4. Описание лабораторной установки

Измерение электрических характеристик МА, в частности, ее диаграммы направленности, производится в однородном квазистатическом электромагнитном поле (так называемом поле Гельмгольца), создаваемом в объеме между двумя круглыми синфазными рамками (кольцами) радиуса R_к<<λ, расположенными на расстоянии A=R_к друг от друга. На рис. 4 показана картина магнитных силовых линий одного и пары колец. Пунктирной линией обведена область, в пределах которой поле в пространстве между кольцами можно считать постоянным по амплитуде и поляризации.

а б

Рис. 4. Структура электромагнитного поля рамки (а) и пары рамок (б)

Общий вид фрагмента лабораторного макета для формирования поля Гельмгольца показан на рис. 5. Параллельно расположенные относительно друг друга кольца возбуждаются синфазно синусоидальными колебаниями, формируемыми генератором сигналов НЧ диапазона. Исследуемая МА, выполненная на ферритовом стержне марки 400НН длиной 160 мм и диаметром 8 мм, помещается в центре между кольцами на вращающейся подставке, изготовленной из диэлектрического материала, снабженной угломерной шкалой. При таком расположении антенна будет находиться в однородном квазистатическом магнитном поле. Если ось ферритового стержня антенны совместить с линией, проходящей через центры колец, в антенной катушке возбуждается максимальная ЭДС.

Рис. 5. Магнитная антенна между кольцами Гельмгольца

Поле Гельмгольца является одним из видов эталонного поля, использование которого позволяет измерить основные характеристики магнитной антенны. Напряженность магнитного поля между кольцами определяется выражением

H=0,716(I/R_К), (14)

соответственно, напряженность электрического поля

E=W₀Н=120πH=86π(I/R_К), (15)

где I — электрический ток, протекающий в последовательно соединенных кольцах; R_К — радиус кольца (0,5 м). Ток в кольцах можно измерить по схеме, приведенной на рис. 6.

Сопротивление r_доб необходимо подобрать таким образом, чтобы выполнялось условие r_доб>>ωL_K, где ω=2πf, L_K — индуктивность колец, при этом U₁>>U₂ и ток с достаточной для практики точностью можно определить по формуле:

I=U₁/r_доб.. (16)

Тогда формулу (15) для напряжённости электрического поля E в объеме между кольцами можно записать в следующем виде:

. (17)

Рис. 6. Схема возбуждения колец Гельмгольца

Измерения в поле Гельмгольца могут проводиться в закрытых помещениях, т.к. влияние стен и окружающих предметов на это поле незначительно. Однако необходимо учитывать, что в пространстве между кольцами не должно быть металлических предметов, способных исказить это поле. Для измерения амплитуды ЭДС в катушке МА используется осциллограф.

5. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению

5.1. Установить такое значение тока в кольцах Гельмгольца, при котором напряженность магнитного поля между ними будет достаточной для измерений основных параметров МА (напряженность электрического поля должна быть не ниже 1 В/м). Для этого подключить кольца к генератору сигналов (ГС) НЧ и при заданной частоте настройки ГС и имеющемся в стенде r_доб=100 Ом, установить необходимый уровень выходного напряжения ГС U₁≥1 В для получения требуемой напряженности электрического поля между кольцами E1 В/м. Это значение напряженности поля необходимо поддерживать неизменным в процессе измерений характеристик МА. Контроль формы и величины выходного напряжения генератора сигналов осуществляется с помощью осциллографа.

5.2. Установить на предметный столик между кольцами Гельмгольца исследуемую МА без сердечника таким образом, чтобы её ось совпадала с осью колец. Установить заданную преподавателем частоту выходного напряжения ГС, измерить с помощью осциллографа наибольшее значение амплитуды напряжения на антенной катушке Э₀. Значение рабочей частоты выбирается из условия f≤(0,1-0,5)f_AС, где f_AС — значение резонансной частоты антенной катушки с ферритовым сердечником.

5.3. Измерить действующую относительную магнитную проницаемость сердечника μ_Д. Для этого вставить в катушку МА ферритовый стержень так, чтобы катушка располагалась посередине стержня. Измерить с помощью осциллографа наибольшее значение амплитуды напряжения на антенной катушке Э_ф. Рассчитать значение действующей проницаемости сердечника μ_Д=Э_ф/Э₀, определяемой как отношение ЭДС Э_ф, измеренной на выводах антенной катушки с сердечником, к ЭДС Э₀, измеренной на выводах катушки без сердечника. Рассчитать действующую длину МА с сердечником.

Вращая МА в горизонтальной плоскости и контролируя напряжение на антенной катушке с помощью осциллографа, определить угловые направления максимумов и минимумов ДН.

5.4. Подключить параллельно антенной катушке конденсатор постоянной емкости. Подстройкой частоты ГС добиться настройки антенного параллельного LC-контура в резонанс, записать значение резонансной частоты f₀. Измерить с помощью осциллографа значение амплитуды напряжения на настроенном антенном контуре; на той же частоте измерить напряжение на ненастроенном антенном контуре при отключенном конденсаторе. Рассчитать добротность антенного контура Q=U_Кнастр/U_{Кненастр} и его полосу пропускания Δf= f₀/Q.

Измерить и построить нормированную ДН МА и ширину главных лепестков по уровню 0,707 на резонансной частоте настройки антенного контура. ДН измеряется как зависимость амплитуды напряжения на антенной катушке от угла поворота оси антенны относительно оси колец Гельмгольца в горизонтальной плоскости.