Радиофизика. Лабораторная работа.

Эффект Доплера в диапазоне СВЧ

Цель работы: Наблюдение эффекта Доплера в диапазоне СВЧ, изучение зависимости доплеровского сдвига частоты от скорости отражающего тела и от частоты генератора

Приборы и принадлежности

1. Генератор Г3-14А
2. Смеситель
3. Четырехплечевой циркулятор
4. Согласованная нагрузка
5. Рупорная антенна
6. Движущийся объект
7. ПО Audacity
8. Линейка
9. Секундомер

Схема экспериментальной установки

Излучение от генератора по волноводу поступает в циркулятор. К плечам циркулятора подключены: рупорная антенна, детектор, согласованная нагрузка. Подключение этих устройств выполнено таким образом, что входящее излучение направляется в первое плечо циркулятора, к которой подключена рупорная антенна, и выходит в свободное пространство. При этом из-за неизбежного рассогласования антенны и свободного пространства часть излучения отражается и направляется по циркулятору во второе плечо циркулятора, к которому подключен смеситель. Излучение, вышедшее в свободное пространство, отражается от объекта, возвращается в рупорную антенну, и по циркулятору так же направляется в плечо смесителя. Так как смеситель не идеально согласован с циркулятором, то часть излучения отражается от него и попадает в четвёртое плечо, в которой находится согласованная нагрузка, где и происходит полное затухание э/м волны.

Выход смесителя соединен со микрофонным входом звуковой карты компьютера при помощи кабеля.

Порядок работы с экспериментальной установкой

Генератор Г3-14А

Генератор Г3-14А представлет собой комбинированный прибор, в котором содержится:

• Генератор — клистрон
• Аттенюаторы, регулирующие уровень выходной мощности
• Измеритель э/м мощности на основе термистора (далее "термистор"), соединенный с микроамперметром, используемый для контроля уровня начального сигнала
• Модулятор (включается переводом переключателья "РОД.РАБОТЫ" в положение "ВНУТР. МАНИП.")

Для приведения генератора в рабочий режим необходимо:

1. Включить генератор, переведя тумблер "СЕТЬ" в положение "ВКЛ"
2. Подождать 10 минут прогрева прибора
3. Установить регуляторы (если не установлены):
   • "АТТЕНЮАТОРЫ ВЫХОДА" в положение близкое, к положению "0"
   • Переключатель "ВЫХОД" в положение "МКВТ"
   • "НАЧАЛЬН. УРОВЕНЬ" в крайнее положение против часовой стрелки ("БОЛЬШЕ")
   • Тумблер "ТЕРМИСТОР ВОЛНОМЕР" в положение "ТЕРМИСТОР"
   • Переключатель "ДИАПАЗОН" в положение II
   • "РОД РАБОТЫ" в положение "НЕПРЕРЫВНО"
4. Ручкой "УСТ. НУЛЯ ГРУБО" необходимо добиться того, чтобы стрелка микроамперметра оказалась в среднем положении (около 100)
5. Аккуратно, медленно поочередно вращая регуляторы "ОТРАЖАТЕЛЬ", "ЧАСТОТА", "КОРРЕКЦИЯ" необходимо добиться максимального отклонения стрелки микроамперметра вправо, если стрелка уходит за шкалу, ее необходимо вернуть назад поворотом регулятора "УСТ. НУЛЯ ГРУБО". Сам факт отклонения стрелки вправо говорит о том, что клистрон излучает э/м волны и они попадают на термистор, а значит и на выход прибора.

Для измерения частоты излучения используется отсчетный барабан, по нему частота определяется в "условных делениях", после чего по таблице, располженной на передней панели прибора условные деления пересчитываются в частоту.

Вверх

Движущийся объект

Объект представляет собой диск, закрепленный на одной из лопастей, приводимых во вращательное движение электродвигателем. Двигатель начинает работать сразу после включения в сеть. Электродвигатель может вращаться с двумя различными угловыми скоростями. Переключение скорости осуществляется передвижным переключателем на верхней панели двигателя.

Вверх

ПО Audacity

Так как сигнал на смесителе представляет собой э/м колебания в диапазоне частот до 20 кГц, то мы можем этот сигнал обработать при помощи обыкновенной звуковой карты обыкновенного компьютера с обыкновенным звуковым редактором. Запустить ПО Audacity:

1. Включить компьютер и монитор
2. Дождаться загрузки компьютера
3. Выполнить вход пользователем user с паролем user
4. Запустить программу Audacity из меню запуска (кнопка в левом верхнем углу экрана) -> Audio -> Audacity

Интерфейс программы делится на две основные части: верхняя — панель управления, нижняя — область с записанными звуковыми дорожками. Так же в самом низу у окна программы имеется панель состояния, на которой отображаются временные координаты и интервалы, соответствующие положению курсору или области выделения на звуковой дорожке, они нам пригодятся для измерения периода сигнала. Для записи зависимости сигнала от времени необходимо:

1. Нажать кнопку записи (кнопка с красным кружочком)
2. Подождать несколько секунд
3. Остановить запись нажатием кнопки с квадратиком

В результате этих действий в нижней области появится дорожка с записанным сигналом. Если измерение прошло неудачно, то дорожку можно удалить, нажав на крестик в левом верхнем углу окна с дорожкой. Для того, чтобы измерить частоту этого сигнала необходимо:

1. Выбрать инструмент "лупа" на панели управления
2. Щелкнуть мышкой на интересующей области дорожки столько раз, чтобы область с сигналом помещалась на экран и была отчетливо видна его форма
3. Инструментом "выделение" необходимо выделить несколько полных периодов сигнала
4. На панели состояния отобразится время, соответствующее началу, размеру и концу выделения

Вверх

Ход работы

1. Упражнение: Измерение доплеровского сдвига частоты в зависимоти от скорости движения объекта

   1. Запустить ПО Audacity
   2. Включить генератор и привести его в рабочий режим
   3. Привести объект в движение при любом положении переключателя скоростей
   4. Установить переключатель "ВЫХОД" в положение "МВТ"
   5. Записать сигнал со смесителя в ПО Audacity
   6. Установить переключатель "ВЫХОД" в положение "МКВТ"
   7. Измерить угловую скорость вращения диска
   8. Измерить частоту доплеровского сдвига частоты по записанному сигналу в ПО Audacity
   9. Повторить измерения для другой скорости движения диска
   10. Выключить все приборы
   11. Измерить расстояние от оси вращения до центра диска
   12. Рассчитать скорости движения, исходя из измерений доплеровского сдвига частоты и угловой скорости вращения диска