Лабораторная работа №2 по дисциплине: Электромагнитные поля и волны. Исследование параметров электромагнитных волн элементарных излучателей - Ильичева С_Н_Поля и волны_Лабораторная 2

Лабораторная работа №2 по дисциплине: Электромагнитные поля и волны. Исследование параметров электромагнитных волн элементарных излучателей
скачать (72 kb.)

Доступные файлы (1):

Ильичева С_Н_Поля и волны_Лабораторная 2_Группа МДТ23.doc

667kb.

13.06.2005 18:59

скачать

содержание

Ильичева С_Н_Поля и волны_Лабораторная 2_Группа МДТ23.doc

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 электромагнитных полей элементарных излучателей.

Вариант 8.

Исполнитель: Ильичёва С. Н.

Группа: МДТ-23.

Проверил:

г. Тюмень 2005г.
Цель работы: Исследование диаграммы направленности элементарных электрического и магнитного излучателей.

Задание для предварительного расчета.

1) Элементарный электрический излучатель возбуждён током, амплитуда которого I, а частота f МГц. Определить амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей в точке, расположенной на расстоянии r [ км ] от него, под углами q ₁, q ₂, q ₃, q ₄. Длина излучателя l см (см. табл. 1), среда, в которой находится элементарный электрический излучатель, — вакуум.

2) Используя принцип перестановочной двойственности, определить амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей для элементарного магнитного излучателя, при заданных размерах S, где S – площадь витка (рамки).

Таблица 1

Последняя цифра пароля	8
Вариант	1	2	3
Частота f [МГц]	480	390	490
Амплитуда тока I [ A]	2,2	2,3	2,4
Расстояние r [ км]	2,6	1,7	2,7
Длина излучателя, l см	13	14	12
q ₁⁰	25	30	35
q ₂⁰	60	65	70
q ₃⁰	110	100	120
q ₄⁰	140	150	160
S [ см²]	169	196	144

Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка (рисунок 1) состоит из генератора сигналов 1, излучающих антенн с горизонтальной (2) и вертикальной (3) поляризациями. При исследовании элементарного электрического излучателя используется в режиме передачи горизонтальный симметричный вибратор (2), при исследовании элементарного магнитного излучателя используется штырь (3). В режиме приема используются элементарные электрический и магнитный излучатели (4), (5).

Из принципа взаимности следует, что направленные свойства антенны останутся одинаковыми в режиме приема или передачи. Излученная энергия принимается исследуемыми элементарными электрическим и магнитным излучателями, которые поворачиваются в плоскости перпендикулярной своей оси. При снятии диаграммы направленности отсчет угла поворота ведется по лимбу. Наведенная в исследуемом излучателе ЭДС поступает на индикатор (6), (7). В цепи исследуемых излучателей включены детекторы, вольтамперную характеристику которых при небольших уровнях сигнала можно считать квадратичной, поэтому индикаторы фиксируют показания пропорциональные мощности сигнала. Для того, чтобы получить зависимость амплитуды напряженности поля от угла поворота, т.е. диаграмму направленности по напряженности поля, необходимо извлечь корень квадратный из показаний индикатора. Величина, пропорциональная напряженности поля, измеряется в относительных единицах. За единицу принимаются максимальные показания индикатора.

Рисунок 1 - Структурная схема лабораторной установки.
1. Генератор сигналов
2. Передающая антенна с горизонтальной поляризацией
3. Передающая антенна с вертикальной поляризацией
4. Элементарный электрический излучатель
5. Элементарный магнитный излучатель
6. Резонансный частотомер с детектором
7. Индикатор
Решение:

1. Для расчетов выберем 2 вариант данных.

Критерием для ближней и дальней зоны является величина kr. Если

, то это ближняя зона, если

, то это дальняя зона.

k =

, kr =

. (5)

В нашем случае дальняя зона, т.к. r>>1, kr>>1, тогда v=c, где с – скорость света.

Отсюда длина волны и величина k:

1.1. При

Радиальная составляющая изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния

, поэтому в дальней зоне она очень мала

С ростом частоты напряженности поля увеличиваются при прочих равных условиях. В дальней зоне отношение

определяется только параметрами среды и называется характеристическим волновым сопротивлением. По размерности это Ом.

