Все по ФОЗИ / шпоры3

Упругие волны и их характеристики.

Упругие волны - волны, обусловленные упругими силами, возникающими в различных средах при их деформациях (сжатии, сдвиге или изгибе). Звук и сейсмические волны являются примерами упругих волн. Упругие волны могут быть продольными и поперечными. В газах и жидкостях упругие силы возникают только при сжатии и не возникают при сдвиге. Поэтому смещения частиц газа или жидкости распространяются только в виде продольных волн. В твердых телах упругие силы возникают также при сдвиге. Вследствие этого в твердых телах могут одновременно распространяться и продольные волны, и поперечные. Важнейшие свойства упругих волн :конечная скорость распространения; перенос волнами энергии без переноса вещества; при распространении волны частицы колеблются около своих положений равновесия, а не перемещаются вслед за волной.Вместе с волной от частицы к частице передается только состояние колебательного движения и его энергия.

Виды упругих волн

Механическая волна - колебания, распространяющиеся в упругой среде — газе, жидкости или твердом теле. Например, волны на по­верхности воды; в резиновом шнуре, один конец которого закреплен, а дру­гой его конец приведен в колебатель­ное движение. Механические волны воз­никают благодаря силам упругости. Распространение механичес­ких волн связано с переносом вещества среды из одного места в другое на большие расстояния.

По форме волновых поверхностей различают волны плос­кие и сферические. В плоской волне волновыми поверхностями являются плоскости, перпендикулярные к направлению рас­пространения волны. Такие волны можно получить на поверхности воды с помощью колебаний плоского стержня в направлении, перпендикуляр­ном к поверхности воды. Сферические волны воз­никают, если источник является точечным. Примером может быть волна на спокойной поверхности воды от брошенного камня.

Поперечной волной называют волну, в которой колебания происходят перпендикулярно перемещению волны. Например, поперечная волна распространяется вдоль натянутого резинового шнура, один конец которого закреп­лен, а другой его конец приве­ден в колебательное движение. Продольной волной называют волну, в которой колебания происходят вдоль линии перемещения волны. Продольная волна возникает, например, в длинной спираль­ной пружине, висящей горизонтально.

Звуковые волны также являются продольными механически­ми волнами.

Основные характеристики волн: 1. Энергия волны 2. Длина волны. 3. Период волны. 4. Частота волны. 5. Фаза волны 6. Скорость волны. 7. Волновое число.

Скорость распро­странения звуковых волн в газах зависит от абсолютной темпера­туры и для идеальных газов определяется по формуле:

где R - универсальная газовая постоянная, μ - молярная масса, -

отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости газа при постоянном объеме, постоянная для данного газа величина и зависящая от строения молекулы газа, Т — абсолютная температура

Скорость распространения продольных волн в твердых телах зависит от плотности и модулей упругости:

где Е — модуль упругости (модуль Юнга).

Скорость упругих волн в жидкостях:

где К — модуль объемной упругости.

Антенны. Основные физические параметры: КУ, ДДА.

Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема электромагнитных волн. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки. Рассмотрим основные физические параметры антенны. Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн, судить о пригодности антенны для решения той или иной задачи, устанавливать соответствие антенны предъявляемым к ней требованиям.

Физические параметры: Мощность и сопротивление излучения антенны, КПД, Диаграмма направленности антенны (ДНА), Коэффициент направленного действия (КНД), Коэффициент усиления (КУ), Действующая длина антенны (ДДА)

Коэффициент усиления.. Две антенны, имеющие одинаковые ДНА и КНД при равной подводимой мощности будут создавать в одинаково расположенных относительно антенны точках приема различные направления поля в зависимости от величины потерь энергии в антенне. Чтобы усилить влияние потерь энергии в антенне, вводят

понятие коэффициента усиления. G = η∙Д, где Д – наибольший размер излучающего

раскрыва антенны. Действующая длина антенны.Для сравнения проволочных антенн различных типов вводят параметр действующая длина антенны (h_Д). Создаваемая элементарным отрезком антенны напряженность поля в точке приема, расположенной на направлении максимума ДНА, определяется величиной тока в этом отрезке. Напряженность, которую создает вся антенна, определяется графически путем вычисления площади S₁, ограниченной кривой распространения тока вдоль провода и осью провода. Эту площадь называют площадью тока. Антенны с одинаковой площадью тока создают одинаковые напряженности полей в равноудаленных точках приема, расположенных по направлению максимума ДНА. Поэтому антенну длиной l можно заменить некоторой воображаемой антенной с той же площадью тока, но в которой ток одинаков по всей длине и равен току на клеммах реальной антенны. Такая воображаемая антенна будет иметь длину h_Д, которую и называют ДДА. Она всегда

меньше геометрического размера. h_Д = λ /π Антенны бывают проволочными,

рупорными, зеркальными.

Антенны. Основные физические параметры: ДНА, КНД

Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема электромагнитных волн. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки. Физические параметры: Мощность и сопротивление излучения антенны, КПД, Диаграмма направленности антенны (ДНА), Коэффициент направленного действия (КНД), Коэффициент усиления (КУ), Действующая длина антенны (ДДА)

Диаграммы направленности Кол-во энергии, излучаемое антенной в единицу телесного угла, неодинаково. О направленности излучения антенны судят по ее диаграмме направленности (ДНА). Различают ДНА по полю и по мощности. ДНА по полю – это графическое выражение зависимости напряженности электрического поля, которое создается в равноудаленных от антенны точках зоны, от направления излучения. В пространстве эту зависимость представить сложно, поэтому обычно строят не пространственную ДНА, а ее сечение двумя взаимно ортогональными плоскостями. Одну из этих плоскостей совмещают с вектором Е и называют Е-плоскостью, а вторую плоскость совмещают с вектором Н и называют Н-плоскостью. Дальняя зона излучения для одной антенны является ближней для другой. Дальняя зона излучения антенны определяется условием, при котором расстояние от антенны до точки наблюдения находится: R >> (2Д²)/λ, где Д - наибольший размер излучающего раскрыва антенны. Если выполнено это условие, то можно считать, что все идущие от антенны к точке наблюдения радиолучи параллельны.

