5. Каково влияние среды на распространение радиоволн?
6. Какие факторы влияют на распространение радиоволн?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ВОЛНОВОДНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
Цель занятия: по имеющимся данным рассчитать параметры и характеристики волноводных линий передачи электромагнитной энергии.
1. Краткие сведения по теме
С увеличением частоты потери энергии во внутреннем проводнике и диэлектрике коаксиального фидера возрастают, и его КПД становится малым. В коротковолновой части дециметрового диапазона, в диапазоне сантиметровых и более коротких волн в качестве фидеров применяются волноводы прямоугольного, круглого и эллиптического сечения.
В отличие от двухпроводной и коаксиальной линий с воздушным диэлектриком, в которых электромагнитное поле, как и в плоской волне, не имеет продольных составляющих, распространяется со скоростью света и обладает в направлении распространения периодичностью с длиной волны , в волноводах волны такого типа (их называют поперечными или Т-волнами), распространяться не могут.
В волноводах лишь один из векторов, электрический или магнитный, расположен в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Второй вектор поля (соответственно магнитный или электрический), для обеспечения выполнения граничных условий, обязательно будет иметь продольную составляющую.
Другой особенностью волноводов является то, что в плоскости поперечного сечения напряженности того и другого вектора обладают пространственной периодичностью, подобной стоячим волнам в короткозамкнутой линии. Вдоль каждого из двух взаимно перпендикулярных размеров сечения волновода должно укладываться целое число таких полуволн - m,n (0,1,2,...к ). Значения m и n не могут быть равны нулю одновременно.
Таким образом, в волноводах могут распространяться электромагнитные волны лишь определенных типов: поперечно-магнитные (Е-волны), в которых продольную составляющую имеет вектор Е, и поперечно-электрические (Н-волны), в которых продольную составляющую имеет вектор Н. В каждом из этих типов волн будут различаться волны, имеющие различную периодичность в поперечной плоскости, обозначаемые Н mn , Е mn . Периодичность поля в направлении распространения, т.е. длина волны в вдоль волновода, будет определяться периодом продольной составляющей поля.
Использование волновода в условиях, когда в нем возможно распространение нескольких типов волн, обычно является нежелательным, так как вследствие различия фазовых и групповых скоростей возможны искажения передаваемых сигналов. Поэтому на практике стремятся, чтобы во всем интервале рабочих длин волн имелось только одно, причем наименьшее, значение (к mn )мин. При этом в волноводе будет распространяться основной тип волны. Для выполнения этого требования наибольшая допустимая длина волны передаваемых сигналов не должна превышать кр=2π/ (к mn )мин, а минимальная длина волны должна быть больше, чем кр для ближайшего высшего типа волны.
Если же необходимо, чтобы в волноводе распространялся один из высших типов, то принимают меры для подавления нежелательных типов волн.
Основной для прямоугольного волновода является волна типа Н 10 , которая характеризуется постоянством амплитуд поля Е по оси y и изменением по закону sin(π x/a) по оси x. Фазовая скорость и длина волны типа Н 10 в прямоугольном волноводе определяются внутренним размером широкой стенки волновода и соответственно равны:
.
Групповая скорость волны Н10 в волноводе:
.
Критическая длина волны =2а. По волноводу могут распространяться только волны короче. Для возможности распространения энергии по волноводу необходимо, чтобы a>0,5.
Затухание, в децибелах, на один метр длины, прямоугольного волновода
,
где b- внутренний размер узкой стенки волновода;
- проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода, См/м (для меди =5,8*10 7 , латуни марки Л-96 =4,07*10 7).
Реальное затухание в волноводе больше рассчитанного по приведенной формуле в среднем в 1,05-1,2 раза. Увеличение затухания обусловлено шероховатостью стенок волновода и их окислением, которые в формуле не учтены. Уменьшение затухания достигается увеличением поперечного сечения волновода и серебрением его внутренней поверхности. Стабилизация затухания во времени обеспечивается антикоррозийным покрытием, однако увеличение поперечного сечения ограничено из-за возможности появления в волноводе волн высших типов Н 20 , Е 11 и др.
