Методические указания к лабораторной работе по курсу «Теория волновых процессов» для студентов специальности 1-31-04-02 «Радиофизика» минск


Скачать 113.98 Kb.
НазваниеМетодические указания к лабораторной работе по курсу «Теория волновых процессов» для студентов специальности 1-31-04-02 «Радиофизика» минск
Дата публикации13.06.2013
Размер113.98 Kb.
ТипМетодические указания
referatdb.ru > Физика > Методические указания


БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра радиофизики



ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ, ПОДНЯТЫХ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ

Методические указания
к лабораторной работе


по курсу «Теория волновых процессов»

для студентов
специальности 1-31-04-02 «Радиофизика»





МИНСК

2009

УДК 537.86(076.5)

ББК 32.840я73

И88




А в т о р ы-с о с т а в и т е л и:

И. Т. Кравченко, Н. Н. Полещук,
А. С. Рудницкий


Рекомендовано Ученым советом

факультета радиофизики и электроники

29 сентября 2009 г., протокол № 1


Р е ц е н з е н т

доктор физико-математических наук,

профессор М. М. Кугейко


И88

Исследование поля излучателей, поднятых над поверхно­стью земли: метод. указания к лаб. работе / И. Т. Кравченко, Н. Н. Поле­щук, А. С. Рудницкий. – Минск: БГУ, 2009. – 13 с.


Методические указания к лабораторной работе, выполняемой в рамках изучения учебной дисциплины «Теория волновых процессов», посвящены исследованию полей излучателей, поднятых над поверхностью земли.

Предназначено для студентов факультета радиофизики и электроники.
УДК 537.86(076.5)

ББК 32.840я73
© БГУ, 2009

^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ,

ПОДНЯТЫХ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ

Цель работы
Изучить влияние плоской земной поверхности на диаграмму направленности антенны при горизонтальной и вертикальной поляризациях излучения.
^ Порядок выполнения работы
1. Внимательно прочитать описание лабораторной работы.

2. Используя конспект лекций и рекомендованную литературу, усвоить основные теоретические сведения, методы и технику измерений, которые необходимо проделать в данной работе.

3. Выполнить все измерения, положенные по ходу лабораторной работы.

4. Составить отчет о работе.
^ Сведения из теории
Одним из основных параметров антенны является ее направленность. Направленность обычно характеризуется так называемыми диаграммами направленности. Диаграммой направленности передающей антенны называется зависимость амплитуды величины, характеризующей поле, излучаемое антенной, от направления на точку наблюдения при условии, что эта точка перемещается на фиксированном расстоянии от центра антенны. Это значит, что в выражении для любой физической величины S

,

где - координаты точки наблюдения в сферической системе координат, диаграммой направленности является функция . В целях удобства сравнения диаграммы направленности различных антенн нормируются к единице. Нормированной диаграммой направленности называется соотношение

,

где - максимальное значение диаграммы направленности.



Рис. 1

Сечения пространственной диаграммы плоскостями, проходящими через центр диаграммы, называются диаграммами направленности в соответствующей плоскости. Эти диаграммы обычно имеют вид ряда лепестков, разделенных нулями. Если среди лепестков можно выделить один или несколько, значительно превышающих по своему максимальному уровню остальные, то его называют главным лепестком (или главными лепестками) диаграммы направленности, а остальные – боковыми лепестками (рис. 1). В диаграммах слабонаправленных антенн боковые лепестки могут отсутствовать: диаграмма направленности при этом имеет вид одного-двух основных лепестков с равными максимумами. Например, диаграмма элементарного диполя имеет вид восьмерки, т.е. две соприкасающиеся окружности. Диаграммы остронаправленных антенн обычно имеют большее число боковых лепестков, наличие которых вредно, так как они приводят к бесполезному растрачиванию излучаемой мощности, создают помехи в работе другим радиостанциям и, в случае приема, приводят к увеличению уровня помех.

Основное применение слабонаправленные антенны находят в радиовещании, военной радиосвязи, радиомаяках и в станциях разведки и помех.