Пространственная ДНА имеет форму тора.

Коэффициент направленного действия. КНД антенны – это числовая характеристика степени концентрации энергии в пространстве. КНД – число, показывающее, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии, что они имеют одинаковые КПД и создают равные направленности полей в одной и той же точке приема. Максимальная величина КНД достигает значения нескольких единиц у слабо направленных и нескольких десятков и даже сотен тысяч у антенн с узкой ДНА (например, РЛС космической связи).

Антенны. Предназначение, основные физические параметры: мощность, сопротивление излучения, КПД.

Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема электромагнитных волн. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки. Рассмотрим основные физические параметры антенны. Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн, судить о пригодности антенны для решения той или иной задачи, устанавливать соответствие антенны предъявляемым к ней требованиям. Физические параметры: Мощность и сопротивление излучения антенны, КПД, Диаграмма направленности антенны (ДНА), Коэффициент направленного действия (КНД), Коэффициент усиления (КУ), Действующая длина антенны (ДДА)

Мощностью излучения (Р_ε) называется среднее количество э/м энергии, излучаемое антенной в единицу времени. Полная мощность (Р), потребляемая антенной от источника, складывается из мощности потерь (Р_П) и мощности излучения:

Р = Р_ε + Р_п. Мощность потерь является следствием конечной проводимости проводников антенны, несовершенства диэлектриков, потерь мощности в окружающих предметах. Если известна амплитуда токов на клеммах антенны, т.е. в местах соединения антенны с линией передач. Каждую из составляющих мощности можно представить в виде:

Сопротивление излучения антенны равно такому активному сопротивлению, на котором при токе, равном току на клеммах, рассеивается мощность, равная мощности излучения. Величина сопротивления излучения зависит от характера распространения тока вдоль провода антенны, от соотношения длины излучающего провода и длиной изучаемой э/м волны.

Так все полуволновые вибраторы (антенны) имеют сопротивление излучения R_Σ=73,1 Ом. Вибраторы с длиной в 1 волну имеют сопротивление 210 Ом. В общем случае сопротивление излучения антенны является комплексной величиной, мнимая часть которой определяет реактивную мощность излучения, локализованную в ближней зоне антенны. КПД. Антенна преобразует энергию источника э/м колебаний в энергию э/м

волн. КПД этого преобразователя определяется по формуле: η = Р_ε/Р = Р_ε/( Р_ε+Р_П) = 1/(1 + Р_П/ Р_ε). Таким образом КПД тем больше, чем больше сопротивление излучения

по сравнению с сопротивлением волновых потерь. Величина КПД антенны для полуволнового вибратора равна 0,9.

Основные сведения о линиях передачи. Основные требования к линиям передачи. Симметричная двухпроводная линия, коаксиальный кабель.

ЛП предназначены для передачи э/м энергии от источника к потребителю, напряжение от генератора ВЧ энергии к передающей антенне или от приемной к приемнику. К ЛП предъявляют следующие основные требования: 1) отсутствие излучения э/м энергии, 2) передача с минимальными потерями 3) наличие режима бегущих волн 4) высокое пробивное напряжение 5) удобство эксплуатации. ЛП могут быть открытыми и закрытыми. Простейшим типом открытых линий является симметричная двухпроводная линия. Она слабо излучает э/м волны при условии, что расстояние между проводами много меньше длины волны. Чем больше передаваемая мощность, тем выше напряжение между проводами. Максимально допустимое напряжение должно быть меньше пробивного. Выбор диаметра проводов зависит от требуемого волнового сопротивления, которое для линий такого вида 300–800 Ом. На работу открытых линий заметное влияние оказывают климатические условия. В закрытых линиях э/м поле полностью изолировано от окружающей среды. Наибольшее распространение из закрытых ЛП получил коаксиальный кабель. В нем один провод, покрытый диэлектриком, помещен внутри другого, выполненного из гибкой металлической оплетки. Наибольшие потери имеют коаксиальные кабели, внутренний провод которых покрыт чешуйчатыми керамическими изоляторами или диэлектрическими шайбами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга. Внешний провод кабеля может быть заземлен. Длина э/м волны в коаксиальном кабеле не зависит от поперечных размеров кабеля. Волновое сопротивление стандартных кабелей от 35 до 150 Ом. С увеличением частоты в двухпроводных линиях возникают потери на излучение в изоляторах: в коаксиальном кабеле при этом резко увеличиваются потери в диэлектриках. На волнах 10-тисантиметрового диапазона и короче потери так велики, что применение коаксиальных кабелей становится нецелесообразным. В сантиметровых и миллиметровых диапазонах широко применяются волноводы. Волноводы – это полые металлические трубы прямоугольного, круглого или П-образного сечения, а в оптическом диапазоне – диэлектрические волноводы. Распространение радиоволн в волноводе возможно лишь при определенных соотношениях между длиной волны и геометрическими размерами волновода. Рассматривая картину распространения токов при переходе от двухпроводной линии к волноводу, можно установить, что в волноводе существуют продольные и поперечные токи. В волноводе по внутренним поверхностям вдоль широких стенок будут распространяться волны продольного тока, а поперек стенок установятся стоячие волны поперечного тока. Скорость распространения энергии не может быть больше скорости света.