Написание контрольных, курсовых, дипломных работ, выполнение задач, тестов, бизнес-планов
  • Не нашли подходящий заказ?
    Заказать в 1 клик:  /contactus
  •  
Главная \ Методические указания

Методические указания

Апаратура радіозв’язку, радіомовлення і телебачення 04.02.2019 16:48

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний  університет

 

 

 

 

 

 

 

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА ТА ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ

 

Методичні вказівки до виконання курсової роботи

для студентів факультету електроніки  спеціальності 7.090703                                                                        "Апаратура радіозв’язку, радіомовлення і телебачення "

 

 

(електронна версія)

 

 

 

 

 

 

 

Київ 2003

 

УДК 537.8 + 621.371(076.5)

ББК В 313р(2) 3 - 252

         Е 455

 

 

 

                   Укладачі:    В.О. Іванов – докт. техн. наук, профессор

              Є.І.  Габрусенко – канд. техн. наук, доцент

        

                   Рецензент:  А.Г. Тараненко – канд. техн. наук, доцент

 

        Затверджено на засіданні секції факультету електроніки                     

  редради НАУ 16 вересня 2002 року.

 

              Електродинаміка та поширення  радіохвиль: Методичні        Е 445     вказівки  до  виконання  розрахунково-графічної  роботи  /  Укладачі: В.О. Іванов,   Є.І. Габрусенко - К.: НАУ, 2003. - 36  с.

              

 

 

        Містять  завдання та методичні вказівки  до  виконання        

  курсової  роботи,   вихідні  дані,  список  літератури.

                    Призначені для   студентів  факультету  електроніки та

              телекомунікацій    спеціальності    7.090703        "Апаратура         

              радіозв’язку,     радіомовлення   і   телебачення”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

        Метою курсової роботи є закріплення теоретичного матеріалу,  набуття навичок у розв’язуванні електродинамічних задач.

        Курсова робота складається з п'яти задач, які відповідають умовному розподілу курсу "Електродинаміка та поширення радіохвиль" на такі теми:  "Електростатика",  "Магнітостатика", "Теорія змінних електромагнітних полів", "Радіохвилеводи", "Поширення радіохвиль". Студенту необхідно розв’язати по одному  варіанту з десятьох наведених для кожної задачі.

        Остання цифра номера залікової книжки  визначає вихідні дані, що необхідні для розв’язування конкретної задачі, а передостання цифра  вказує на варіант  задачі. Якщо цифра парна, то розв’язується варіант А, якщо непарна - варіант Б.

        Курсова робота має бути оформлена відповідно до "Положення про курсове проектування", що затверджено 3 жовтня 2002 року наказом ректора № 152/од. Пояснювальна записка повинна мати таку структуру:  титульний  аркуш;  завдання на виконання; реферат; зміст;

перелік умовних позначень, скорочень і термінів; вступ; основна частина; висновки. У додатках до пояснювальної записки мають бути графічні ілюстрації результатів по кожній задачі відповідно завданню.

        В анотації необхідно надати короткий зміст роботи з коментарем отриманих результатів. Вступ повинен розкрити основні теоретичні відомості, що стосуються теми курсової роботи, а також постановку мети роботи. Висновки повинні містити сутність отриманих результатів та рекомендації щодо їх практичного застосування.

Графічний матеріал виконується на аркушах міліметрового паперу формату А4 та підшивається в додатках до пояснювальнлї записки.
КОНТРОЛЬНІ ЗАВДАННЯ

 

Задача 1

 

       Порожниста діелектрична куля виконана  з  матеріалу з абсолютною діелектричною проникністю . Внутрішній радіус кулі – , а зовнішній – . По кулі розпо-ділений електричний заряд з об'ємною густиною . Заряд розподілений по об’єму кулі нерівномірно. Вільний простір всередині і поза кулею заповнено повітрям.

       На основі даних табл. 1 необхідно:

       - встановити аналітичні залежності вектора електричної індукції  , вектора напруженості поля   і потенціалу електростатичного  поля    від відстані    до центра кулі;

       -  з урахуванням конкретних данних, які відповідають  варіанту  задачі (табл. 1),  подати отримані результати у вигляді таких графічних залежностей:

 ;   ;  .

