Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

СРРиТ / электромагнитные поля и волны

.pdf
Скачиваний:
98
Добавлен:
01.04.2014
Размер:
180 Кб
Скачать

Задача 1

Плоская однородная электромагнитная волна распространяется в безграничной полупроводящей среде вдоль оси z. Известны амплитуда напряженности электрического поля Em, частота источника поля f, удельная проводимость среды σ,

ее относительная диэлектрическая проницаемость ε и абсолютная магнитная проницаемость μа=μ0.

Дано:

 

Em = 50

В/м,

f = 200

МГц,

σ = 2 См/м,

ε = 75.

Необходимо:

1.Определить коэффициент фазы b и коэффициент затухания a распространяющейся волны.

2.Найти модуль |Z| и фазу j комплексного волнового сопротивления среды Z.

3.Записать выражения для комплексных амплитуд и мгновенных значений напряженности электрического и магнитного полей.

4.Определить расстояние z0, на котором амплитуда волны убывает в 1000 раз.

5.Вычислить значения фазовой скорости волны.

6.Найти длину волны в данной среде.

Решение

1. Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды распространения волны εа определяется по формуле [2] 1.6

εa = εε0 ,

где e0 = 10−9 Ф - электрическая постоянная. 36p м

Абсолютная магнитная проницаемость среды распространения волны μа определяется по формуле [2] 1.18

μa = μμ0 ,

где m0

= 410

−7 Гн

абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

 

 

м

 

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется по формуле [1] 2.12

tg d =

s

 

s

s

 

 

 

s

 

18s ×10−9

=

18·2·109

=2.4 .

 

=

 

=

 

 

=

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

200·106·75

weа

2pfee0

10−9

 

 

10−9

fe

 

 

 

 

 

2pfe ×

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

36p

18

 

 

 

 

 

 

 

 

Угол диэлектрических потерь определим по формуле

 

 

 

δ = arctg(tg(δ)) = arctg (2.4 ) = 1.176

(рад).

 

 

 

 

 

Коэффициент фазы волны равен ( [2] 6.7)

 

 

 

 

 

 

b = weа2mа × (1+ (tg d)2 +1)= 2pf ee20mа × (1+ (tg d)2 +1)=

 

 

 

 

 

 

10

−9

× 410−7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

36p

 

 

 

 

 

 

 

 

−8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

= 2pf

 

 

 

 

 

 

× (

1+ (tg d) +1)=

 

 

pf

×10

 

e(

1+ (tg d) +1)=

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

p·200·106·10-8·

75·(

 

 

+1)

= 48.67

(м-1).

 

 

 

 

 

 

1+2.4 2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент затухания распространяющейся волны определим по формуле

[2] 6.8:

a = weа2mа × (1+ (tg d)2 -1)= 2pf ee20mа × (1+ (tg d)2 -1)=

 

 

 

 

 

 

 

 

10−9

 

× 410−7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

36p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

= 2pf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

× (

1+ (tg d) -1)=

 

pf

×10

 

e( 1+ (tg d) -1)=

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

p·200·106·10-8·

75·(

 

 

 

 

 

–1)

= 32.45

(м-1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+2.4 2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. У волны, распространяющейся в среде с потерями, Zс - комплексная величина

([2], 6.11):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

=

 

 

ma

 

=

 

 

ma

 

 

=

 

Z

 

×e,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

ea (1- jtgd)

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ea

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

| ZC | - модуль комплексного волнового сопротивления;

φ фаза комплексного волнового сопротивления, которые можно определить по формулам [2] 6.12:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ZC

 

 

=

 

mа

×cosd

= 120p

m

× cosd = 120π·

1

·cos(1.176) = 27.0 (Ом),

 

 

 

 

 

 

75

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eа

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j =

1

× d =

1 ×1.176 = 0.588

(рад).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Поле плоской волны, распространяющейся в полупроводящей среде вдоль оси Z,

описывается выражением [1] 3.11(комплексная форма):

 

 

 

 

×e−(α+ jβ)z = 50·е– (32.45+j48.67)z

æ

Вö

 

 

 

 

E(z) = Em

ç

 

÷,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

м ø

 

 

 

Em

 

−(α+ jβ)z− jϕ

 

50

 

–(32.45+j48.67)z–j0.588

 

–(32.45+j48.67)z–j0.588

æ

А ö

 

 

 

 

 

 

H(z) =

 

 

× e

 

=

27.0

·е

 

=1.9·е

 

 

ç

 

÷.

