катушке электромагнита с частотой генерации прямопропорциональная.

Стабилизатор напряжения предназначен для подачи на диод Ганна напряжения смещения, преобразованного из напряжения постоянного тока (12,6 В) и управляющего напряжения (0-10 В).С целью улучшения амплитудно-частотной характеристики требуется устанавливать оптимальное значение напряжения смещения, линейно падающее от -15 до -6 В, что и обеспечивается управляемым стабилизатором напряжения.Для исключения влияния внешней цепи СВЧ тракта на режим генерации на выходе генераторных головок установлен развязывающий вентиль. На выходе генератора СВЧ установлены фильтры нижних частот, ограничивающие прохождение гармоник.

Вентиль в волноводном тракте не используется, так как направленный ответвитель имеет высокую степень направленности и исключает распространение волны в обратном направлении. Распределение поля, рассматриваемое как функция частоты (Рис. 4.4), где 1- режим бегущей волны, 2- режим стоячей волны.

В качестве регистрирующего элемента использовался Индикатор КСВН и ослабления Р2-67.

Индикатор КСВН и ослабления Я2Р-67 предназначен для использования в составе панорамных измерителей КСВН и ослабления.

Рабочая частота измеряемого сигнала 100±1 кГц. Уход уровня калибровки при изменении частоты в пределах 100 ± 1 кГц не более ± 0,05 дБ.

Пределы измерения ослабления от 0 до минус 35 дБ, пределы измерения КСВН --от 1,035 до 5.

Пределы индикации ослабления -- от 0 до минус 40 дБ.

Пределы индикации КСВН -- от 1,02 до °°.

Несоответствие шкал КСВН линейной шкале dB не более ±0,05 дБ в пределах, соответствующих рабочему участку шкалы dB от минус 5 дБ до плюс 2 дБ.

Диапазон входных напряжений канала падающей волны 0,03--10 мВ. При этом уровень напряжения в каналеотраженной волны должен быть не менее 1 мкВ.

Уход показаний индикатора при изменении уровня входного сигнала во всем диапазоне входных напряжений канала падающей волны не более ±0,2 дБ, а в положении переключателя ПРЕДЕЛЫ 30 не более ±0,3 дБ.

Погрешность измерения напряжения канала падающей волны в пределах от 0,4 до 10,0 мВ не более 15%.

Усиление напряжения падающей волны для системы АРМ не менее 15 раз.

Пределы измерения ослабления от 0 до -35 дБ, пределы измерения КСВН --от 1,035 до 5. Пределы индикации ослабления -- от 0 до -40 дБ. Пределы индикации КСВН -- от 1,02 до .

В основу построения структурной схемы панорамного измерителя КСВН и ослабления положен принцип раздельного выделения и непосредственного детектирования сигналов падающей и отраженной волн. Способ раздельного выделения падающей и отраженной волн заключается в следующем.

Сигнал, пропорциональный мощности, падающей на нагрузку, выделяется направленным ответвителем (или мостовым рефлектометром) падающей волны. Сигнал, отраженный от исследуемой нагрузки, выделяется направленным ответвителем (или мостовым рефлектометром) отраженной волны.

СВЧ сигнал, поступающий на исследуемую нагрузку, промодулирован частотой 100 кГц. Ввиду этого, на выходах детекторов, детектирующих сигналы, пропорциональные мощности отраженной и падающей волн, имеется напряжение частотой 100 кГц. Эти напряжения используются в индикаторе для определения измеряемой величины.

Из принципа работы всего комплекса следует, что в индикаторе должно осуществляться усиление напряжений падающей и отраженной волн -(на частоте модуляции СВЧ сигнала), деление их, детектирование, визуальная индикация на экране ЭЛТ и непосредственный отсчет по шкальному устройству. Кроме того, в индикаторе имеются схемы, обеспечивающие логарифмический режим работы, компенсацию неидентичности частотных характеристик СВЧ трактов, индикацию частотой метки, а также выдачи управляющих сигналов при работе с цифровым блоком.

На вход индикатора подавался сигнал, снимаемый либо с направленного ответвителя, либо с детекторной головки измерительной линии в зависимости от задачи исследования. Поскольку в индикаторе производится автоматическая нормировка сигнала, для получения опорного сигнала применялась детекторная секция на входе в направленный ответвитель.

Мощность вводилась в систему через направленный ответвитель, который являлся составляющим элементом кольцевой системы.

Вентиль в волноводном тракте не используется, так как направленный ответвитель имеет высокую степень направленности и исключает распространение волны в обратном направлении. Распределение поля, рассматриваемое как функция частоты (Рис. 4), где 1- режим бегущей волны, 2- режим стоячей волны.

6200 7200 7800f, МГц

Рис. 4 Распределение амплитуды поля, как функция частоты

На рисунке 5 представлена осциллограмма с экрана индикатора, на которой показана картина распределения амплитуды поля по частоте в обоих режимах. Видно, что интервал между соседними максимумами уменьшается ( их число возрастает вдвое) и одновременно падает амплитуда в максимуме, что свидетельствует об уменьшении добротности в режиме стоячих волн.

Рис. 5 Распределение поля, как функция частоты (1- режим бегущей волны, 2- режим стоячей волны)

Контроль режима осуществлялся при помощи измерительной линии, включенной в состав волноводного кольца. На рис 6 и 7 соответственно представлены частотные зависимости КСВН в волноводном кольце в обоих режимах. Очевидно, что на высоких частотах ( выше 6,5 ГГц), что обусловлено сечением волновода, режим с большой достоверностью можно считать режимом бегущей волны, т.к. значение КСВН для этих частот не превышает 1,8, в то время, как в режиме стоячей волны в этом диапазоне КСВН 2102.

Рис.6. КСВН волноводной кольцевой системы в режиме бегущих волн

Рис. 7. КСВН волноводной кольцевой системы в режиме стоячих волн

2. Порядок работы

1.Включаем генератор качающейся частоты и даём ему время на прогрев.

2.Проверяем целостность волноводного тракта и его строгую ориентацию в горизонтальной плоскости.

3.Включаем тумблер подачи СВЧ сигнала на генераторе качающейся частоты.

4.На экране индикатора КСВН и ослабления наблюдаем распределение поля как функцию зависящую от частоты в режиме бегущих волн.

5.Для наблюдения волн в стоячем режиме необходимо в одно из плеч волновода поместить пластинку.

6. На экране индикатора КСВН и ослабления наблюдаем распределение поля как функцию зависящую от частоты в режиме стоящих волн.

Заключение

В ходе прохождения практики мной были экспериментально исследованы физические процессы и явления, имеющие место в медицинской аппаратуре.

Было произведено ознакомление с аппаратным и программным обеспечением при проведении натурного и вычислительного эксперимента.

Кроме того в процессе практики ознакомился с следующими видами работ:

1.Теоретические занятия (обзорные лекции)

2.Инструктаж по технике безопасности, в том числе при работе с источниками СВЧ излучения

3.Выполнение индивидуальных заданий

4.Составление отчета по практике