POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI |
Sprawozdanie z ćwiczeń Nr 59
|
|
Grekuliński Artur |
Temat: Badanie propagacji fali elektromagnetycznej w zakresie mikrofalowym. |
|
Wydział Elektroniki Rok I |
Data: 11-03-'96 |
Ocena:
|
WPROWADZENIE:
Falą mikrofalową nazywamy falę o długości do kilku centymetrów (tzw. pasmo X). Ta długość jest korzystną własnością, gdyż jest porównywalna z rozmiarami badanego obiektu. Fala elektromagnetyczna o długości około 3cm (częstotliwość około 10 GHz) jest generowana przez klistron refleksowy i przez element sprzęgający wyprowadzana do falowodu prostokątnego a z niego po przez antenę (tubę) na zewnątrz. Do detekcji takiej fali służy ostrzowa dioda półprzewodnikowa a podłączony do niej miernik wskazuje napięcie (lub prąd) proporcjonalny do mocy mikrofalowej absorbowanej przez tę diodę.
UKŁAD POMIAROWY:
Układ pomiarowy składa się z układu nadawczego (głowica klistronu, tłumik, tuba nadawcza, zasilacz), układu odbiorczego (tuba odbiorcza, głowica detekcyjna, miernik napięcia), oraz z ławy pomiarowej. Ława pomiarowa ma możliwość zmiany kąta po między ramionami, oraz pozwala ustawiać odległości miedzy odbiornikiem a nadajnikiem.
Klistron refleksowy: pozwala generować falę o częstotliwości około 9*109 Hz. Ma postać bańki szklanej w której umieszczone są: anoda (wnęka rezonansowa), katoda (emituje elektrony), reflektor (wychamowuje i odbija elektrony), wyjście wcz. przez które jest wyprowadzane promieniowanie. Zależność mocy klistronu od napięcia reflektorowego przy ustalonym napięciu anodowym ma postać:
Wynika z tego że tylko w pewnym zakresie napięć reflektorowych moc uzyskiwana jest maksymalna.
Zasilacz klistronu: dostarcza niezbędnych napięć do pracy klistronu. Są to trzy niezależne źródła do zasilania obwodu żarzenia, obwodu wnęki rezonansowej - katoda, obwodu reflektor - katoda. Zasilacz umożliwia płynną regulację tych napięć.
Tłumik: jest odcinkiem falowodu prostokątnego z wmątowaną podłużnie płetwą z materiału absorbcyjnego służącą do płynnej regulacji mocy mikrofalowej.
Głowica detekcyjna: jest odcinkiem falowodu na początku którego znajduje się tuba odbiorcza a na osi umieszczona jest dioda detekcyjna. Do pomiaru przestrzennego rozkładu pola służy detektor punktowy ( dioda detekcyjna bez tuby odbiorczej). Dioda mikrofalowa charakteryzuje się bardzo małą pojemnością i indukcyjnością doprowadzeń oraz krótkim czasem przejścia elektronów przez barierę potencjału. Uzyskujemy w ten sposób stałe napięcie które jest mierzone podłączonym woltomierzem.
ZASADA POMIARU:
W takim układzie pomiarowym możłiwy jest pomiar bądz to ogólnego zmniejszenia wartości fali magnetycznej (spadek mocy P, w stosunku do mocy maksymalnej P0), lub pomiar rozkładu przestrzennego pola elektrosttycznego za badanym obiektem. W pierwszym z przypadków użyjemy detektora z tubą, natomiast badanie charakterystyki kierunkowej bedzie wyznaczane z pomiarów za pomocą detektora punktowego.
PRZEPROWADZANIE I WYNIKI POMIARÓW:
UWAGA: Pomiary napięcia są przeprowadzane na mierniku cyfrowym na zakresie 100 mV.
1.) Pomiar pola elektromagnetycznego dla różnych ustawień siatki metalowej oraz głowicy emitującej fale:
a) Nadajnik fali ustawiony pionowo, detektor fali w formie tuby detekcyjnej, odległość odbiornika (O) od nadajnika (N) l=540mm:
napięcie po miedzy N a O bez ustawionej przeszkody: U=7,30 mV
siatka ustawiona pionowo U=1,00 mV
siatka ustawiona poziomo U=6,10 mV
siatka ustawiona pod skosem 45o U=2,33 mV
b) Nadajnik fali ustawiony poziomo, detektor fali w formie tuby detekcyjnej, odległość odbiornika (O) od nadajnika (N) l=540mm:
napięcie po miedzy N a O bez ustawionej przeszkody: U=0,03 mV
siatka ustawiona pionowo U=0,01 mV
siatka ustawiona poziomo U=0,01 mV
siatka ustawiona pod skosem 45o U=2,15 mV
2.) Badanie kierunku polaryzacji fali:
Nadajnik fali ustawiony pionowo, elementem detekcyjnym jest detektor punktowy. Po między odbiornikiem a nadajnikiem nie ma żadnej przeszkody.
Pomiar napięcia gdy detektor punktowy jest w pozycji pionowej U=1,73 mV
Pomiar napięcia gdy detektor punktowy jest w pozycji poziomej U=0,02 mV
WNIOSEK: Fale w tym przypadku jest spolaryzowana PIONOWO.
3.) Wyznaczenie charakterystyki kierunkowej.