Для распространения волны Н 10 и исключения возможности существования других типов волн необходимо, чтобы выполнялись следующие условия: наиболее длинная волна рабочего диапазона должна быть меньше удвоенной длины широкой стенки волновода, наиболее короткая волна должна быть больше широкой стенки. Узкая стенка волновода обычно меньше половины широкой стенки. Таким образом, внутренние размеры сечения волновода равны:
.
В диапазоне 3,4-3,9 ГГц рекомендуется применять прямоугольные волноводы с внутренним сечением 58X25 мм с затуханием 3,6-4 дБ/100 м и 72X34 мм с затуханием 2-2,4 дБ/100 м, выполненные из латуни марки Л-96 с 96% содержанием меди, секциями длиной до 5 м и толщиной стенок 2 мм. В диапазоне 5,6-6,2 ГГц рекомендуются волноводы с сечениями 40 X20 мм с затуханием 3,5-4 дБ/100 м и 48 X 24 мм с затуханием 3,5-4 дБ/100 м.
Кроме волноводов прямоугольного сечения применяются круглые волноводы, особенно в случаях, когда антенна одновременно используется на прием и передачу и работает с полями, имеющими вертикальную и горизонтальную поляризации. Полям с вертикальной и горизонтальной поляризациями в антенне будут соответствовать в волноводе волны типа Н11 с взаимно перпендикулярными направлениями вектора Е. Работа с взаимно перпендикулярными поляризациями позволяет улучшить развязку между приемниками и передатчиками за счет поляризационной избирательности антенно-волноводного тракта. Последняя будет эффективной только в том случае, когда отсутствует перекрестная поляризация. Перекрестной поляризацией называется явление, когда за счет поля с основной поляризацией появляется поле с перпендикулярной поляризацией. Перекрестная поляризация ухудшает развязку между передающим и приемным трактами. Перекрестная поляризация вызывается эллиптичностью волновода, т.е. отличием сечения волновода от круглого, а также изгибами, вмятинами и небрежным монтажом. При изготовлении круглых волноводов всегда имеется некоторая эллиптичность сечения. При диаметре 70 мм неточность медных волноводов достигает 200 мкм. Для увеличения точности выполнения волноводы такого диаметра изготовляют из стали с медным покрытием, т.е. биметаллическим. Толщина стали биметаллического волновода 3,7 мм, меди 0,3 мм. В таком волноводе отклонение поперечного сечения от расчетной величины не превышает 500 мкм. Установлено, что при совпадении направления вектора Е с одной из осей эллипса поперечного сечения волновода положение плоскости поляризации волны в волноводе не будет изменяться.
Для уменьшения перекрестной поляризации при монтаже стыкуемые секции поворачивают до совпадения осей эллипсов отдельных секций волновода. Для облегчения сборки на волноводных секциях заводы-изготовители ставят метки. Биметаллические волноводы за счет меньшей зеркальности внутренней поверхности имеют затухание примерно на величину 0,2 дБ/100 м большее по сравнению с медными.
Волна типа Н 11 является основной для круглого волновода. Для передачи волны Н 11 диаметр круглого волновода должен быть:
.
Затухание волны Н 11 в волноводе круглого сечения, дБ/м,
где r - внутренний радиус волновода, м; - проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода, См/м;- длина волны, м.
Для снижения затухания диаметры волноводов берут больше, чем это определяется условием. Например, в диапазоне частот (3,4 - 3,9) ГГц рекомендуется применять волноводы диаметром 70 мм с затуханием (1,4 - 1,6) дБ/100 м, а в диапазоне (5,6 - 6,2) ГГц - диаметром 46 мм с затуханием (3 -3,5) дБ/100 м. В этом случае кроме основной волны распространяется еще и волна Е 01 . Волновод с 70 мм может применяться на более высоких частотах (например, в диапазоне 6 ГГц), допуская существование еще большего числа волн высших типов.
Для обеспечения распространения лишь основного типа волны высшие типы должны быть подавлены.
Для подавления волн высших типов, имеющих продольную составляющую поля Е, параллельно полю Е подавляемой волны располагают стержни из материала с малой проводимостью, например, диэлектрические стержни, покрытые окисным слоем.