У табл. 1 наведені вихідні дані для десятьох варіантів  А (), і для десятьох варіантів Б (), де: – постійний кое-фіцієнт; - поточний радіус.

                                                                   Таблиця 1

 

Вихідні дані

  ,  м

   ,  м

, Ф/м

        

0

0,02

0,06

2

1

0,04

0,08

3

2

2

0,06

0,10

4

3

3

0,08

0,16

5

4

4

0,10

0,20

6

5

 

 

 

 

                                                                                      Продовження табл. 1

 

Вихідні дані

  ,  м

   ,  м

, Ф/м

        

5

0,12

0,18

7

6

6

0,14

0,16

8

7

7

0,16

0,20

9

8

8

0,18

0,22

10

9

9

0,20

0,30

11

 

Абсолютна діелектрична проникність повітря   Ф/м.

 

       Методичні вказівки

 

          Для знаходження  значень електричної індукції слід вико-ристовувати рівність Гаусса-Остроградського в інтегральній формі,  застосовуючи його послідовно для областей простору, обмежених такими значеннями: ; ;.

         Сумарний заряд знаходять із співвідношення:

,

де   

,

а   і  – кутові координати, або

          Визначення потенціалів доцільно починати  з  дальньої  зони, використовуючи вираз:

,

де   = const – стала інтегрування.

          Постійні інтегрування знаходять,  використовуючи  умову  рівності потенціалів на межі поділу двох середовищ з обох його боків і рівність потенціала нулю при .

         Цю ж задачу можна вирішити, використовуючи рівняння Пуассона -Лапласа.

         Література: [1, с. 87-92]; [2, с. 69-70]; [3, с. 67-71];  [8, с. 8-13, 20-21].

 

Задача 2

 

         На кільцеве осердя, виконане з магнітного матеріалу з абсо-лютним значенням магнітної проникності , рівномірно намотано  витків ізольованого тонкого дроту, по якому тече постійний струм . Відстань від центру до кругової осьової лінії осердя – .

         Для варіанту А поперечний перетин осердя є квадрат зі стороною , а для варіанту Б поперечний переріз осердя – коло діаметра .

          З урахуванням конкретних даних, наведених у табл. 2, і від-повідно заданому варіанту необхідно визначити:

  • напруженість магнітного поля  в будь-якій точці осердя;
  • магнітний потік Ф в осерді;
  • індуктивність котушки L

                                                                                                                                                                   

                                                                                Таблиця 2

 

Вихіднідані

, Г/м

I, А

0

2,5

0,01

     0,02

1

2,5

0,01

     0,03

5

2

4

0,01

0,04

8

3

2×10-2

0,02

0,05

3

4

1,5

4×10-3

0,02

0,04

4

5

0,01

0,03

                                                                                            

  Продовження табл. 2

 

Вихіднідані

, Г/м

I, А

6

    4×10-2

0,01

0,02

2×103

7

5,5

4×10-3

0,01

0,03

4×103

     8

2,5

0,02

0,04

9

2

5×10-1

0,02

0,05

    1,5×103

                  

Примітка: Г/м - абсолютна магнітна проникність по-вітря.

 

   Методичні вказівки

 

       Для обчислення напруженості магнітного поля  в будь-якій точці усередині осердя доцільно скористатися теоремою про циркуляцію вектора  уздовж замкненого контура  (закон повного струму в інтегральній формі). Конфігурацію контура доцільно вибирати у вигляді кола радіуса . Значення повного струму, який перетинає контур , залежить від числа витків .

        Магнітний    потік    Ф    можна   знайти, cкориставшись форму-лою:

,

де  – вектор магнітної індукції;  –вектор-площадка. 

       Індуктивність L котушки визначається формулою:

.

       Варіант А доцільно розв’язувати в декартовій системі коор-динат, а варіант Б - у полярній системі, обираючи початок координат у центрі поперечного перетину осердя. При цьому в першому випадку:

,

а в другому:

 ,

де    , а  .

       Література: [2, с. 132-133] ; [3, с. 101-105] ; [8, с. 26-28, 42].

 

Задача 3

 

       Плоска однорідна  електромагнітна хвиля поширюється у без-межному напівпровідному середовищі уздовж осі . Відомі: амп-літуда напруженості електричного поля  , частота хвилі , пито-ма провідність середовища , його абсолютна діелектрична проник-ність  і абсолютна магнітна проникність  Г/м.

