laboratorium: pola i fale - Instytut Radioelektroniki

POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Instytut Radioelektroniki
Zakład Techniki Mikrofalowej i Radiolokacyjnej
LABORATORIUM: POLA I FALE
OGÓLNE WŁASNOŚCI FAL
Ćwiczenie laboratoryjne nr 1
Ćwiczenie prowadzą:
mgr inż. Bartłomiej Salski
mgr inż. Michał Sołtysiak
na podstawie opracowania:
dr inż. Małgorzaty Celuch
Warszawa 1.10.2008
1
I.
Informacje ogólne.
1.
Zakres wymagań:
Na kolokwium wstępnym wymagany jest zakres materiału przedstawiony na pierwszych
czterech wykładach, a w szczególności:
• równania Maxwella,
• rodzaje ośrodków,
• fala płaska w ośrodku bezstratnym i stratnym,
• warunki brzegowe,
• padanie fali prostopadle na granicę ośrodków,
• padanie fali na ośrodek uwarstwiony (transformacja impedancji).
2.
Zakres ćwiczenia:
Zagadnienia podstawowe:
• symulacja komputerowa fal poprzecznych w obszarze nieograniczonym,
• fale w dielektrykach stratnych i bezstratnych,
• fala całkowicie stojąca i fala częściowo stojąca,
Zagadnienia uzupełniające:
• płyta dielektryczna: odbicie i transmisja fali,
• układ trzech ośrodków.
3.
Czas trwania ćwiczenia: 3 x 45min
4.
Warunek konieczny dopuszczenia do ćwiczenia:
Przedstawienie rozwiązań zadań 1 ÷ 4 zamieszczonych w części II niniejszej instrukcji oraz
zaliczenie kolokwium wstępnego.
5.
Forma sprawozdania:
Studenci opracowują sprawozdanie posługując się gotowym formularzem dostępnym na
stronie http://www.ire.pw.edu.pl/ztm/POLSKI/MATpom.htm. Studenci przystępujący do
realizacji ćwiczenia zobowiązani są do wydrukowania formularza sprawozdania we własnym
zakresie.
6.
Forma realizacji ćwiczenia
W czasie realizacji ćwiczenia każdy ze studentów pracuje przy odrębnym stanowisku
komputerowym i jest oceniany indywidualnie z uzyskanych wyników.
7.
Forma oceniania
Z laboratorium można otrzymać maksymalnie 5 punktów. Punkty te rozdzielają się w
następujący sposób:
• kolokwium wejściowe – 1 punkt
• sprawozdanie – 4 punkty
Uwaga!!! Warunkiem zaliczenia laboratorium jest uzyskanie co najmniej 0.5 punkta z
kolokwium wejściowego.
8.
Termin dostarczenia sprawozdania: przed zakończeniem laboratorium.
9.
Laboratorium odbywa się w sali 020.
2
II.
Zadania do samodzielnego rozwiązania przed laboratorium.
Zadanie 0:
Proszę nie przystępować do rozwiązywania zadań obliczeniowych 1÷4 przed
przemyśleniem niniejszego zadania problemowego! Rozwiązania tego zadania nie trzeba
przedstawiać na piśmie.
Źródło umieszczone w płaszczyźnie x=X0→-∞ wytwarza falę płaską monochromatyczną o
częstotliwości f i polaryzacji liniowej (pola Ez, Hy), rozchodzącą się w kierunku +Ox.
Rozważyć rozkład pola w następujących przypadkach:
a) ośrodkiem jest próżnia,
b) półprzestrzeń x<0 jest wypełniona próżnią, natomiast półprzestrzeń x≥0 metalem
idealnym,
c) przestrzeń wypełniona jest próżnią, z wyjątkiem bardzo cienkiej (d→0) płyty z metalu
idealnego, umieszczonej w płaszczyźnie x=0,
d) przestrzeń wypełniona jest próżnią, z wyjątkiem bardzo cienkiej (d→0) płyty z metalu
idealnego, umieszczonej w płaszczyźnie y=0,
e) przestrzeń wypełniona jest próżnią, z wyjątkiem bardzo cienkiej (d→0) płyty z metalu
idealnego, umieszczonej w płaszczyźnie z=0,
f) przestrzeń wypełniona jest próżnią, z wyjątkiem bardzo cienkiej (d→0) płyty z idealnego
przewodnika magnetycznego, umieszczonej w płaszczyźnie z=0.
Zadanie 1:
Fala TEM o częstotliwości f rozchodzi się w ośrodku o danych εr, µr, tgδ. Obliczyć długość
fali λ, wspólczynnik propagacji γ , współczynnik fazy β, współczynnik tłumienia α,
impedancję falową, impedancję charakterystyczną ośrodka, przewodność σ ośrodka oraz
wspóŁczynnik fali stojącej WFS w następujących przypadkach:
a) f=4GHz, εr =1, µr =1, tgδ=0,
b) f=8GHz, εr =4, µr =1, tgδ=0,
c) f=4GHz, εr =1, µr=4, tgδ=0,
d) f=4GHz, εr =1, µr=1, tgδ=0.1,
e) f=4GHz, εr =1, µr=1, tgδ=1,
f) f=1GHz, εr =4, µr=1, tgδ=0.1,
g) f=1GHz, εr =4, µr=1, tgδ=1.
Wyniki przedstawić w tabeli w taki sposób, aby w trakcie ćwiczenia łatwo można było
dopisać wartości tych samych parametrów odczytane z symulacji elektromagnetycznej.
Wykonać szkice obwiedni pola elektrycznego dla przypadków a, d.
Zadanie 2:
Fala TEM o częstotliwości f=5GHz pada z próżni na:
a) płytę wykonaną z idealnego metalu,
b) płytę o grubości d→∞ wykonaną z bezstratnego dielektryka o εr=4.
Obliczyć współczynnik odbicia oraz współczynnik fali stojącej w każdym z ośrodków.
Wyniki przedstawić w tabeli w taki sposób, aby w trakcie ćwiczenia łatwo można było
dopisać wartości tych samych parametrów odczytane z symulacji elektromagnetycznej.
Wykonać szkice obwiedni pól elektrycznego i magnetycznego. Proszę zaopatrzyć się w
kolorowe pisaki, aby w trakcie ćwiczenia można było czytelnie nanieść obwiednie wyliczone
przez symulator.
Zadanie 3:
Jak zmieni się współczynnik odbicia od płyty oraz współczynnik fali stojącej przed płytą w
przypadku z zadania 2b, jeżeli:
a) grubość płyty zmniejszymy do d=30mm,
b) grubość płyty zmniejszymy do d=30mm, a częstotliwość zmniejszymy do 2.5GHz,
c) grubość płyty zmniejszymy do d=15mm, a częstotliwość zmniejszymy do 2.5GHz,
3
Zadanie 4:
Zaprojektować układ dopasowujący próżnię do dielektryka o εr=16 na częstotliwości
f=2.5GHz.
III.
Zadania do realizacji w trakcie laboratorium.
Opis zadań do realizacji w trakcie laboratorium zawarty jest w formularzu sprawozdania
dostępnym na stronie http://www.ire.pw.edu.pl/ztm/POLSKI/MATpom.htm.
4