Рис. 2

Существуют антенны с так называемыми игольчатыми диаграммами (рис. 2), главные сечения которых имеют вид острого лепестка. При таких диаграммах излучение антенны концентрируется в небольшом телесном угле. Такие диаграммы направленности имеют радиотелескопы для исследования разнообразных объектов в радиоастрономии. Параболические антенны являются наиболее типичными представителями антенн со сплошным раскрывом и в то же время классическим примером инженерного решения проблемы создания больших приемных площадей. В настоящее время в радиоастрономических обсерваториях имеется очень большое количество инструментов этого типа с диаметрами до 100 м. Например, Боннский радиотелескоп. 100-метровое зеркало в Бонне работает в диапазоне 1 см < λ < 25 см. Самым точным радиотелескопом в мире является прецизионный радиотелескоп Крымской астрофизической обсерватории (РТ-22 КрАО). Диаметр радиотелескопа 22 м. Точность радиотелескопа зависит от точности изготовления его поверхности. Поверхность Крымского радиотелескопа в горизонтальном положении отклоняется от идеальной максимум на 0,2 мм. Для сравнения, в Боннском радиотелескопе ошибка составляет 2 мм.

Влияние Земли на распространение волн сводится к следующему. При распространении волн между двумя пунктами может иметь место отражение волны от земной поверхности. В этом случае в некоторой точке А, расположенной над поверхностью Земли, поле будет представлять собой сумму прямой волны и отраженной, имеющих различный сдвиг фаз в различных точках пространства. В зависимости от разности фаз этих волн дальность действия, например, радиолокационной станции в одних направлениях увеличивается, а в других значительно уменьшается. Это явление существенно сказывается на работе радиолокационных станций метрового диапазона, имеющих, как правило, антенны с широкой диаграммой направленности. В этом случае значительная часть электромагнитной энергии поля падает на поверхность Земли и отражается от нее. Результирующее поле в точке А определяется также электрическими параметрами среды.

Строгая задача о нахождении поля в точке приема с учетом влияния Земли сводится к решению уравнений Максвелла применительно к заданным граничным условиям. Однако эта задача может быть значительно упрощена, если излучатель и приемная антенна расположены над поверхностью Земли на высоте, превышающей несколько раз длину волны. В этом случае, применяя метод геометрической оптики, можно показать, что результирующая диаграмма направленности в плоскости, вертикальной плоскости Земли, определяется выражением

, (1)

где - диаграмма направленности антенны в свободном пространстве, - интерференционный множитель, учитывающий влияние земной поверхности и определяемый выражением

, (2)

h - высота поднятия исследуемой антенны: , - модули коэффициентов отражения от земной поверхности для случаев вертикальной и горизонтальной поляризации, а - фазы этих коэффициентов.

Модули коэффициентов отражения определяются выражениями

; , (3)

где - относительная диэлектрическая проницаемость почвы, определяемая как

,

где - проводимость земли;

- угол между падающим лучом и нормалью к поверхности Земли.

Расчет функции обычно выполняют для экстремальных и некоторых промежуточных значений (рис. 3).


Рис. 3

Для направления максимумов имеем

, (4)

,

где

Для направлений минимумов

, (5)

.

Тогда направления максимумов и минимумов находят из выражений

; . (6)

Промежуточные значения удобно найти из условия

.

Тогда .

В случае идеально проводящей почвы

, , ,

,

.

Рассмотрим поле горизонтального диполя в плоскости, перпендикулярной к его оси. В этой плоскости диаграмма направленности .

Поскольку , проанализируем случаи, когда почва является проводником и диэлектриком . Из формул (3) следует, что для обоих случаев , т.е. . Следовательно, условия для максимумов и минимумов интерференционного множителя будут одинаковыми для обоих видов почв, и, согласно равенству (4,5), определяются соотношениями


, , (7)

, . (8)

На рис. 4 для значения приведена диаграмма направленности диполя, расположенного над почвой-проводником, когда и .