       На основі даних табл. 3, необхідно:

       - визначити коефіцієнт фази  і коефіцієнт загасання  хвилі, що поширюється;

       - знайти модуль W і фазу  комплексного хвильового опору   середовища поширення електромагнітного поля; перерахувати знайдений фазовий зсув між електричним і магнітним  полями  у віповідний просторовий зсув уздовж напрямку поширення хвилі;

        - записати  вирази для комплексних амплітуд і миттєвих значень векторів напруженості електричного і магнітного полів;   

        - визначити середнє значення вектора Умова-Пойнтінга;

        - обчислити значення фазової швидкості Vф  хвилі;

        - знайти довжину хвилі   в даному середовищі;

        - використовуючи результати розрахунків, зобразити у вигляді епюр миттєві значення напруженості електричного і магнітного полів у момент часу  протягом двох - трьох довжин хвиль для випадків горизонтальної поляризації (варіант А) і вертикальної поляризації (варіант Б);

          -  визначити відстань , на якій амплітуда хвилі зменшується в 1000 разів.    

                        

                                                                                  

 

 

     Таблиця 3

 

Вихідні

дані

, Ф/м

            , См/м

     f, Гц

   Em, В/м

варіант A

варіант Б

0

100 e0

5,0

0,25

50

1

90

2,0

0,3

60

2

80

4,0

0,4

70

3

70

6,0

0,5

80

4

60

30,0

0,2

30

5

50

15,0

0,15

100

6

40

10,0

0,05

120

7

30

1,0

0,5

140

8

20

0,5

0,1

160

9

10

0,05

0,2

180

 

 

Примітка Ф/м – абсолютна діелектрична проник-ність повітря.

 

Методичні вказівки

 

        В напівпровідному середовищі коефіцієнт  загасання , коефі-цієнт фази , комплексний хвильовий опір , довжина  хвилі  і фазова швидкість  Vф хвилі залежать від електричних параметрів середовища і частоти електромагнітного поля.      

        Комплексна амплітуда вектора напруженості магнітного поля  визначається відношенням комплексної амплітуди вектора напру-женості електричного поля до комплексного хвильового опору.

        Середнє значення вектора Умова-Пойнтінга дорівнює половині добутку комплексної амплітуди вектора напруженості електричного поля і комплексно-спряженої амплітуди вектора напруженості маг-нітного поля.

        Просторовий зсув  між максимумами напруженості електрич-ного і магнітного полів визначається відношенням фази   хвильо-вого  опору до коефіцієнта фази .

       Література: [1, с. 109-173]; [2, с. 220-251]; [3, с. 123-127, 140-146]; [9, с. 11-19].

 

 

Задача 4

 

         Прямокутний хвилевід з розмірами поперечного перерізу  виконаний з ідеально провідного матеріалу. На основі даних табл. 4  необхідно:

       - визначити  критичну  і вибрати робочу   довжини хвиль в хвилеводі;

       - виписати компоненти поля хвилі заданого типу;

       - зобразити епюри розподілу проекцій векторів  та   уздовж відповідних поперечних розмірів хвилеводу;

       - побудувати в аксонометрії картину силових ліній поля, зобразити ескіз, що ілюструє розподіл  струмів  провідності  в стін-ках хвилеводу і струмів зміщення в його порожнині;

       - розрахувати характеристичній опір  хвилеводу;

- розрахувати середню потужність Pсер поля у хвилеводі,  якщо амплітуда  електричної  складової поля в пучності дорівнює 103В/м, і оцінити гранично-допустиму  потужність, якщо Епробою = 3106 В/м;     

      - розрахувати значення фазової Vф і групової Vгр швидкостей хвилі;

      - визначити типи хвиль,  які при обраній довжині хвилі  мо-жуть поширюватися в  хвилеводі,  а також  при довжині хвилі, що у чотири рази менша за обрану.                                                                                                      

                  

 

                                                          

                                 

                                                         

 

Таблиця 4

 

Вихідні дані

Розміри по­перечного                                                                       перерізу

Тип хвилі

 