 

ZC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

м ø

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→ →

 

 

 

 

 

 

Переходя к мгновенным значениям векторов E и H , получаем:

 

 

 

 

 

E(z) = Em ×e−αz ×cos(wt -bz) =50·е–32.45z·cos(2π·200·106t –48.67z)

æ

Вö

 

 

ç

 

÷,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

м ø

 

 

 

 

 

Em

 

 

 

−αz

 

 

 

 

 

 

 

 

50

 

–32.45z

6

 

H(z) =

 

 

 

 

 

 

× e

 

× cos(wt - bz - j) =

 

27.0

·е

 

 

· cos(2π·200·10

 

t –48.67z–0.588)=

 

ZC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–32.45z

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

æ

А ö

 

 

=1.9·е

 

 

 

 

 

 

· cos(2π·200·10

 

t –48.67z–0.588)

ç

 

÷.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

м ø

 

 

4. Зависимость амплитуды поля от расстояния имеет вид

 

 

A(z) = Am × e−αz = Am

е–32.45z.

 

 

 

 

= ln(Am

× e−αz0 ).

 

 

 

 

A

m

 

 

 

 

 

×e−αz0

 

 

æ

A

ö

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

= Am

или lnç

 

m

÷

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

n ø

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(Am ) − ln(n) = ln(Am ) − αz0 .

Отсюда ln(n) = αz0 .

Расстояние, на котором амплитуда уменьшится в n=1000 раз, равно:

z0

= ln(n)

= ln(1000)

=

6.908

= 0.2129 (м) = 212.9 (мм).

 

a

32.45

 

32.45

 

5. Фазовая скорость волны определяется по формуле [2] 6.12:

 

w

 

2pf

 

2π·200·106

 

6

æ

м ö

Vф =

b

=

b

=

48.67

= 25.82×10

 

ç

 

÷ .

 

 

 

 

 

 

 

è

с ø

6. Длина волны, распространяющейся в полупроводящей среде, равна (формула

[2]6.17):

l =

2p

=

2π

= 0.1291 (м) = 129.1 (мм).

b

48.67

 

Задача 2

В волноводе радиусом R требуется:

1.Определить критическую и выбрать рабочую длину волны в волноводе.

2.Изобразить распределение электрических и магнитных силовых линий вдоль соответствующих сторон волновода заданного типа волны. Нарисовать эскиз, иллюстрирующий распределение токов проводимости и токов смещения.

3.Изобразить на рисунке с распределением токов проводимости продольные и поперечные излучающие щели.

4.Рассчитать передаваемую мощность, если амплитуда электрической составляющей поля в пучности равна 1 В/м, а также предельно допустимую

мощность (Eпроб = 3×106 В/ м).

5. Определить типы волн, которые могут при выбранной длине волны распространяться в данном волноводе.

Дано:

R = 0.02 м = 20 мм,

Тип волны Н10.

Решение

1. Для данного типа волны критическая длина волны равна (формула [1] 9.50):

2πR

lкр = μmn ,

где μmn n-й по счету корень первой производной функции Бесселя первого рода порядка m.

Волна заданного типа Н10 не распространяется в волноводе, поэтому выберем волну

типа Н01.

Из таблицы [1] 9.2 следует, что μ01 = 3.832. Тогда

2πR 2π·20

lкр = μmn = 3.832 = 32.793 (мм).

При длине волны λ>λкр электромагнитное поле типа Н01 не распространяется в заданном волноводе.

На рабочей длине волны предположительно должна распространяться волна заданного типа и не должны распространяться волны высших типов.

Найдём критические длины волн ближайших высших типов волн Е:

для волны Е01 λкр= 52.251 (мм), для волны Е02 λкр= 22.765 (мм), для волны Е03 λкр= 14.521 (мм),

для волны Е11 λкр= 32.793 (мм), для волны Е12 λкр= 17.911 (мм), для волны Е13 λкр= 11.729 (мм),

для волны Е21 λкр= 24.472 (мм), для волны Е22 λкр= 14.930 (мм), для волны Е23 λкр= 10.814 (мм).