Для увеличения гибкости волноводы гофрируют с шагом гофра (0,12 - 0,15) ср и глубиной гофра приблизительно равной 0,05 ср. При вертикальной подвеске в волноводе возникают осевые усилия, сжимающие малую ось эллипса, причем большие нагрузки вызывают необратимые процессы деформации. При заполнении внутреннего пространства волновода избыточным газовым давлением удлиняется малая ось эллипса. Волноводы допускают давление (1,5 - 2)*10 5 Па. Гибкие волноводы изготовляют большей длины и транспортируют в свернутом виде на барабанах. Эллиптические волноводы применяются в подвижных радиорелейных системах, когда требуются частые развертывания и свертывания линий связи, а также в стационарных радиорелейных системах особенно на участках, где волноводные тракты изменяют свое направление, например при переходе из вертикального положения в горизонтальное.
Жесткие волноводы изготовляются секциями длиной до 5 м, которые на концах заканчиваются фланцами. Фланцевые соединения должны исключить возможность просачивания энергии из волновода и быть герметичными. Фланцы имеют кольцевые канавки, в которые закладывают уплотняющие прокладки из морозостойкой резины и металлические кольца, уплотняющие резину и устраняющие просачивание энергии из волновода.
Недостаточно точное сопряжение волноводов в стыках вызывает отражения. Уменьшение отражений достигается специальной обработкой концов волноводов серебрением (с покрытием палладием) соприкасающихся поверхностей и применением калиброванных болтов или шпилек. Фланцы наружных волноводов должны выдерживать значительную механическую нагрузку. С учетом гололеда нагрузка на верхний фланец при длине вертикального волновода 50 м может достигать 1 т. Медные и латунные волноводы крепятся жестко к телу мачты только в верхней своей части.
Материал волновода (латунь) и мачты (сталь) имеет разные коэффициенты линейного расширения. Закрепление волноводов к мачте в нескольких точках при изменении температуры приведет к деформации волновода. Вертикальные волноводы для устранения поперечных колебаний снабжаются проходными муфтами, устанавливаемыми через (5-7) м. Промежуточное крепление волноводов осуществляется через (15-20) м посредством пружинных подвесов. Биметаллические волноводы позволяют производить жесткое крепление по всей длине без пружинных подвесов.
Наличие влаги в волноводе увеличивает его затухание. Во избежание этого наружные волноводы герметизируют и содержат под избыточным давлением (0,2-0,5)*10 3 Па осушенного воздуха. Для герметизации в нижней и верхней частях волноводов устанавливают герметизирующие вставки. Герметизирующие вставки выполняются в виде волноводных разъемов с двумя тонкими диэлектрическими пленками, установленными поперек волновода.
Пример 1. Выбрать сечение прямоугольного волновода для работы с волной типа Н 10 на частоте 10ГГц.
Длина волны в свободном пространстве:
Внутренний размер широкой стенки волновода:
a=(0,525-0,95)=0,7*3=2,1см.
Внутренний размер узкой стенки волновода:
b=(0,3-0,5)a=0,5*2,1=1см.
Выбираем сечение волновода 10х21мм 2 . Данный волновод обеспечивает возможность работы в диапазоне волн:
=а/(0,525-0,95)=2,1/(0,525-0,95)=(2,2-4) см,
что соответствует частотам (7,5-13,6) ГГц.
Пример 2. Для работы в диапазоне частот (5,6-6,2) ГГц выбрать размеры сечения прямоугольного волновода и определить затухание в нем. Волновод выполнен из меди =5,8*10 7 См/м.
Решение: Рабочему диапазону соответствуют длины волн:
При выборе широкой стенки волновода будем исходить из условия
Для получения минимального затухания выберем максимально допустимую ширину волновода, равную 40мм, сечение волновода 40х20мм 2 . В исключительных случаях можно использовать волновод с а=0,99 кор =48мм и сечением 48х24мм 2 .
Затухание в волноводе на частоте 5,6 ГГц
=
Пример 3. Для работы в диапазоне частот (3,4-3,9) ГГц выбрать диаметр круглого волновода и определить затухание в нем. Материал волновода латунь Л-96 =4,07См/м.
