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

21940. Вимірювання кутів 2.34 MB
  2: вертикальна вісь обертання теодоліта ZZ; вісь візування зорової труби VV; вісь обертання зорової труби НН; вісь циліндричного рівня LL; площина горизонтального кутовимірного круга ГК; площину вертикального кутовимірного круга ВК. П – з прямим зображенням зорової труби; М – маркшейдерське виконання; А – з автоколімаційним окуляром. 1 – зорова труба; 230 – вертикальний круг; 329 – колонки труби; 426 – горизонтальний круг; 522 – підставка теодоліта; 623 – підйомний гвинт; 724 – платформа; 8 – становий гвинт; 9 –...
21941. Загальні відомості. Системи координат в геодезії 130.5 KB
  Геодезія вивчає фігуру і розміри Землі зображення її поверхні на планах і картах виконання вимірювань необхідних для розв’язання різноманітних задач народного господарства та оборони країни. Розв’язання надзвичайно складних завдань привело до поділу геодезії на: Вищу геодезію – яка вивчає фігуру і розміри Землі її гравітаційне поле визначення координат точок земної поверхні. Супутникову геодезію – яка розглядає методи розв’язання геодезичних задач за допомогою штучних супутників Землі. Фотограмметрію і дистанційне зондування Землі –...
21942. Топографічні карти та плани 5.78 MB
  Топографічні карти та плани На попередній лекції ми розглянули геодезію як науку про Землю. Масштаби топографічних карт і планів Масштабом топографічної карти або плану називають відношення довжини лінії на карті плані до відповідної горизонтальної довжини цієї лінії на місцевості.5 де М – число яке показує ступінь зменшення ліній місцевості на карті плані і навпаки – ступінь збільшення ліній карти плану на місцевості тобто: на карті 2.7 Чим менший знаменник М чисельного...
21943. ОПОРНІ ГЕОДЕЗИЧНІ МЕРЕЖІ 2.87 MB
  Для зменшення впливу похибок вимірювань на точність визначення координат пунктів геодезичної мережі її створюють €œвід загального до часткового€. За цим принципом в Україні геодезична мережа поділяється на: державну геодезичну мережу; мережі згущення; знімальні мережі. Планові геодезичні мережі створюють способами: Астрономічний спосіб – полягає в визначені широти  довготи  кожного пункту та астрономічного азимута напрямів ліній геодезичної мережі за спостереженнями небесних світил.
21944. Топографічні знімання 9.53 MB
  Топографічні знімання Ми розглянули які виміри виконуються в геодезії як оцінити кількісні та якісні характеристики вимірів. Види знімань місцевості Процес виконання геодезичних вимірів для складання карт і планів місцевості називається зніманням. Якщо при зніманні визначають взаємне розміщення предметів та контурів місцевості то його називають горизонтальним або контурним зніманням. Знімання ситуації та рельєфу місцевості називають топографічним.
21945. ВИМІРЮВАННЯ ДОВЖИНИ ЛІНІЙ 1.36 MB
  Методи та прилади лінійних вимірювань Залежно від наявності приладів вимог точності умов місцевості лінії вимірюють способами: а прямим або безпосереднім способом за допомогою мірних стрічок рулеток підвісних мірних проволок та інших лінійних приладів; б непрямим або посереднім способом за допомогою ниткових віддалемірів та електрооптичних приладів світло та радіовіддалемірів геометричних побудов фігур на місцевості. Між закріпленими на місцевості точками А і В в створі лінії послідовно укладають мірний прилад. Створ лінії утворює...
21946. ВИМІРЮВАННЯ ПЕРЕВИЩЕНЬ 3.47 MB
  Види нівелювання Перевищенням називають різницю висот точок земної поверхні або будівельних конструкцій. Нівелювання – вид геодезичних робіт для вимірювання перевищень між точками земної поверхні або споруд. За методами розрізняють такі види нівелювання [1]: Геометричне – використовується принцип горизонтальності візирного променя зорової труби. В інженернобудівельній справі переважно використовуються: геометричне тригонометричне та гідростатичне нівелювання.
21947. Геодезичні розмічувальні роботи при плануванні та зведені інженерних споруд 1.67 MB
  Розмічування виконують в такій послідовності: 1 В точці А встановлюють теодоліт приводять в робоче положення і за ходом годинникової стрілки відкладають величину проектного кута . графічно зображено розмічування точки D з вихідного пункту В.Спосіб лінійної засічки Точка С в способі розмічування лінійною засічкою визначається перетином дуг проектних відстаней d1 і d2 віддалених від двох опорних пунктів A і В рис. Спосіб GPSрозмічування Використання GPSприймачів дозволяє визначати координати точок на земній поверхні та на поверхні...
21948. ГЕОДЕЗИЧНІ РОБОТИ ПРИ МОНТАЖІ ЕЛЕМЕНТІВ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ 1.06 MB
  ГЕОДЕЗИЧНІ РОБОТИ ПРИ МОНТАЖІ ЕЛЕМЕНТІВ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ Розглянувши елементи та методи інженерногеодезичних робіт розглянемо методику геодезичного забезпечення встановлення елементів будівельних конструкцій в проектне положення. Завдання та зміст геодезичних робіт При проведенні монтажних робіт встановлюють в проектне положення елементи та вузли будівельних конструкцій: фундаменти колони панелі цегляні стіни балки плити перекриття тощо. У промислових спорудах після монтажу будівельних конструкцій у проектне положення...