, м

, м

варіант   А

варіант  Б

0

0,02

0,01

H01

1

0,02

0,02

H02

2

0,04

0,01

E11

3

0,04

0,02

H01

4

0,06

0,03

E11

H11

5

0,06

0,02

E11

6

0,08

0,04

H01

7

0,08

0,02

H02

8

0,1

0,05

E11

9

0,1

0,02

H01

 

                        

 

 

          

                              Методичні вказівки

 

       Розв’язання задачі доцільно починати з графічного зображення структури поля заданого типу. Після цього необхідно виписати складові векторів напруженості електричного і магнітного полів, що  зображуються,  з урахуванням  закону,  за яким вони змінюються. Картину силових ліній напруженостей поля і картину густини стру-мів провідності та зміщення доцільно  сумістити  на  одному рисун-ку.

       При розрахунку  характеристичних опорів хвиль типів Нmn у хвилеводі  необхідно використовувати співвідношення

                     ,

а при розрахунку характеристичних опорів хвиль типів Emn – співвідношення:

,

де  W = 377 Ом  – хвильовий опір повітря.

       Середні потужності хвиль типів Нmo  і Нon  визначаються  співвідно-

шенням:

                       ,

середня потужність хвилі типу Н11 – співвідношенням:

                      ,

а середня потужність хвилі типу Е11 – співвідношенням:

                           .

Література: [1, с. 244 - 267] ; [2, с. 413 - 420] ; [3, с. 231 - 243]; [10, с.  5 - 26],  [11, с.  15 - 27].

 

Задача 5

 

       Передавальна і приймальна антени,  які призначені для роботи з вертикально-поляризованими хвилями, розташовані понад гладкою земною поверхнею і характеризуються висотами  та  .

        Відомі: потужність випромінювання  передавальної антени, максимальні значення  коефіцієнтів підсилення  обох антен, довжина хвилі , протяжність  радіолінії , відносна діелек-трична проникність  і  питома провідність  ділянки зем-ної поверхні вздовж траси поширення радіохвилі.

         Радіус земної кулі  м.

         На основі даних табл. 5 та 6 необхідно:

         - визначити максимальні значення радіусів перших шести зон Френеля, суттєвих для поширення радіохвиль;

         - розрахувати амплітуду  вектора напруженості елек-тричного поля  на відстані  від передавальної антени;

         -  визначити потужність , яка виділяється в приймальній антені під дією цього поля, без урахування впливу земної поверхні на  поширення радіохвиль;

      - розрахувати значення модуля комплексного коефі-цієнта послаблення по напруженості електричного поля ;

      - визначити  амплітуду  напруженості електричного поля  в точці прийому з урахуванням впливу особливостей земної поверхні на умови поширення радіохвиль ;

      - визначити потужність , яка виділяється в приймальній антені під дією цього поля, з урахуванням впливу земної поверхні на умови  поширення радіохвиль.    

       Вихідні дані для варіанта А (високо-підняті антени) наведені в табл. 5, а для варіанта  Б (низькорозташовані антени) – в табл. 6.

       Для варіанта А протяжність радіотраси  задається співвід-ношенням: , де  –  відстань прямої видимості.

  

 

 

 

 

 

                                                                                  Таблиця 5

 

Вихідні дані

 Вт

 

 

   

 , м

     

  

 

 

0

20

200

0,3

0,2

100

75

 

1

25

160

0,35

0,19

110

80

 

2

30

130

0,4

0,18

70

120

 

3

35

120

0,45

0,17

120

80

 

4

40

100

0,5

0,16

110

100

 

5

45

90

0,55

0,15

100

160

 

6

50

80

0,6

0,14

150

110

 

7

55

70

0,65

0,13

130

170

 

8

60

65

0,7

0,12

120

180

 

9

65

60

0,75

0,1

150

200

                             
 

                                                                    

 

Таблиця 6

 

 

Вихідні дані

, кВт

   D

, км

, м

     

     

 

, См/м

 

 

1

2

3

4

5

6

7

 

 

0

20

1,5

45

 300

30

 

 

1

25

2,0

50

 400

20

 

 

2

30

2,5

55

 500

10

3

35

3,0

60

 800

5

 

4

40

1,5

65

1000

3

 

5

45

2,0

70

1200

30

 

6

50

2,5

75

1400

20

 

7

40

3,0

80

1600

15

 

8

30

1,5

85

2000

5

 

9

20

2,0

90

2200

3

 

                                                             
 

 

Методичні вказівки

 

       Перші три пункти задачі є загальними для обох варіантів.

       Максимальний радіус N-ої зони Френеля визначається за формулою:

 

       Варіант А  відноситься до випадку високопіднятих антен,  коли .

        Для розрахунку напруженості поля в цьому випадку можна використовувати формулу  Введенського:

де

а коефіцієнт послаблення

       Якщо виявиться,  що r > 0,2,  де  відстань  прямої  видимості

то в інтерференційних формулах і в формулі  Введенського висоти антен  і  слід замінити приведеними висотами:

де

і

де

       Варіант Б відноситься до випадку низькорозташованих антен, коли .  При цьому розрахунку множника послаблення  передує процедура визначення допоміжного чинника , який називається чисельною відстанню.  

       Для  розрахунку  напруженості  поля  використовують  формулу Шулейкіна – Ван-дер-Поля:

 

де коефіцієнт послаблення

 

а чисельна відстань

                    

 

 

Література: [4, с. 267–272, 298–300, 304–314, 317–323] ; [5, с. 13–15, 21–38] ; [6, с. 11–21, 45–79].

 

Всі задачі характеризуються послідовністю,  внутрішнім взаємозв’язком та практичною спрямованістю. Їх розв’язування дає можливість придбати навички в електродинамічних розрахунках. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

 

     1. ВОЛЬМАН В.И., ПИМЕНОВ Ю.В. Техническая электродинамика. - М.: Связь, 1971.- 487 с.

     2.    ГОЛЬДШТЕЙН А.Д., ЗЕРНОВ Н.В. Электромагнитные поля и волны. - М.: Сов. Радио, 1971. – 662 с.

     3.    НИКОЛЬСКИЙ В.В., НИКОЛЬСКАЯ Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука, 1989. – 544 с.

     4. МАРКОВ Г.Т., ПЕТРОВ Б.М., ГРУДИНСКАЯ Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Сов. Радио, 1979 – 376 с.

     5.  ЧЕРЕНКОВА Е.Л., ЧЕРНЫШОВ О.В. Распространение радиоволн. -  М.: Радио и связь, 1984.- 272 с.

     6.   ГРУДИНСКАЯ Г.П. Распространение радиоволн. - М.: Высш. школа, 1975. – 280 с.

     7.    ДОЛУХАНОВ М.П. Распространение радиоволн. - М.: Радио и связь, 1975. -  400 с.

     8.   ІВАНОВ В.О., ГАБРУСЕНКО Є.І. Електростатика та магнітостатика: Тексти лекцій. – К.: НАУ, 2000. – 44 с.

     9.  ІВАНОВ В.О., ГАБРУСЕНКО Є.І. Змінні електромагнітні поля та хвилі: Тексти лекцій. – К: НАУ, 2000. – 40 с.

    10. ІВАНОВ В.О.,  ГАБРУСЕНКО Є.І. Лінії передачі та резонансні системи в діапазоні НВЧ: Тексти лекцій. – К.: КМУЦА, 1999. – 48 с.

    11. ІВАНОВ В.О., ГАБРУСЕНКО Є.І. Поширення радіохвиль: Тексти лекцій. – К.: НАУ, 2002. – 64 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Навчально-методичне видання

 

 

 

 

 

 

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА ТА ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ

 

 

Методичні вказівки до виконання розрахунково-графічної роботи

для студентів факультету електроніки

спеціальності 7.070903

“Апаратура радіомовлення, зв’язку та телебачення”

 

 

 

 

 

Укладачі: ІВАНОВ Володимир Олександрович,

      ГАБРУСЕНКО Євген Ігорович

 

 

 

 

 

         Технічний редактор А.І. Лавринович

 

Підписано  до  друку  20.06.03.      Формат 60х84/16.           Папір офсетний

Офсетний друк.  Ум. фарбовідб.  5.   Ум. друк. арк. 0,93.  Обл.-вид. арк.1,0

Тираж          прим.  Замовлення №            Вид. №

 

Видавництво НАУ

03058. Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1

 

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру ДК №977

від 05.07.02