Найдём критические длины волн ближайших высших типов волн Н:

для волны Н01 λкр= 32.793 (мм), для волны Н02 λкр= 17.911 (мм), для волны Н03 λкр= 12.351 (мм),

для волны Н11 λкр= 68.258 (мм), для волны Н12 λкр= 23.555 (мм), для волны Н13 λкр= 14.722 (мм),

для волны Н21 λкр= 41.174 (мм), для волны Н22 λкр= 18.742 (мм), для волны Н23 λкр= 12.611 (мм),

для волны Н31 λкр= 29.913 (мм), для волны Н32 λкр= 15.679 (мм), для волны Н33 λкр= 11.081 (мм).

Отсюда рабочая длина волны лежит в пределах от 32.793 мм до 29.913 мм. Выберем λраб=30 мм.

2. Для волны типа Нmn индекс m определяет число стоячих волн поля, укладывающихся вдоль окружности волновода, а n – число «полуволн» поля, укладывающихся вдоль радиуса волновода.

Распределение электрических и магнитных силовых линий вдоль соответствующих сторон волновода для волны типа Н01 представлено на рисунке 1.

Н

Е

Рисунок 1 – Силовые линии волны типа Н01 в круглом волноводе

Токи смещения и проводимости в волноводе для поля волны Н01 представлены на рисунке 2.

щели

токи смещения

токи проводимости

Рисунок 2 – Токи смещения и проводимости для поля волны Н01 внутри волновода

3.Возбуждение излучающей щели осуществляется размещением ее на поверхности, обтекаемой током, т.е. щель должна прерывать ток проводимости на стенке волновода. На рисунке 2 укажем возможные расположения излучающих щелей.

4.Для расчета мощности воспользуемся формулой ([5], стр. 101)

 

pR2E2

 

æ

 

l

ö2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P =

 

 

 

1- ç

 

 

÷

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.57

 

ç

 

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è lкр ø

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где R = 2.0 см, Е =

10-5 кВ/см. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pR2E2

 

æ

 

l

ö2

 

π·22·(10-5)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

æ

30

ö2

 

 

 

 

 

P =

 

 

 

1- ç

 

 

÷

 

=

 

1.57

1 – ç

 

 

÷

= 323.2·10-12

(кВт) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.57

 

ç

 

 

÷

 

 

 

è32.793ø

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è lкр ø

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 323.2·10-9

 

(Вт).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По этой же формуле рассчитаем предельно допустимую мощность

 

 

pR2E2

 

 

æ

 

l

ö2

 

π·22·302

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

æ

30

ö2

 

 

P =

 

 

проб

1 - ç

 

 

÷

=

1.57

 

1 – ç

 

 

 

÷

 

= 2909.2

(кВт) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пред

 

1.57

 

 

 

ç

 

 

÷

 

 

 

è32.793ø

 

 

 

 

 

 

 

è lкр ø

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2.91 (МВт).

5. Как указывалось в п. 2, при длине волны λ>λкр электромагнитное поле типа Н01 не распространяется в заданном волноводе. Поэтому на выбранной длине волны λраб=30 мм в заданном волноводе распространяется волны типа Н01, а также волны низших типов, для которых выполняется λкр>λраб, т.е. Е01, Е11,Н11 и Н21.

Задача 3

Необходимо согласовать коаксиальную или двухпроводную линию с заданным значением Zв с активной нагрузкой Rн=qZв в полосе частот от fн до fв.

Модуль коэффициента отражения |Г| на входе перехода Г £ Гдоп . Согласование

произвести ступенчатым переходом с максимально плоской характеристикой. Исходные данные:

Zв=250 Ом, ε=1.

Тип линии двухпроводная. Радиус проводника a=2.5 мм, fн=45 МГц, fв=130 МГц. q=0.5, |Гдоп|=0.08.

1.Определить количество ступеней перехода N и его общую длину.

2.Найти коэффициенты отражения от ступеней перехода.

3.Волновые сопротивления Zв и геометрические размеры каждой ступени (диаметр внутреннего проводника аi у коаксиала или расстояние между осями проводников 2di в двухпроводной линии).

