НАО АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра "Радиотехника"
ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Методические указания к расчетно-графическим работам
(для студентов всех форм обучения специальности 5В0719)
Алматы 2010 г.
СОСТАВИТЕЛИ: А.К. Ескельдинова, А.Х. Хорош. Теория передачи электромагнитных волн. Методические указания к расчетно-графическим работам для студентов всех форм обучения специальности 5В0719.-Алматы: АИЭС, 2010 – 9 с.
Методические указания предназначены для студентов специальности 5В0719 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации, всех форм обучения.
Методические указания к расчетно-графическим работам содержат необходимые исходные данные для расчета, рекомендации по выполнению, требования к содержанию и оформлению расчетно-графических работ.
Введение
Методические указания предназначены для оказания помощи в выполнении расчетно-графических работ по курсу «Теория передачи электромагнитных волн» студентами, всех форм обучения специальности 5В0719 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации.
В настоящие методические указания включены расчетно-графические работы, целью которых является получение навыков в расчетах и анализе параметров радиолиний, линий передач электромагнитных волн и устройств сверхвысокочастотного диапазона.
Задание по каждой работе сформировано с учетом вероятных объектов профессиональной деятельности выпускников в число которых входят технологические системы, технические средства, обеспечивающие всякую передачу, излучение и прием сигналов по проводной, радио, оптической или другим системам.
Для выполнения каждой расчетно-графической работы требуется в среднем 15-20 часов.
Указания по выполнению расчетно-графических работ
Задание к расчетно-графическим работам составлено не менее чем в 100 вариантах. Каждый студент выполняет три расчетно-графические работы. Вариант задания определяется тремя последними цифрами номера зачетной книжки (m, n, p), например, при номере зачетной книжки № 093456 m=4, n=5, p=6.
При выполнении работ студент должен придерживаться следующих правил:
1 При выполнении расчета укажите его цель, приведите ссылку на источник (номер литературы по списку) и номер формулы.
Например: Определяем характеристическое сопротивление среды по формуле (6.29) [1].
2 Поясните вновь вводимые понятия.
3 Напишите общую формулу, подставьте в нее числовые значения известных величин, приведите результаты промежуточных вычислений и конечный результат. В промежуточных вычислениях размерности величин не указываются, а в конечном результате приведение размерности обязательно.
4 Все величины должны выражаться в стандартных единицах международной системы единиц СИ.
5 Необходимо пользоваться при записи конечного
результата расчетов кратными и дробными величинами. Например, писать не Е=8·10-5В/м,
а Е = 80 мкВ/м.
6 Все расчеты должны выполняться с точностью до третьей - четвертой значащей цифры.
7 Определение векторных величин следует сопровождать рисунками с указанием направления векторов.
8 Графики строятся с использованием компьютерной техники или на миллиметровой бумаге. Они должны содержать стандартный масштаб, размерности величин и расчетные точки. Рисунки должны быть разборчивыми. При построении амплитудно-частотных характеристик масштаб может быть выбран линейный или логарифмический, а количество точек следует выбирать так, чтобы отобразить все особенности зависимостей.
9 В конце работы привести список использованной литературы, поставить дату выполнения работы и расписаться.
10 Везде в описаниях, где у переменных величин встречается знак *, предполагается, что необходимые для расчетов и выполнения работ параметры выдаются преподавателем, ведущим занятия.
11 В конце работы должно быть сделано заключение о проделанной работе, в котором необходимо дать оценку полученным результатам.
Расчетно-графическое задание № 1
Плоская электромагнитная волна, поляризованная в плоскости YOZ, распространяется вдоль оси Z в неограниченной среде с параметрами eа=ee0, mа=m0 и s. Амплитудное значение вектора напряженности электрического поля в начале координат Еm (см. таблицы 1, 2).
Необходимо :
1 Определить параметры волны : коэффициент ослабления a, коэффициент фазы b, фазовую скорость Vф, длину волны l, модуль и фазу характеристического сопротивления среды Zc.
2 Записать комплексные и мгновенные значения векторов напряженностей электрического и магнитного полей в точке z=z0, соответствующей уменьшению амплитуды поля на L дБ, а также среднее за период значение плотности потока мощности Пср в этой точке.
3 Построить графики зависимостей мгновенных значений векторов поля Е и Н в точке z0 от времени t в пределах одного периода колебаний.
4 Рассматривая рассчитанный отрезок пути как четырехполюсник, рассчитать и построить амплитудно-частотную характеристику коэффициента* в диапазоне частот f - 2f.
Таблица 1 – Исходные данные для расчета по РГР №1
|
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Еm (В/м) |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
15 |
25 |
35 |
45 |
55 |
|
e |
1.8 |
2.0 |
2.2 |
2.5 |
3.0 |
3.5 |
1.5 |
1.9 |
2.4 |
2.9 |
Таблица 2 – Исходные данные для расчета РГР №1
|
р |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
f (ГГц) |
8 |
6 |
4 |
2 |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
11 |
|
s (*См/м) |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
|
L (дБ) |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
25 |
28 |
31 |
34 |
При выполнении расчетов рекомендуется использовать материал [1, гл.6; 2, гл.3; 3, гл.7].