Układ pomiarowy składa się z nadajnika, soczewki skupiającej, metalowej siatki umieszczonej za soczewką w pozycji pionowej, detektora punktowego umieszczonego na wychyłowym ramieniu. Pomiar napięcia był wykonywany dla dwóch odległości N od O (200mm i 400mm).
|
l=200 mm |
l=400 mm |
|
U1 [mV] |
U2 [mV] |
40.0 |
0.05 |
0.01 |
37.5 |
0.03 |
0.01 |
35.0 |
0.09 |
0.03 |
32.5 |
0.10 |
0.07 |
30.0 |
0.10 |
0.04 |
27.5 |
0.15 |
0.04 |
25.0 |
0.20 |
0.07 |
22.5 |
0.35 |
0.11 |
20.0 |
0.50 |
0.10 |
17.5 |
0.55 |
0.10 |
15.0 |
0.70 |
0.12 |
12.5 |
0.90 |
0.15 |
10.0 |
0.95 |
0.20 |
7.5 |
0.90 |
0.07 |
5.0 |
0.55 |
0.10 |
2.5 |
0.37 |
0.13 |
0.0 |
0.27 |
0.17 |
-2.5 |
0.36 |
0.28 |
-5.0 |
0.49 |
0.20 |
-7.5 |
0.54 |
0.15 |
-10.0 |
0.49 |
0.12 |
-12.5 |
0.60 |
0.20 |
-15.0 |
0.35 |
0.07 |
-17.5 |
0.30 |
0.23 |
-20.0 |
0.27 |
0.06 |
-22.5 |
0.25 |
0.06 |
-25.0 |
0.13 |
0.10 |
-27.5 |
0.08 |
0.07 |
-30.0 |
0.10 |
0.07 |
-32.5 |
0.10 |
0.05 |
-35.0 |
0.09 |
0.03 |
-37.5 |
0.10 |
0.07 |
-40.0 |
0.09 |
0.02 |
Wyznaczenie współczynnika transmisji:
Współczynnik transmisji zdefiniowany jest wzorem gdzie P jest mocą promieniowania mierzoną dla układu z przeszkodą, natomiast P0 jest mocą dla układu bez przeszkody. Napięci U i U0 są odpowiadają mocom P i P0. Współczynnik T jest wielkością bezwymiarową.
a) Wyznaczanie współ. transmisji wg. wyników doświadczenia 1a:
= = 0,13698 = 0,137 - dla siatki ustawionej pionowo
T= 0,83561 = 0,836 - dla siatki ustawionej poziomo
T= 0,31917 = 0,320 - dla siatki ustawionej pod skosem
Wyznaczanie współ. transmisji wg. wyników doświadczenia 1b:
T= 0,33333 = 0,333 - dla siatki ustawionej pionowo
T= 0,33333 = 0,333 - dla siatki ustawionej poziomo
T= 71,6666 = 71,67 - dla siatki ustawionej pod skosem
Wniosek:
Jak wynika z pomiarów współczynnik transmisji jest o wiele większy dla prętów ustawionych poziomo (w stosunku do pionowo ustawionego nadajnika). Dzieje się tak dlatego gdyż wektor natężenia pola drga właśnie w kierunku pionowym, a przez to wzbudza prądy wirowe tylko w przekroju pręta. Dzięki temu że przekrój pręta jest niewielki to i prądy indukowane są niewielkie więc i straty mocy także. Gdy metalowe pręty są w położeniu pionowym (zgodnym z kierunkiem wektora E), to na całej długości indukują się prądy wirowe i straty mocy są o wiele większe. Z tego możemy wnioskować, że przy prętach ustawionych pod skosem współczynnik transmisji będzie się zawierał po miedzy tymi dwiema wartościami (maksymalną - dla prętów poziomych i minimalną - dla pionowych), co zostało potwierdzone w doświadczeniu.
W przypadku gdy nadajnik jest w pozycji poziomej obserwujemy minimalne wartości współczynnika transmisji dla siatki ustawionej poziomo lub pionowo.Współczynnik transmisji dla siatki ustawionej pod skosem jest o wiele większy.
Wniosek dla pomiaru charakterystyki kierunkowe:
Jak wynika z załączonego wykresu rozkład natężenia pola elektromagnetycznego za metalową siatką zmienia się bardzo dynamicznie. Siatka w pozycji pionowej powoduje silne tłumienie przechodzącego przez nią pola czego dowodem są bardzo małe wartości mierzonego napięcia. Taki rozkład pola w przestrzeni wynika z tego, że mimo silnej absorbcji część fali przechodzi siatkę. Dla małych odległości jest to bardzo wyraźne, natomiast dla większych - różnice te się zacierają. Po mimo tego widzimy pewną analogię po miedzy wykresami dla różnych odległości od siatki.
Dyskusja i ocena błędów:
Pomiary napięcia były wykonywane miernikiem cyfrowym na zakresie 100mV, dokładności wartości mierzonej 0,05% + 0,01% mierzonego zakresu. Ponieważ wyniki pomiarów były bardzo małe (w stosunku do zakresu miernika), więc są obarczone dużymi błędami. Duży wpływ na pomiary miało otoczenie w którym wykonywano doświadczenie, gdyż nie tak łatwo wyeliminować wpływ fal zakłócających pochodzących od innych źródeł. Należy też zaznaczyć że podczas pomiaru charakterystyki kierunkowej dla odległości 400mm nastąpiło lekkie przekrzywienie metalowej siatki co mogło mieć wpływ na wyznaczenie charakterystyki kierunkowej. Po mimo tak dużych błędów, ta metoda wykonania tego doświadczenia jest w zupełności wystarczająca, do zaobserwowania i zrozumienia zjawiska rozchodzenia się fali o zakresie mikrofalowym.