Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лабораторная работа № 1 - Исследование распространения электромагнитных волн в реальных средах - файл Ильичева С_Н_Поля и волны_Лабораторная 1_Группа МДТ23.doc


Лабораторная работа № 1 - Исследование распространения электромагнитных волн в реальных средах
скачать (110.9 kb.)

Доступные файлы (1):

Ильичева С_Н_Поля и волны_Лабораторная 1_Группа МДТ23.doc792kb.14.06.2005 22:37скачать

содержание
Загрузка...

Ильичева С_Н_Поля и волны_Лабораторная 1_Группа МДТ23.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
МС РФ по связи и информатике.

Сибирский государственный университет телекоммуникации и информатики.

Межрегиональный учебный центр переподготовки специалистов.
Лабораторная работа.

По дисциплине: Электромагнитные поля и волны.

Исследование распространения электромагнитных волн в реальных средах.

Исполнитель: Ильичёва С. Н.

Группа: МДТ-23.

Проверил:

г. Тюмень 2005г.
Цель работы: Исследование влияния параметров реальных сред на процесс распространения электромагнитных волн.

 

Задание для предварительного расчета.

Для прямоугольного волновода сечением a x b мм, заполненного различными средами (таблица 2), рассчитать для заданных в таблице 1 вариантов частоты f : коэффициент затухания α, фазовую постоянную β, модуль характеристического сопротивления , длину волны и фазовую скорость в прямоугольном волноводе, заполненного средой. Определить эквивалентную проводимость среды . В качестве исследуемых сред используются немагнитные среды. Относительная магнитная проницаемость m для немагнитных сред всегда равна единице .

Таблица 1


последняя цифра пароля

8

Вариант

1

2

3

Частота, ГГц

8,3

9,3

7,55


 

Таблица 2

№ варианта

Среда







1

Фторопласт

2,0



1

Текстолит

3,0



1

2

Оргстекло

2,5



1

Дерево

1,7



1

3

Текстолит

3,0



1

Дерево

1,7



1


№ варианта выбирается самостоятельно.

Примечание: при проведении расчетов:

, , а =23 мм; в = 10 мм, вариант среды возьмем 1.

 

Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка (рис.1) состоит из генераторов сигнала СВЧ (1), измерительной линии (2), заполненной исследуемой средой (3), измерителя напряжения (4), короткозамыкателя (5) и согласованной поглощающей нагрузки (6).



Рисунок 1 – Лабораторная установка.
Решение:

1. Коэффициент затухания в прямоугольном волноводе:

, (18),

где тангенс угла диэлектрических потерь,

(среда фторопласт)

(среда текстолит)

- длина волны в свободном пространстве,

Сначало сделаем расчеты при среде фторопласт.

При частоте f=8,3 ГГц:



При частоте f=9,3 ГГц:



При частоте f=7,55 ГГц:



2. Фазовая скорость распространения электромагнитной волны для прямоугольного волновода:

, (14)

где: - длина волны в свободном пространстве (рассчитана в п.1);

а – размер широкой стенки прямоугольного волновода.

При частоте f=8,3 ГГц:

Аналогично рассчитываем значение VФнапр при остальных значениях f. Тогда:

при частоте f=9,3 ГГц:

при частоте f=7,55 ГГц:

3. Постоянная распространения волны в прямоугольном волноводе :

, (15)

При расчете VФнапр возьмем с пункта 2.

При частоте f=8,3 ГГц:

При частоте f=9,3 ГГц:

При частоте f=7,55 ГГц:

4. Длина волны в прямоугольном волноводе :

, (16)

При частоте f=8,3 ГГц:

При частоте f=9,3 ГГц:

При частоте f=7,55 ГГц:

5. Модуль характеристического сопротивления прямоугольного волновода:

, (17)

где - характеристическое (волновое) сопротивление среды и определяется как

, (5)

В нашем случае

Значения возьмем с расчетов п.1.

Отсюда при частоте f=8,3 ГГц:

При частоте f=9,3 ГГц:

При частоте f=7,55 ГГц:

5. Эквивалентная проводимость среды  

При частоте f=8,3 ГГц:

При частоте f=9,3 ГГц:

При частоте f=7,55 ГГц:

Аналогично сделаем расчеты для среды текстолит. Результаты сведем в таблицу 3.

Таблица 3.

Параметры

Заданные частоты, f, ГГц

Среда

Фторопласт

Текстолит

Коэффициент затухания,

8,3

0,963

16,69

9,3

1,03

17,91

7,55

0,921

15,98

Фазовая скорость, VФнапр, м/с

8,3





9,3





7,55





Фазовая постоянная, , рад/м

8,3

204,4

204,4

9,3

239,3

239,3

7,55

176,9

176,9

Длина волны, , м

8,3





9,3





7,55





Модуль характеристического сопротивления, Ом

8,3

226,55

226,55

9,3

217

217

7,55

238,1

238,1

Эквивалентная проводимость, См/м

8,3

0,00138

0,0240

9,3

0,00155

0,0269

7,55

0,00126

0,0218


Вывод: По результатам расчетов видно, что чем больше тангенс угла диэлектрических потерь, тем больше коэффициент затухания . С уменьшением частоты коэффициент затухания уменьшается.
^ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какая волна называется плоской волной? При каком условии электромагнитную волну можно считать плоской волной?