Диаметр волновода, допускающий распространение кроме волны Н 11 еще и волны Е 01 , определяется условием:
0,765 дл 0,765 дл =0,765*8,8=6,7см=67мм 0,925 кор =0,975*7,7=7,1см=71мм Стремясь
получить наименьшее затухание и допуская
возможность распространения волны Е 01 ,
из условия 68 Затухание
волны Н 11
на минимальной частоте диапазона 3,4ГГц >>Физика: Скорость и длина волны
Каждая волна распространяется с какой-то скоростью. Под скоростью волны
понимают скорость распространения возмущения. Например, удар по торцу стального стержня вызывает в нем местное сжатие, которое затем распространяется вдоль стержня со скоростью около 5 км/с. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется
. При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется. Помимо скорости, важной характеристикой волны является длина волны. Длиной волны
называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней. Направление распространения воины Поскольку скорость волны - величина постоянная (для данной среды), то пройденное волной расстояние равно произведению скорости на время ее распространения. Таким образом, чтобы найти длину волны, надо скорость волны умножить на период колебаний в ней
: Выбрав направление распространения волны за направление оси х и обозначив через у координату колеблющихся в волне частиц, можно построить график волны
. График синусоидальной волны (при фиксированном времени t) изображен на рисунке 45. Формула (22.1) выражает связь длины волны с ее скоростью и периодом. Учитывая, что период колебаний в волне обратно пропорционален частоте, т.е. Т=1/v
, можно получить формулу, выражающую связь длины волны с ее скоростью и частотой: Частота колебаний в волне совпадает с частотой колебаний источника (так как колебания частиц среды являются вынужденными) и не зависит от свойств среды, в которой распространяется волна.При переходе волны из одной среды в другую ее частота не изменяется, меняются лишь скорость и длина волны.
Экспериментальное задание
. Налейте воду в ванну и посредством ритмичных касаний воды пальцем (или линейкой) создайте на ее поверхности волны. Используя разную частоту колебаний (например, касаясь воды один и два раза в секунду), обратите внимание на расстояние между соседними гребнями волн. При какой частоте колебаний длина волны больше?
С.В. Громов, Н.А. Родина, Физика 8 класс
Отослано читателями из интернет-сайтов
Полный список тем по классам, тесты физика бесплатно, календарный план согласно школьной программы физика, курсы и задания с физики для 8 класса, библиотека рефератов , готовые домашние задания При проведении расчетов и проектировании телевизионных радиоприемников и передатчиков, медицинского и оптического оборудования, средств навигации, а также в других отраслях техники и науки возникает необходимость вычислять длину волн. Длина волны - это расстояние между двумя точками (любыми), которые синфазно колеблются, но обычно за понятие «длина волны» принимают расстояние между гребнями этой волны. Измеряется величина длины волны в единицах расстояния, например в метрах. На вопрос, как найти длину волны, ответит наша статья. Длина волны обратно пропорциональна частоте волны. Мы знаем, что единица измерения частоты - это герц (Гц). Например, частота тока домашних электросетей в России - 50Гц. Но для передачи радиосигналов и телевизионных сигналов используется более высокая частота. Например, Вам известно, что какая-то радиостанция работает на частоте 1,7МГц, а шкала радиоприемника, который у Вас, отградуирована в метрах. Вам необходимо найти волну, на которой Вы будете слушать эту радиостанцию. Для того, чтобы ответить на вопрос о том, как определить длину волны, для начала нужно запомнить, чему равны сокращения некоторых величин: 1. Необходимо перевести МГц в Гц. Мы получим - 1,7МГц=1700000Гц; 2. Длину волны можно найти по формуле: Скорость света в вакууме практически равна скорости света в воздухе. Электромагнитные волны и радиоволны, рентгеновское излучение распространяются со скоростью света. Итак, длина радиоволны частотой 1,7МГц равна: 300000000/1700000≈176,47м. Чем меньше длина волны, тем выше ее частота и наоборот, поэтому различают: Длинные волны могут распространяться до 2000км, потому что отражаются от поверхности земли. Средние волны гасит поверхность планеты. Дальность распространения таких волн зависит от времени суток. Короткие волны распространяются на огромные расстояния, отражаясь поочередно от ионосферы и от земли. При распространении волн в разных средах их длина может меняться, при этом частота останется прежней. Это зависит от свойств среды распространения. Под скоростью волны