Аналогично произведем расчеты для остальных значений

.

1.2. При

1.3. При

1.4. При

2. Определим поля элементарного магнитного излучателя с помощью принципа перестановочной двойственности. Для электрического излучателя (дальняя зона):

По определению:

Для магнитного излучателя:

Тогда

2.1. При

2.2. При

2.3. При

2.4. При

^ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что такое элементарный электрический излучатель?

Под элементарным электрическим излучателем (вибратором) понимают прямолинейный проводник с переменным током достаточно малых размеров по сравнению с длиной волны (ℓ < < l ) и равномерным по длине излучателя распределением амплитуды тока. В соответствии с законом сохранения заряда (

) на всей длине излучателя, кроме его концов заряд отсутствует, т. к. по условию амплитуда тока постоянна. Только на концах происходит её изменение от

до нуля.
2. Что понимают под элементарным магнитным излучателем?

Под элементарным магнитным излучателем можно понимать замкнутый проводник с током, настолько малым, что амплитуда переменного тока во всех сечениях проводника считается неизменной. Физическую модель элементарного магнитного вибратора можно выполнить из стержня с высокой магнитной проницаемостью, гораздо большей, чем магнитная проницаемость окружающей среды. В качестве возбуждающего устройства можно использовать рамку из провода, обтекаемого током проводимости. С определенной степенью погрешности в качестве элементарного магнитного излучателя можно использовать одиночную рамку с периметром много меньшим длины волны. В этом смысле ее называют элементарным магнитным диполем.
3. Что такое вектор Пойнтинга?

Вектор Пойнтинга

- это плотность энергии переносимой ЭМП через единичную поверхность за единицу времени в перпендикулярном поверхности направлении.
4. Как определяют направление вектора Пойнтинга?

Направление движения энергии в электромагнитном поле всегда перпендикулярно ориентации

и определяется правилом векторного произведения.

, размерность

. (6)
5. Дать понятие ближней и дальней зон.

Критерием для ближней и дальней зоны является величина kr. Если kr < < 1, то ближняя зона, если kr > > 1 – дальняя зона.

; kr < < 1

r < <

В ближней зоне расстояние r < <

.

В дальней зоне расстояние r > >

. (6.2.1.1)
6. Каковы особенности полей в ближней и дальней зонах?

Поля в ближней зоне очень быстро уменьшаются с удалением от излучателя. Электрические и магнитные поля отличаются на множитель j, если в такой то момент магнитное поле max, то электрическое поле минимально, т.е. электрическое и магнитное поле по фазе сдвинуто на 90⁰.

В ближней зоне процесс протекает, но ничего не изменяется, не излучается, колебательный процесс, полпериода поля как бы отрываются от излучателя, полпериода вновь возвращается.

В дальней зоне радиальная составляющая изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния

, поэтому в дальней зоне она очень мала

0. Составляющие

убывают более медленно с расстоянием

. С ростом частоты напряженности поля увеличиваются при прочих равных условиях. В дальней зоне отношение

определяется только параметрами среды и называется характеристическим волновым сопротивлением.
7. Что такое диаграмма направленности?

Графическое изображение распределения в пространстве электрического или магнитного полей в полярных координатах называется диаграммой направленности.
8. Что такое мощность и сопротивление излучения?

Средняя мощность излучения это поток вектора

через замкнутую поверхность за период:

(6.3.3)

Для характеристики излучателя удобнее ввести параметр, не зависящий от тока, но характеризующий излучающие способности излучателя. В качестве такого параметра выбирают сопротивление излучения:

(6.3.6)

Сопротивление излучения зависит только от размеров и для повышения излучающей способности антенны надо увеличивать ее размеры, либо повышать частоту, т.е. укорачивать

.
9. Сформулируйте принцип перестановочной двойственности.

Принцип перестановочной двойственности (табл. 3) устанавливает правило перехода от полей, создаваемых элементарным электрическим излучателем, к полям, которые создает элементарный магнитный излучатель.

Для записи полей элементарного магнитного излучателя используем составляющие полей Еq и Нy элементарного электрического излучателя и производим следующую замену.

Вектор