Рис. 4 Рис. 5



Рис. 6 Рис. 7

Для случая, когда почва является диэлектриком, диаграмма направленности показана на рис. 5. В этом случае , и, так как из выражения (2) следует, что , , то максимумы диаграммы меньше двух, а минимумы - больше нуля. Проведем анализ поля вертикального диполя, диаграмма направленности которого в вертикальной плоскости в свободном пространстве . Следовательно, диаграмма направленности диполя над землей определяется выражением

. (9)

В случае почвы-проводника из формул (3) следует, что , и .

Поскольку при функция быстро меняется по сравнению с , направления минимумов и максимумов функции (9), согласно равенствам (4) и (5), определяются соответственно формулами (7) и (8). Для диаграмма направленности изображена на рис.6. Для почвы-диэлектрика из формулы (3) следует, что при углах и при , где - угол Брюстера, при котором . Тогда, согласно равенствам (4) и (5), при условия максимумов и минимумов функции совпадают с условиями максимумов и минимумов для случая горизонтальной поляризации, а при – с условиями максимумов для случая вертикальной поляризации. На рис. 7 приведен пример диаграммы направленности для случая .

Таким образом, при любых параметрах почвы с помощью интерференционного множителя легко определить поле поднятых над землей излучателей, если известно их поле в свободном пространстве.

Для случая малых углов возвышения расчет электромагнитного поля в точке расположения приемной антенны можно значительно упростить. Действительно, в этом случае при параллельной поляризации для диэлектрической и полупроводящей почв и перпендикулярной поляризации для всех видов почв из выражений (3) следует: . Тогда формула (2) для интерференционного множителя примет вид

. (10)

Если предположить, что , т.е. , то

,

и выражение (10) преобразуется к виду

.

Следовательно, амплитуды поля для вертикального и горизонтального диполей определятся соотношением

, (11)

где – мощность излучения; D = 1,5 – КНД диполей.

Соотношение (11) называется квадратичной формулой Введенского.

^

Описание лабораторной установки



Блок-схема лабораторной установки показана на рис.8.



Рис. 8

Лабораторная установка состоит из:

  1. Генератор типа Г4-115.

  2. Исследуемая антенна, расположенная на высоте h над плоской землей.

  3. Приемная система, позволяющая снимать диаграмму направленности над землей.

  4. Индикатор – усилитель.
^

Включение установки



1. Включить шнур питания генератора Г4-115 в сеть согласно положению предохранителя на задней стенке прибора, ручку «мощность» установить в крайнее левое положение. Тумблер «индикация-резонанс» установить в положение «индикация», а переключатель «режим работы» - в положение «НГ».

Переключить тумблер «сеть» в верхнее положение, при этом загорается световой индикатор. Прогреть прибор в течении 15 мин. После чего переключатель «режим работы» поставить в положение «внутреннее». Ручкой «мощность» дать необходимый сигнал для работы.

2. Включить в сеть шнур питания индикатора (микровольтметр). Тумблер «сеть» поставить в верхнее положение. Прогреть индикатор не менее 5 мин. Ручку «усилитель-генератор» поставить в положение «усилитель», подать на вход индикатора исследуемый сигнал. Регулировка сигнала осуществляется на индикаторе тумблером «пределы».

^

Задание по работе





  1. Рассчитать и построить в прямоугольной системе координат интерференционный множитель для заданных значений и вида поляризации. Для этого достаточно рассчитать значения углов и по формулам (6) в интервале от 0 до , при которых значение множителя принимает максимальные и минимальные значения. Расчет проводить для случая идеально проводящей почвы .

  2. Установить «землю» и значение h в соответствии с индивидуальным заданием, снять диаграмму направленности антенны при наличии «земли». Значения и фиксировать для экстремальных значений.

Снятую диаграмму направленности пронормировать к максимальному значению и сравнить с теоретической, рассчитанной по формуле (1). Значения рассчитать по формуле

,

где , 2а - широкая стенка рупора, равная 2,4 см, ,

для значений , рассчитанных при выполнении п.1 задания.