Плоская электромагнитная волна – это волновой процесс, у которого электрическая и магнитная составляющие поля во всех точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, имеют одинаковые значения. Если принять в качестве направления распространения плоской электромагнитной волны ось z в декартовой системе координат, то, согласно определению, поле плоской электромагнитной волны не зависит от поперечных координат x и y. Следовательно, и уравнение (1) принимает следующий вид:

.
2. Какие среды называют идеальными, какие реальными? Приведите примеры идеальных и реальных сред.

Идеальной средой принято называть среду, в которой отсутствуют потери энергии при распространении электромагнитной волны. Идеальная среда не обладает дисперсией, т.е. нет зависимости Vф от f. Примером идеальной среды может служить вакуум.

В реальных средах часть энергии будет теряться в среде, значит амплитуда волны будет убывать. Любая реальная среда - набор связанных зарядов (диполей), могут быть и свободные заряды. Примерами реальной среды могут быть почва, вода, оргстекло, текстолит.
3. Чем обусловлены потери энергии электромагнитной волны в диэлектрике, проводнике и вакууме?

Различают два вида потерь в среде:

Поляризационные ( диэлектрические) потери. Механизм их появления можно пояснить следующим образом. При отсутствии внешнего электрического поля каждый атом вещества, из которого состоит среда, упрощенно представляет собой положительно заряженное ядро с отрицательными электронами, вращающимися по круговой орбите. Центры положительного и отрицательного зарядов совпадают и суммарный заряд атома равен нулю. Под влиянием внешнего электрического поля орбита электрона (электронов) вытягивается, стремясь к эллиптической. В этом случае центры положительного и заряда перестают совпадать друг с другом и атом начинает вести себя подобно электрическому диполю. Диполи отдельных атомов всего вещества ориентируются определенным образом относительно приложенного внешнего поля. Этот процесс принято называть электронной поляризацией. В переменном электрическом поле ориентация диполей меняется с частотой , возникающие при этом “трения” при смещении отдельных диполей вещества и обуславливают поляризационные (диэлектрические) потери.

Потери, обусловленны проводимостью вещества, возникают вследствие столкновения свободных носителей заряда (электронов) с атомами кристаллической решетки. Поскольку упорядоченное движение электронов создает электрический ток, называемый током проводимости, то принято говорить, что данный вид потерь обусловлен протеканием в среде токов проводимости. Эти потери в среде пропорциональны отношению удельной электрической проводимости к частоте поля .
4. Поясните физический смысл коэффициента затухания и фазовой постоянной.

Волновое число является комплексной величиной:



Вещественную часть волнового числа называют фазовой постоянной, а мнимую часть - коэффициентом затухания. Понятие было введено для идеального диэлектрика. Если затухание мало, то можно выбрать точки, где поля отличаются по фазе на 2 и считать, что это . Если затухание очень велико, периодичность процесса теряет смысл (соленая вода), понятием можно пользоваться условно.

5. Что называют длиной волны и периодом колебаний?

Длина волны - это расстояние, которое проходит фазовый фронт за один период колебаний высокой частоты.

6. Записать уравнение плоской волны для электрического и магнитного полей в идеальной среде.

Общая запись плоской электромагнитной волны в идеальной среде:

(4)

где k – вещественное волновое число.

Вектор напряженности магнитного поля перпендикулярен вектору напряженности электрического поля. Электрическое и магнитное поля колеблются в пространстве синхронно и синфазно. Коэффициент пропорциональности, определяемый как , называется характеристическим (волновым) сопротивлением данной среды :

. (5)

Из (5) видно, что полностью определяется лишь параметрами самой среды.

Перейдем от комплексных значений в (4) к мгновенным, в результате получим:

(6)

где - фаза колебаний.
7. Записать уравнение плоской волны для электрического и магнитного полей в реальной среде.

Уравнение плоской электромагнитной волны в реальной безграничной среде запишется как:



Перейдем к мгновенным значениям и , в результате получим:

(12)

где - модуль характеристического сопротивления реальной среды,

- сдвиг по фазе.
8. Поясните физический смысл тангенса угла потерь.

Отношение - носит название тангенса угла потерь.

Отношение - носит название тангенса угла диэлектрических потерь.
9. Какое физическое явление используется для измерения диэлектрической проницаемости?

При фиксированной частоте потери с макроскопической точки зрения неразличимы: как те так и другие потери приводят к преобразованию электромагнитной энергии в другие виды энергий. Вследствие этого комплексная диэлектрическая проницаемость среды с учетом обеих видов потерь запишется как:

.

Можно формально ввести понятие эквивалентной проводимости среды, соответствующую поляризационным потерям как: .

Отсюда: .

Тогда окончательно получаем:

. (8)
10. Какое физическое явление используется для измерения коэффициента затухания?

Амплитуда волны на единицу длины.


Скачать файл (110.9 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru