Anisimov

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Методические указания

к лабораторным работам (1-4) по дисциплинам «Электродинамика», «Техническая электродинамика» и «Электромагнитные поля и волны» для студентов дневной формы обучения направлений «Радиотехника», «Конструирование и технология электронных средств»

и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», специальностей «Радиотехника», «Радиотехнические системы и комплексы», «Проектирование и технология электронных средств» и «Сети связи и системы коммутации»

Составитель В. Г. Анисимов

Ульяновск

УлГТУ

2012

УДК 621.395(076) ББК 32.88я7

Э45

Рецензент директор УФ ИРЭ РАН В. А. Сергеев

Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета

Электродинамика : методические указания к лабораторных Э45 работам (1-4) / сост. В. Г. Анисимов. – Ульяновск : УлГТУ, 2012. – 38 с.

Составлены в соответствии с программами курсов «Электродинамика», «Техническая электродинамика» и «Электромагнитные поля и волны».

В методических указаниях даются краткие сведения из теории, необходимые для выполнения лабораторных работ, описывается порядок выполнения работы, приводятся контрольные вопросы и список рекомендуемой литературы.

Предназначена для студентов дневной формы обучения направлений «Радиотехника», «Конструирование и технология электронных средств» и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», специальностей «Радиотехника», «Радиотехнические системы и комплексы», «Проектирование и технология электронных средств» и «Сети связи и системы коммутации».

Работа подготовлена на кафедре «Радиотехника» Ульяновского государственного технического университета.

УДК 621.395(076) ББК 32.88я7

© Анисимов В. Г., составление, 2012 © Оформление. УлГТУ, 2012

2

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Перед выполнением лабораторных работ студент обязан получить инструктаж по технике безопасности и расписаться в журнале проведения инструктажа по технике безопасности о его получении.

Лабораторные работы выполняются только на исправных приборах. В случае обнаружения неисправности студент должен немедленно сообщить об этом преподавателю.

Выполнение всех лабораторных работ является допуском к контрольному испытанию (зачету или экзамену).

Лабораторная работа считается выполненной, если студент:

получил допуск к выполнению лабораторной работы;

снял показания приборов, причем на записях должна быть отметка преподавателя;

правильно оформил отчет по лабораторной работе;

защитил результаты выполнения лабораторной работы.

Перед началом выполнения лабораторной работы каждый студент должен получить допуск к выполнению работы. Допуск должен быть получен индивидуально после собеседования с преподавателем.

Для этого необходимо знать следующее.

1.Основные определения, используемые в лабораторной работе.

2.Основные математические соотношения для исследуемых величин.

3.Теоретические зависимости исследуемых величин.

4.Приборы, используемые в лабораторной установке.

5.Порядок выполнения лабораторной работы.

При подготовке к выполнению лабораторной работы следует руководствоваться контрольными вопросами, которые приведены для каждой работы.

Для каждой лабораторной работы приведен список литературных источников, в которых отражен основной теоретический материал.

Лабораторные работы выполняются индивидуально или небольшой группой.

К каждой лабораторной работе необходимо получить у преподавателя значения величин, необходимые для выполнения работы (набор значений частот, уровни мощности и напряжения, дополнительные материалы).

Перед началом работы необходимо включить приборы и дать им прогреться в течение 10–15 минут.

При проведении измерений следует установить удобные показания на индикаторе. Удобными показаниями индикатора считаются такие, которые при максимальном значении измеряемого сигнала находятся близко к максимуму

3

показаний на индикаторе, но не превышают их (около 90–98% от предела измерения).

После выполнения лабораторной работы следует выключить использовавшиеся приборы и привести рабочее место в порядок.

Результаты обязательно предъявляются преподавателю после выполнения всех пунктов лабораторной работы, на их основе составляется отчет.

Отчет должен содержать следующее.

1.Титульный лист (образец оформления титульного листа приведен в приложении). Названия федерального органа государственной власти в сфере образования и учреждения высшего профессионального образования указываются такими, какими они являются на момент выполнения лабораторной работы.

2.Цель и задачи лабораторной работы.

3.Описание лабораторной установки со схемой измерений.

4.Таблицы значений, полученных при выполнении лабораторной

работы.

5.Графики теоретических и практически полученных исследуемых величин. Теоретические и практически полученные графики следует построить

водних координатных осях. При построении графиков значения величин нормируют к единице, если не указано иное.

6.Выводы по полученным результатам.

В выводах отражается следующее:

полученные численные и/или матричные значения;

описание характера поведения полученных зависимостей;

оценка расхождения теоретических и практически полученных зависимостей, причина расхождений, возможные пути устранения причин расхождений,

достигнута или нет цель работы, если не достигнута, то какие дополнительные мероприятия позволят достичь цели.

Защита отчета работы производится по полученным результатам, отраженным в отчете. Отчет защищается индивидуально.

4

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С РАЗЛИЧНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

Цель работы:

изучить метод получения волн различных поляризаций с помощью поляризационной решетки;

изучить метод поляризационных диаграмм, используемый для определения поляризации электромагнитной волны;

получить из линейно-поляризованной волны с помощью поляризационной решетки волны различных поляризаций;

экспериментально определить поляризационные параметры электромагнитной волны.

Краткие сведения из теории

Под поляризацией понимают свойство векторных электромагнитных монохроматических волн при произвольном фиксированном значении

расстояния закономерно описывать концом векторов E или H какую-либо определенную фигуру. Различают эллиптическую, линейную и круговую поляризации.

Поляризацию электромагнитной волны можно изменять с помощью некоторых устройств, например, с помощью поляризационной решетки.

Поляризационная решетка простейшей конструкции состоит из тонких металлических пластин, ориентированных параллельно друг другу на

расстоянии , имеющих ширину d (рис.1).

E

E z, z

E||

α

Рис.1. Поляризационная решетка

5

уменьшение амплитуды проходящей волны по сравнению с падающей за счет затухания и отражения от пластин решетки. Фазовая скорость волны при распространении в решетке не отличается от фазовой скорости в свободном пространстве. И на выходе решетки волна имеет дополнительный фазовый сдвиг, равный

360 d (1)

где 0 – длина волны в свободном пространстве.

Если вектор E падающей волны ориентирован параллельно пластинам решетки, то, кроме уменьшения амплитуды волны, происходит изменение фазовой скорости волны при распространении в решетке, за счет этого дополнительный фазовый сдвиг равен

Фазовая скорость в этом случае определяется как фазовая скорость в плоско-параллельной линии. Расстояние между пластинами решетки должно выбираться из условия существования между пластинами волны основного

типа, при этом 0/2< < 0.

Если линейно–поляризованная электромагнитная волна падает нормально к решетке так, что вектор E составляет с пластинами решетки угол , то волна

разлагается на две ортогональные составляющие:

E0|| E0 cos ,

E0 E0 sin ,

которые распространяются в поляризационной решетке с различными фазовыми скоростями.

Знак || соответствует составляющей, у которой вектор напряженности электрического поля ориентирован параллельно пластинам поляризационной решетки, а знак соответствует составляющей, у которой вектор напряженности электрического поля ориентирован параллельно пластинам.

Поляризация волны на выходе решетки в системе координат x’, y’, z’ удовлетворяет соотношению

между ними составляет ±90°; +360°·n (n – целое число), то поляризация электромагнитной волны за поляризационной решеткой будет круговой.

Если фазовый сдвиг между составляющими равен нулю или 180°·n, то поляризация электромагнитной волны за поляризационной решеткой будет

6

линейной.

Востальных случаях поляризация электромагнитной волны за поляризационной решеткой будет эллиптической.

Влабораторной работе для определения поляризации электромагнитной волны используется метод поляризационных диаграмм.

Метод поляризационных диаграмм предполагает измерение поляризационной диаграммы приемной антенны, по которой строится поляризационный эллипс.

Поляризационная диаграмма показывает зависимость величины сигнала с выхода приемной антенны линейной поляризации от ориентации плоскости поляризации антенны.

Поляризационная диаграмма антенны показана на рис. 2.

y

2

|E|макс 1

Э

x

|E|мин

Рис. 2. Поляризационная диаграмма (1) и поляризационный эллипс(2)

По поляризационной диаграмме строится поляризационный эллипс. Отрезок между минимальными значениями поляризационной диаграммы соответствует малой оси поляризационного эллипса, а отрезок между максимальными значениями поляризационной диаграммы соответствует большой оси поляризационного эллипса.

Поляризационный эллипс электромагнитной волны, построенный по поляризационной диаграмме, показан на рис. 2.

Поляризационный эллипс характеризуется следующими параметрами:

rэ – коэффициент эллиптичности поляризационного эллипса, равный отношению величины малой оси поляризационного эллипса к его большой оси;

э – угол ориентации поляризационного эллипса, то есть угол между большой осью поляризационного эллипса и осью Ох.

7

отношением rэ Еmax .

E min

Описание лабораторной установки

Функциональная схема лабораторной установки приведена на рис.3.

4

Рис.3. Функциональная схема лабораторной установки

Установка для исследования электромагнитных полей с различной поляризацией состоит из передающей и приемной частей, поляризационной решетки 2, расположенной в плоскости, перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны.

Передающая часть содержит СВЧ генератор, работающий в режиме внутренней модуляции, волноводный фидерный тракт, передающую рупорную антенну 1. Передающая антенна является антенной линейной поляризации с вертикальной ориентацией вектора напряженности электрического поля.

Приемная часть содержит приемную рупорную антенну линейной поляризации 3, которую можно поворачивать вокруг оси, совпадающей с направлением на передающую антенну. При этом по шкале можно отсчитывать значение угла в градусах. СВЧ сигнал, принятый антенной, поступает на детекторную секцию 4, где происходит выделение низкочастотной составляющей по частоте, совпадающей с частотой внутреннего модулятора генератора. Низкочастотный сигнал подается на индикатор, который показывает уровень сигнала с выхода приемной антенны.

Поляризационная решетка может поворачиваться вокруг оси и устанавливаться на произвольный угол . Она состоит из набора тонких

8

металлических пластин с размером d мм и расстоянием между пластинами

мм.

Порядок выполнения работы

1. Определить частоту 0, на которой возможно получение круговой поляризации. Необходимо воспользоваться формулами (1) и (2) и учесть, что разность фазовых сдвигов ( .

2. Включить аппаратуру установки согласно инструкциям по эксплуатации используемых приборов, прогреть аппаратуру в течение 10–15 минут. На частоте 0 настроить генератор на максимальную выходную мощность. Убедиться, что при этом показания индикаторного прибора зависят от уровня СВЧ мощности.

3. Исследовать относительное затухание волн в поляризационной решетке.

3.1.Установить приемную антенну в положение (вертикальная поляризация).

3.2.Установить поляризационную решетку в положение .

Отсчитать по индикатору показания, соответствующие этому случаю u1, и записать их.

3.3.Установить поляризационную решетку в положение .

Отсчитать и записать показания индикатора u2, соответствующие такому положению решетки.

формуле = arctg L определить значение угла кр, при котором возможно получение круговой поляризации.

3.5. Установить поляризационную решетку в положение кр, соответствующее круговой поляризации.

4. Получить поляризационную диаграмму.

4.1. Поворачивая приемную антенну в диапазоне углов = 0 …180 с шагом 15 , отсчитать и записать показания индикатора uи. Показания занести в таблицу 1. Нормировать результаты к максимальному значению.

4.2. По данным таблицы 1 построить поляризационную диаграмму и поляризационный эллипс.

9

Примечание. При построении поляризационной диаграммы использовать полярную систему координат.

5.Установить поляризационную решетку в положение = 0 . Выполнить п.4. Результаты занести в таблицу, по форме аналогичную таблице 1.

6.Последовательно устанавливая поляризационную решетку в положения

= 15 , = 30 , = 45 , = 60 , = 75 и = 90 , выполнить п.4, занося результаты в таблицы, по форме аналогичные таблице 1.

7.Сравнить поляризационные эллипсы для различных положений поляризационной решетки. Определить, при каком положении поляризационной решетки поляризация близка к круговой, а при каком – к линейной.

8.Определить параметры поляризационных эллипсов.

По табличным данным, определенным в пп. 4-6, определить параметры поляризационных эллипсов. Результаты занести в таблицу 2.

Контрольные вопросы

1.Что понимается под поляризацией электромагнитной волны?

2.Какими параметрами определяется поляризация?

3.Какие устройства применяются для преобразования поляризации и как они работают?

4.Какие методы применяются для определения поляризационных параметров электромагнитных полей и в чем они заключаются?

5.Как математически можно представить волны круговой, линейной и эллиптической поляризаций?

10