48985

Розрахунок структури змінних електромагнітних полів у хвилеводі

Контрольная

Физика

Порожнина хвилеводу заповнена діелектриком, електрична проникність якого овжина хвилеводу в напрямку осі z не обмежена. Процес поширення електромагнітних хвиль у порожнині прямокутного хвилеводу розглядаємо, думаючи, що стінки хвилеводу виконані з надпровідного матеріалу ( = ).

Украинкский

2013-12-18

550 KB

6 чел.

2 Розрахунок структури змінних електромагнітних

полів у  хвилеводі

Загальне  завдання.

Для заданого типу хвилі з початковою амплітудою поля E0 = 5кВ/см, що поширюється в прямокутному хвилеводі перетином ab, одержати аналітичні вирази поздовжнього й поперечного компонентів полів у комплексній формі запису і для миттєвих значень. Для числових параметрів завдання побудувати епюри полів по осях x, y, z, а також картину розподілу полів у площинах xy та xz. Розрахувати задані характеристики полів і побудувати їхні залежності  від частоти.

Параметри  завдання.

Хвиля Н15, ab = 13065 мм;  = 24 мм; діелектрична проникність  = 1. Розрахувати kp та Ze.

Рішення

Осі координат розташуємо відповідно до рис. 2.1.

Рисунок  2.1.

Порожнина хвилеводу заповнена діелектриком, електрична проникність якого . Довжина хвилеводу в напрямку осі z не обмежена. Процес поширення електромагнітних хвиль у порожнині прямокутного хвилеводу розглядаємо, думаючи, що стінки хвилеводу виконані з надпровідного матеріалу ( = ). При цьому умові напруженість електричного поля на стінках хвилеводу буде дорівнює нулю (щільність струму на стінках хвилеводу  = E є величина кінцева, тому при , E ).

Електромагнітне поле у хвилеводі описується хвильовим рівнянням:

                                                                                (2.1)

Для заданого типу хвилі виконується наступна умова:

Ez = 0, Hz  0, m = 1, n = 5.

Електромагнітні хвилі, що поширюються у хвилеводі, є хвилями, що біжать вздовж осі хвилеводу (осі z) і стоячими у двох інших напрямках.

Той факт, що хвилі є хвилями, що біжать вздовж осі z, у формально математичному відношенні знаходить своє вираження в тому, що кожна зі складових хвиль, при записі її має множник , де kp – коефіцієнт поширення.

Спростимо отримане рівняння (2.1) методом підстановки:

                                (2.2)

де  - прокольний коефіцієнт поширення в хвилеводі,  - довжини хвиль в хвилеводі. Множник виражає собою та обставина, що уздовж осі z рухається хвиля, що біжить.

Якщо підставити в рівняння (2.1), то останнє розіб'ється на три рівняння для проекцій. Для проекції на вісь z будемо мати наступне рівняння:

                                  (2.3)

Підставляємо (2.3) в (2.2):

Замінимо  й поділимо на . Одержимо:

                            (2.4)

Скористаємося методом поділу змінних і шукану функцію представимо у вигляді:

                                      (2.5)

і підставимо в (2.4), одержуємо:  

                                         

Розділимо це рівняння на XY, одержимо:

              (2.6)

Сума двох незалежних функцій   й , з яких одна є функцією тільки x, а інша – функцією тільки y, може дорівнювати постійному числу  тільки в тому випадку, якщо кожна із цих функцій є постійне число. Перейдемо від часток похідних до звичайного й покладемо:

                                                                             

Тут через kx й ky позначені постійні поділи (поперечні хвильові числа), що задовольняють рівностям:

                                         

Виходячи зі співвідношення (2.5), маємо вираження для амплітуди (хвильовий множник опускаємо) поздовжнього складового електричного поля:

             (2.7)

де  – початкова комплексна амплітуда; kx, ky, x та y – постійні інтегрування.

Для знаходження поперечних компонентів поля (kx, ky, x тай y) скористаємося рівняннями Максвелла в проекціях на осі координат:

     (2.8)              (2.11)

    (2.9)                  (2.12)

    (2.10)                 (2.13)

У силу того, що для Н-хвилі , то рівняння (2.10), (2.11), (2.12) можна спростити, забравши вираження, що містять:

     

Оскільки характер зміни полів по осі z задається вираженням (2.4), то в (2.8)-(2.13) приймемо, що:

Розглянемо тепер рівняння (2.8) і (2.12) як систему для й , а рівняння (2.9) і (2.11) —  і :

                         

           

      

                               

(2.14)

Підставляючи в (2.14) значення , одержуємо вирази для поперечних складових поля:

(2.15)

Відповідно до граничних умов на стінках хвилеводу = 0 при x=0 й x=a, а = 0 при y=0 й y=b. Тоді:

 ,

де n = 0, 1, 2, ...

,

де m = 0, 1, 2, ...

Остаточний вираз для складового поля після підстановки знайдених постійних, а також після підстановки , прийме вигляд:

Замінимо:

де — еквівалентний опір хвилеводу для Н-хвилі;  — хвильовий опір необмеженого середовища; fкр — критична частота.

Тоді:

(2.16)

Аналітичні вирази для складових поля хвилі Н15 одержуємо з (2.16) при m = 1 й n = 5:

(2.17)

Для відновлення дійсних значень необхідно компоненти полів домножити на опущений раніше хвильовий множник , перейти по формулі Ейлера  до тригонометричної форми запису й взяти дійсну частину отриманого вираження:

Для інших складових аналогічно.