4. Рассчитать и построить частотную зависимость в полосе частот от 0.8fн до 1.2fв при числе точек не менее 20.

Решение

1) Определить количество ступеней перехода N и его общую длину. Перепад волнового сопротивления равен:

R =

 

Zв

=

 

 

Zв

=

 

1

 

= 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

 

 

 

Rн

 

 

 

 

 

qZв

 

 

Найдём минимальную, максимальную и среднюю длины волн согласуемого

диапазона частот:

8

 

 

 

lн

=

 

 

с

=

 

3×10

 

 

= 6.67

(м),

 

f

н

4.5×107

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

=

 

с

 

=

 

3×108

 

= 2.31

(м),

в

 

fв

1.3×108

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l0

=

 

с

=

 

 

 

 

2с

 

 

= 3.43

(м).

 

 

 

 

 

(fн + f

в )

 

 

 

 

 

 

f0

 

 

 

 

 

Длина ступеньки равна:

 

l =

1

 

×

lн ×lв

= 0.857 (м).

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lн + lв

 

 

 

 

Максимальное рабочее затухание на границе рабочей полосы частот

определим по формуле [3] VI.26:

Lдоп =

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

=1.003.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-

 

Гдоп

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдём коэффициент С1 (формула [3] VI.28):

C1 = 2R((Lдоп)-1) = 0.16 .

R -1

Количество ступеней перехода с максимально плоской АЧХ коэффициента отражения равно (формула [3] 12.29):

lg C1

) = 4.953,

N = lg (cosqн

где qн = p × lо = 0.808. 2 lн

Выберем количество ступеней перехода равно : N=5.

При этом cos qн = NС1 = N0.16 = 0.693, отсюда qн=0.804.

Окончательное значение длины ступеньки равно l = lн ×qн = 0.854 (м). 2p

Общая длина перехода равна : l0 = N ×l = 4.268 (м).

2) Найти коэффициенты отражения от ступеней перехода.

Для числа ступеней N=5÷8 составлены таблицы для точного расчёта звеньев согласующей цепи. Из таблицы [4] 6.05.1 для перепада сопротивления R=2.0 найдём приведённые (к сопротивлению подводящей линии) волновые сопротивления первых двух ступеней:

Z1 = 1.02201;

Z2 = 1.13908.

Приведённые волновые сопротивления остальных ступеней найдём по общей формуле:

Zi × ZN+1−i = R,

откуда

Z3 = R = 1.414;

Z4 = R = 1.756, Z2

Z5 = R = 1.957. Z1

Найдём теперь абсолютные волновые сопротивления:

R1

=

Zв

= 244.6

(Ом);

R 2

=

 

Zв

= 219.5

(Ом);

Z1

Z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R3

=

Zв

 

= 176.8

(Ом);

R 4

=

 

Zв

 

= 142.4

(Ом);

Z3

 

 

Z4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R5

=

Zв

 

= 127.8

(Ом).

 

 

 

 

 

 

 

Z5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полученные значения запишем в таблицу 2.

 

 

 

 

 

 

Волновое сопротивление двухпроводной линии можно рассчитать по формуле:

 

 

 

 

mr

é

 

æ d ö

2

ù

 

 

 

Zл(d) := 120

×lnê d +

 

- 1ú

 

 

 

 

 

e

ë

a

è

a

ø

 

û,

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

где d – полурасстояние между проводами;

 

 

 

 

 

 

а радиус провода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке 3 приведён график зависимости волнового сопротивления

двухпроводной линии для радиуса проводника a=2.5 мм.

 

 

Zл, Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

260

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

240

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

220

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

180

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

160

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

140

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100 3

4

5

6

 

7

 

8

 

 

 

9

d, мм

 

 

 

 

 

10

Рисунок 3 – Зависимость волнового сопротивления двухпроводной линии от

 

полурасстояния между проводниками (при а=2.5 мм)

По рисунку 3 определим полурасстояния между проводниками для полученных волновых сопротивлений ступеней.

Линия Zв : d0 = 10.19 (мм)

Ступень

R1 :

d1

= 9.76

(мм)

Ступень

R2 :

d2

= 7.98

(мм)