Исследование электромагнитных полей элементарных излучателей

Министерство Российской Федерации по связи и информатизации

 

Сибирский Государственный Университет

Телекоммуникаций и Информатики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 2

 

Исследование электромагнитных полей элементарных излучателей

 

Дисциплина: «Электромагнитные поля и волны»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Абеков А.М.

Группа: МДТ-82

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2009 г.

 

Цель работы: Исследование диаграммы направленности элементарных электрического и магнитного излучателей.

 

Задание:

1)  Элементарный электрический излучатель возбуждён током, амплитуда которого I=1,1 A, а частота f=3,2x10 МГц. Определить амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей в точке, расположенной на расстоянии r =1,1x10 [ км ] от него, под углами 1=150, 2=450,   3=750,  4=1050 . Длина излучателя ℓ =0,14[ м ], ( табл. 1), среда, в которой находится элементарный электрический излучатель, - вакуум.

(e а = e 0 = 8,85 Ч 10-12 [ Ф / м ], m а = m 0 = 4p Ч 10-7 [Гн / м])

 

2) Используя принцип перестановочной двойственности, определить амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей для элементарного магнитного излучателя, при заданных размерах S, где S – площадь витка (рамки).

 

Таблица 1

 

Последняя цифра пароля	4
Вариант	1	2	3
Частота [МГц]	550	320	420
Амплитуда тока I [ A]	2,4	1,1	1,2
Расстояние r [ км]	1,8	1,1	2,1
Длина излучателя ℓ [см]	10	14	12
q 10	45	15	45
q 20	75	45	75
q 30	110	75	105
q 40	150	105	135
S [ см2]	100	196	144

 

№ варианта выбираем самостоятельно. Вариант № 2.

 

Описание лабораторной установки.

 

Лабораторная установка (рисунок 1) состоит из генератора сигналов 1, излучающих антенн с горизонтальной (2) и вертикальной (3) поляризациями. При исследовании элементарного электрического излучателя используется в режиме передачи горизонтальный симметричный вибратор (2), при исследовании элементарного магнитного излучателя используется штырь (3). В режиме приема используются элементарные электрический и магнитный излучатели (4), (5).

Из принципа взаимности следует, что направленные свойства антенны останутся одинаковыми в режиме приема или передачи. Излученная энергия принимается исследуемыми элементарными электрическим и магнитным излучателями, которые поворачиваются в плоскости перпендикулярной своей оси. При снятии диаграммы направленности отсчет угла поворота ведется по лимбу. Наведенная в исследуемом излучателе ЭДС поступает на индикатор (6), (7). В цепи исследуемых излучателей включены детекторы, вольтамперную характеристику которых при небольших уровнях сигнала можно считать квадратичной, поэтому индикаторы фиксируют показания пропорциональные мощности сигнала. Для того, чтобы получить зависимость амплитуды напряженности поля от угла поворота, т.е. диаграмму направленности по напряженности поля, необходимо извлечь корень квадратный из показаний индикатора. Величина, пропорциональная напряженности поля, измеряется в относительных единицах. За единицу принимаются максимальные показания индикатора.

                                 2        4

   

                                                                                                          5

                                                    3

 

Рисунок 1 - Структурная схема лабораторной установки

 

1. Генератор сигналов. 
2. Передающая антенна с горизонтальной поляризацией. 
3. Передающая антенна с вертикальной поляризацией. 
4. Элементарный электрический излучатель. 
5. Элементарный магнитный излучатель. 
6. Резонансный частотомер с детектором. 
7. Индикатор.

 

Решение:

1. Критерием для ближней и дальней зоны является величина kr. Если kr <<1,  то это ближняя зона, если kr > > 1, то это дальняя зона.

 

k=2п/ =6,28/0,938=6,695 м

=с/f=3x10 /3,2x10 =0,938 м

 

Азимутальная составляющая:

 

 

При

 

При

 

При

 

2. Определим поля элементарного магнитного излучателя с помощью принципа перестановочной двойственности.

 

 

При

 

При 

 

При

 

При

 

Вывод:

1) Напряженность поля в ближней  зоне очень быстро уменьшается  по мере удаления от излучателя  пропорционально  или .

2)Электрические и магнитные поля отличаются на множитель j. Если в какой - то момент времени магнитное поле минимально, то электрическое поле максимально, т.е. электрическое и магнитное поля сдвинуты по фазе на 900 относительно друг друга.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Что такое элементарный электрический излучатель?

 

Под элементарным электрическим излучателем (вибратором) понимают прямолинейный проводник с переменным током достаточно малых размеров по сравнению с длиной волны (ℓ < < l ) и равномерным по длине излучателя распределением амплитуды тока.

 

2. Что понимают под элементарным магнитным излучателем?

 

По аналогии с электрическим вибратором, у магнитного вибратора, длиной много меньшей длины волны, на его концах должны быть сосредоточены магнитные заряды, благодаря чему вдоль его по всей длине амплитуда магнитного тока будет постоянна.

 

3. Что такое вектор Пойнтинга.

 

Вектор Пойнтинга , показывает направление переноса энергии.

 

4. Как определяют направление вектора Пойнтинга?

 

Направление движения энергии в электромагнитном поле всегда перпендикулярно ориентации , и определяется правилом векторного произведения.

- вектор Пойнтинга 

, размерность  .

5.  Дать понятие ближней и дальней зон.

 

Критерием для ближней и дальней зоны является величина kr. Если kr <<1,  то это ближняя зона, если kr > > 1, то это дальняя зона.

 

6. Каковы особенности полей в ближней и дальней зонах?

 

В ближней зоне (зоне индукции) электромагнитное поле имеет реактивный характер. В процессе непрерывного преобразования из электрического в магнитное и наоборот оно не теряет связи с источником возбуждения. В первую четверть периода возбуждающего напряжения напряженность поля в ближней зоне возрастает. Графически это выражается в сгущении силовых линий поля в непосредственной близости от источника и их продвижении в окружающее пространство. При этом силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на зарядах, сосредоточенных в плечах излучателя. Во вторую четверть возбуждающего напряжения его амплитуда уменьшается, поэтому напряженность поля в ближней зоне также убывает. Графически это соответствует разряжению силовых линий поля и уменьшению их количества. Электромагнитное поле как бы стягивается к источнику. В конце первого полупериода возбуждающее напряжение становится равным нулю, и электромагнитное поле вокруг излучателя исчезает. В дальнейшем процесс периодически повторяется. Таким образом, в ближней зоне переноса энергии нет, так как поле связано с источником.

В дальней зоне на расстояниях много больших длины волны в связи с конечной скоростью распространения электромагнитной энергии в момент, когда в конце первого полупериода возбуждающее напряжение становится равным нулю, напряженность поля на расстоянии r > > l не равна нулю. Вследствие этого происходит замыкание силовых линий электрического поля на себя. Электромагнитное поле теряет связь с источником и приобретает волновой характер, распространяясь в виде волны в окружающее пространство.

 

7.  Что такое диаграмма направленности?

 

Графическое изображение распределения в пространстве электрического или магнитного полей в полярных координатах называется диаграммой направленности.

 

8.  Что такое мощность и сопротивление излучения?

 

Мощность для элементарного электрического излучателя:

Удобнее ввести параметр, не зависящий от тока. В качестве такого параметра, характеризующего излучательную способность антенны, выбирают величину, называемую сопротивлением излучения.

 

9.  Сформулируйте принцип перестановочной двойственности.

 

Принцип перестановочной двойственности устанавливает правило перехода от полей, создаваемых элементарным электрическим излучателем, к полям, которые создает элементарный магнитный излучатель.