Обращаем внимание, что в четвертом пункте задания и в размерности удельной проводимости среды (см. таблицу 2) использовано обозначение «*». В данном случае следует получить уточнение задания у преподавателя.
Расчетно-графическое задание № 2
1 Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики коэффициента* отрезка волновода длиной L в заданном диапазоне длин волн.
2 Изобразить картину силовых линий электромагнитного поля всех типов волн, которые в этом диапазоне длин волн могут участвовать в переносе активной энергии. Построить зависимости их продольных составляющих от поперечных координат. Привести картины распределения плотности поверхностного тока, соответствующего распределению поля этих типов волн на стенках волновода.
3 Определить во сколько раз изменяется длительность импульса прямоугольной формы на выходе волновода по сравнению со входом, если частота заполнения импульса равна центральной частоте диапазона одномодовой работы волновода.
Исходные данные для расчета приведены в таблицах 3 – 5.
Таблица 3 – Исходные данные для расчета РГР №2
|
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Амплитуда поля Еmax (В/м) |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
Таблица 4 – Исходные данные для расчета РГР №2
|
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Длина отрезка L (м) |
10 |
15 |
12 |
25 |
13 |
3.5 |
14 |
4.5 |
17 |
5.5 |
|
Материал стенок |
медь |
латунь |
серебро |
медь |
||||||
Таблица 5 – Исходные данные для расчета РГР №2
|
р |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Тип волновода |
o |
¡ |
¤ |
o |
¡ |
¤ |
o |
¡ |
¤ |
o |
|
Характерные разме- ры волновода (мм) |
195´98 |
110 |
1.2/4.4 |
28.5´ 12.6 |
17 |
5/ 18 |
23´10 |
13 |
2.6/9.4 |
58´29 |
|
Рабочий диапазон lmin - lmax (м) |
0.2- 0.38 |
0.287-0.374 |
0.01-30 |
0.029-0.056 |
0.045-0.057 |
0.036-30 |
0.023-0.045 |
0.034-0.044 |
0.02-30 |
0.058-0.115 |
|
Длительность импульса (нс) |
4 |
3.3 |
100 |
1 |
0.5 |
150 |
0.4 |
0.7 |
75 |
1.2 |
|
Примечание – Для коаксиального волновода в качестве характерных размеров приведены радиусы центральной жилы и оболочки соответственно. |
||||||||||
Считать, что волновод идеально согласован по входу и выходу, а потери в диэлектрике заполнения пренебрежимо малы.
Учитывать, что независимо от количества мод, участвующих в переносе энергии по волноводу, мощность генератора не меняется (можно принять равенство амплитуд всех мод).
При выполнении расчетов рекомендуется использовать материал [1, гл.10; 2, гл.8-11; 3, гл.13-15, 20; 4, гл.6].
Обращаем внимание, что в первом пункте задания использовано обозначение «*». В данном случае следует получить уточнение задания у преподавателя.
Расчетно-графическое задание № 3
1 Рассчитать размеры и построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики коэффициента* согласующего устройства типа четвертьволновой трансформатор.
2 Определить во сколько раз изменится полоса пропускания трансформатора при изменении перепада волновых (характеристических) сопротивлений на 10% в большую и меньшую стороны.
3 На качественном уровне оценить характер реактивного сопротивления трансформатора.
Исходные данные для расчета приведены в таблицах 6 – 7.
Считать, что подводящая линия идеально согласована по входу, а отводящая по выходу и потери в них отсутствуют.
Все линии передачи работают в одномодовом режиме.
Таблица 6 – Исходные данные для расчета РГР №3
|
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Относительная диэлектрическая проницаемость среды заполняющей линию |
1 |
2.5 |
2 |
2.2 |
1 |
2.25 |
2.3 |
1.5 |
2.4 |
3.0 |
Таблица 7 – Исходные данные для расчета РГР №3
|
р |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Тип волновода |
¤ |
o |
¡ |
¤ |
o |
¡ |
¤ |
o |
¡ |
¤ |
|
Характерные разме- ры подводящего волновода (мм) |
1.2 / 4.4 |
23х10 |
15 |
5/18 |
58х29 |
40 |
3.33 / 12.7 |
129х 65 |
70 |
2/7.6 |
|
Характерные разме- ры отводящего волновода (мм) |
1.55 / 5.6 |
28.5х 12.6 |
18 |
2.8/ 10.2 |
40х20 |
32 |
2.6 / 9.4 |
195х 98 |
90 |
1.5/6.4 |
|
Примечание – Для коаксиального волновода в качестве характерных размеров приведены радиусы центральной жилы и оболочки соответственно. |
||||||||||
Дополнительные указания:
1) Расчет следует производить на центральной частоте рабочего диапазона согласующего устройства (при изменении перепада частоту, на которой обеспечивается согласование линий передач не менять!).
2) При расчете геометрических размеров согласующего устройства изменять следует только первый характерный размер линии, второй следует выбирать как наибольший из 2-х характерных размеров подводящего и отводящего волноводов.
3) Для увеличения или уменьшения перепада менять предлагается только отводящий волновод.
4) При расчете степени изменения частотного диапазона рассчитывать следует изменение диапазона одномодовой работы всего устройства в целом.