Одержали:

     (2.18)

Довжина хвилі у хвилеводі й еквівалентний опір хвилеводу для Н-хвилі в загальному випадку визначаються наступними співвідношеннями:

де с – швидкість світла;

де  — хвильовий опір необмеженого середовища; кр — критична довжина хвилі, що дорівнює:

Підставивши значення, одержуємо:

Для співвідношень (2.17), (2.18) складаємо програму для розрахунку та побудови залежностей компонент поля від координат хвилеводу й значень  й  від .

Арк.

Дата

Підпис

№ докум.

Арк.

Змн.

рк.

Дата

Підпис

№ докум.

Арк.

Змн.

Арк.

Дата

Підпис

№ докум.

Арк.

Змн.

Арк.

Дата

Підпис

№ докум.

Арк.

Змн.

Арк.

Дата

Підпис

№ докум.

Арк.

Змн.

Арк.

Дата

Підпис

№ докум.

Арк.

Змн.

Арк.

Дата

Підпис

№ докум.

Арк.

Змн.

Арк.

Дата

Підпис

№ докум.

Арк.

Змн.

Арк.

Дата

Підпис

№ докум.

Арк.

Змн.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85056. Здоровье человека - как индивидуальная, так и общественная ценность 30.15 KB
  Здоровье человека как индивидуальная так и общественная ценность Цель урока. Систематизировать знания учащихся о здоровье человека как об индивидуальной и общественной ценности об основных составляющих здоровья и факторах на него влияющих. Сформировать убеждение что каждый человек сохраняя и укрепляя свое личное здоровье вносит вклад в укрепление общественного здоровья. Факторы оказывающие влияние на здоровье.
85057. Здоровый образ жизни и его составляющие 31.14 KB
  Здоровый образ жизни и его составляющие Цель урока. Сформировать у учащихся целостное представление о здоровом образе жизни как индивидуальной системе поведения человека в повседневной жизни. Изучаемые вопросы Духовная составляющая здорового образа жизни. Физическая составляющая здорового образа жизни.
85058. Репродуктивное здоровье населения и национальная 31.19 KB
  Систематизировать знания учащихся о репродуктивном здоровье как единой составляющей здоровья человека и общества. Показать роль и значение семьи в укреплении репродуктивного здоровья и обеспечении национальной безопасности России. Роль семьи в обеспечении репродуктивного здоровья человека и общества. Уровень репродуктивного здоровья это своего рода итог всего комплекса состояния репродуктивного здоровья человека и российского общества.
85059. Понятие о ВИЧ-инфекции и СПИДе 30.45 KB
  Понятие о ВИЧинфекции и СПИДе Цель урока. Познакомить учащихся с общими понятиями о ВИЧинфекции и СПИДе обратить внимание на основные причины распространения ВИЧинфекции в нашей стране. Сформировать убеждение в том что соблюдение норм здорового образа жизни единственная профилактика ВИЧинфекции. Изучаемые вопросы Общие понятия о ВИЧинфекции и СПИДе.
85060. Инфекции, передаваемые половым путем 30.46 KB
  Познакомить учащихся с признаками основных инфекций передаваемых половым путем ИППП и причинами их распространения. Обсудить основные меры профилактики ИППП. Основные меры по профилактике ИППП. Самый высокий уровень заболеваемости ИППП отмечается в группе 20 21летних затем 15 19летних.
85061. Россия в мировом сообществе 32.75 KB
  Сформировать у учащихся общее представление о роли России в современном мире показать потенциальные возможности страны и основные направления политики государства направленной на обеспечение стабильности и национальных интересов России. Изучаемые вопросы Потенциальные возможности России. Роль России в мировых процессах. Обеспечение стабильности и национальных интересов России в мировом сообществе.
85062. Национальные интересы России в современном мире. Основные угрозы национальным интересам и безопасности России 34.01 KB
  Национальные интересы России в современном мире. Основные угрозы национальным интересам и безопасности России Цель урока. Сформировать у учащихся представление о национальных интересах России как совокупности сбалансированных интересов личности общества и государства; убеждение в возрастании в современных условиях роли гражданина России в деле обеспечения национальных интересов России. Дать учащимся общее понятие об угрозе национальным интересам и безопасности России которую несут в себе последствия чрезвычайных ситуаций природного...
85063. Формирование общей культуры населения в области безопасности жизнедеятельности 32.12 KB
  Формирование общей культуры населения в области безопасности жизнедеятельности Цель урока. Систематизировать представления учащихся об общей культуре населения в области безопасности жизнедеятельности подчеркнув значение уровня культуры населения в области безопасности жизнедеятельности для обеспечения национальной безопасности России. Общая система обеспечения безопасности населения страны. Уровень культуры в области безопасности населения страны и национальная безопасность России.
85064. Опасные и чрезвычайные ситуации, общие понятия и определения, их классификация 31.06 KB
  Сформировать понимание недостижимости абсолютной безопасности населения и возрастания роли каждого человека в обеспечении личной безопасности в различных опасных и чрезвычайных ситуациях. Ключевые понятия в области безопасности жизнедеятельности. Подчеркнуть что человек на протяжении периода своего существования на Земле в первую очередь стремился расширить сферу своей жизнедеятельности и обеспечить свое благополучие и очень мало заботился об обеспечении безопасности своей жизнедеятельности. Не случайно обеспечением безопасности...