Содержание отчета
В отчете должны быть представлены:

1. Блок-схема установки.

2. Расчет и график интерференционного множителя.

3. Нормированная диаграмма направленности антенны в свободном пространстве.

4. Графики результирующей диаграммы направленности с учетом влияния «земли», снятый экспериментально и рассчитанный теоретически.

5. Анализ полученных результатов и выводы.
Контрольные вопросы
1. Каким образом учитывается влияние Земли на поле излучателей?

2. Какие диаграммы направленности имеют антенные системы радиотелескопов?

3. Из каких соображений выбирают поляризацию антенн радиолокационных станций?

Литература


  1. Кравченко И. Т. Теория волновых процессов. – М.: УРСС, 2003. – 236 с.

  2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. –М.: Наука, 1970.

  3. Никольский В. В. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Наука, 1973.

  4. Кураев А. А., Попкова Т. Л., Синицын А. К. Электродинамика и распространение радиоволн. – Минск: Бестпринт, 2004.


Учебное издание
^ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ

ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ,

ПОДНЯТЫХ НАД

ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ
Методические указания

к лабораторной работе

по курсу «Теория волновых процессов»

для студентов специальности

1-31-04-02 «Радиофизика»

А в т о р ы – с о с т а в и т е л и

Кравченко Иван Тимофеевич

Полещук Наталья Николаевна

Рудницкий Антон Сергеевич
В авторской редакции
Ответственный за выпуск И. Т. Кравченко

Подписано в печать 27.11.2009. Формат 60´84/16. Бумага офсетная.

Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 0,87. Уч.- изд. л. 0,63. Тираж 50 экз. Зак.
Белорусский государственный университет.

Лицензия на осуществление издательской деятельности

ЛИ № 02330/0494425 от 08.04.2009.

220030, Минск, проспект Независимости, 4.
Отпечатано на копировально-множительной технике

факультета радиофизики и электроники
Белорусского государственного университета.
220064, Минск, ул. Курчатова, 5.

ДЛЯ ЗАМЕТОК

ДЛЯ ЗАМЕТОК


Похожие рефераты:

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Теория волновых...
Изучение волн эллиптической поляризации: метод указания к лаб работе / И. Т. Кравченко, Н. Н. Полещук, А. С. Рудницкий. – Минск:...
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Теория волновых...
Дифракция электромагнитных волн на круглом отверстии: метод указания к лаб работе / И. Т. Кравченко, Н. Н. Полещук, А. С. Рудницкий....
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Теория волновых...
Прохождение волн через плоскопараллельные слои: метод указания к лаб работе / И. Т. Кравченко, Н. Н. Полещук, А. С. Руд­ницкий. –...
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Теория волновых...
Зоны Френеля при распространении радиоволн: мето­д указа­ния к лаб работе / И. Т. Кравченко, Н. Н. По­ле­щук, А. С. Рудниц­кий. –...
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Теория волновых процессов»
Зоны Френеля при отражении радиоволн от земной поверхно­сти: метод указания к лаб работе / И. Т. Кравчен­ко, Н. Н. Поле­щук, А. С. Рудницкий....
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Статистическая радиофизика»
Методические указания предназначены для студентов факультета радиофизики и электроники специальности 1-31 04 02 «Радиофизика»
Методические указания к лабораторной работе 1 для студентов по специальности...
Изложены последовательность выполнения и варианты заданий для лабораторной работы по нечеткой логике
Методические указания к лабораторной работе 7 для студентов по специальности...
Изложены последовательность выполнения и варианты заданий для лабораторной работы по нечеткой логике
Методические указания к лабораторной работе 10 для студентов по специальности...
Изложены последовательность выполнения и варианты заданий для лабораторной работы по нечеткой логике
Методические указания к лабораторной работе 14 для студентов по специальности...
Изложены последовательность выполнения и варианты заданий для лабораторной работы по нечеткой логике

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
referatdb.ru
referatdb.ru
Рефераты ДатаБаза