понимают ско-рость распространения возмущения. Например, удар по торцу стального стержня вызывает в нем местное сжатие, которое затем распространяется вдоль стержня со скоростью около 5 км/с . Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется. Длиной волны
называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней. Поскольку скорость волны — величина постоянная (для данной среды), то пройденное волной расстояние равно произведению скорости на время ее распространения. Таким образом, чтобы найти длину волны, надо скорость волны умножить на период колебаний в ней: где v
— скорость волны, Т
— период колебаний в волне, λ
(греческая буква лямбда) — длина волны. Формула выражает связь длины волны с ее скоростью и периодом. Учитывая, что пери-од колебаний в волне обратно пропорционален частоте v
, т. е. Т
= 1/
v
, можно получить формулу, выражающую связь длины волны с ее скоростью и частотой: откуда
Полученная формула показывает, что скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний в ней. Длина волны
— это пространственный период волны. На графике волны (рис. выше) длина волны определяется как расстояние между двумя ближайшими точками гармонической бегущей волны
, находящимися в одинаковой фазе колебаний. Это как бы мгновенные фотогра-фии волн в колеблющейся упругой среде в моменты времени t
и t + Δt
. Ось х
совпадает с направле-нием распространения волны, на оси ординат отложены смещения s
колеблющихся частиц среды. Частота колебаний в волне совпадает с частотой колебаний источника, т. к. колебания час-тиц в среде являются вынужденными и не зависят от свойств среды, в которой распространяется волна. При переходе волны из одной среды в другую ее частота не изменяется, меняются лишь скорость и длина волны. Абсолютно все в этом мире происходит с какой-либо скоростью . Тела не перемещаются моментально, для этого требуется время. Не являются исключением и волны, в какой бы среде они не распространялись. Если вы бросите камень в воду озера, то возникшие волны дойдут до берега не сразу. Для продвижения волн на некоторое расстояние необходимо время, следовательно, можно говорить о скорости распространения волн. Скорость волны зависит от свойств среды, в которой она распространяется. При переходе из одной среды в другую, скорость волн меняется. Например, если вибрирующий железный лист засунуть концом в воду, то вода покроется рябью маленьких волн, однако скорость их распространения будет меньше, чем в железном листе. Это несложно проверить даже в домашних условиях. Только не порежьтесь о вибрирующий железный лист... Существует еще одна важная характеристика это длина волны. Длина волны это такое расстояние, на которое распространяется волна за один период колебательных движений . Легче понять это графически. Если зарисовать волну в виде рисунка или графика, то длиной волны будет являться расстояние между любыми ближайшими гребнями либо впадинами волны, либо между любыми другими ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе. Так как длина волны это расстояние, пройденное ею, то и найти эту величину можно, как и любое другое расстояние, умножив скорость прохождения на единицу времени. Таким образом, длина волны связана со скоростью распространения волны прямо пропорционально. Найти длину волны можно по формуле:
где λ длина волны, v скорость волны, T период колебаний. А учитывая, что период колебаний обратно пропорционален частоте этих же колебаний: T=1⁄υ, можно вывести связь скорости распространения волны с частотой колебаний
: v=λυ
. Частота колебаний волн не меняется при переходе из одной среды в другую. Так, например, частота вынужденных колебаний совпадает с частотой колебаний источника. Частота колебаний не зависит от свойств среды распространений. При переходе из одной среды в другую меняется лишь длина волны и скорость ее распространения. Эти формулы справедливы как для поперечных, так и для продольных волн. При распространении продольных волн длина волны будет расстоянием между двумя ближайшими точками с одинаковым растяжением или сжатием. Она также будет совпадать с расстоянием, пройденным волной за один период колебаний, поэтому формулы будут полностью подходить и в этом случае.
Расстояние между соседними гребнями (или впадинами) на этом графике совпадает с длиной волны.
Полученная формула показывает, что скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний в ней
.
??? 1. Что понимают под скоростью волны? 2. Что такое длина волны? 3. Как длина волны связана со скоростью и периодом колебаний в волне? 4. Как длина волны связана со скоростью и частотой колебаний в волне? 5. Какие из следующих характеристик волны изменяются при переходе волны из одной среды в другую: а) частота; б) период; в) скорость; г) длина волны ?
Определение длины волны
Какие бывают длины волн
,
Скорость распространения волны
Длина волны
Частота колебаний в разных средах
