96827

Электромагнитное поле в прямоугольном волноводе

Курсовая

Физика

В полой трубе прямоугольного сечения (Рис. 1) с идеально проводящими стенками создано монохроматическое электромагнитное поле. Труба заполнена однородной изотропной средой без потерь, абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемости равны и соответственно. Известно, что комплексная амплитуда вектора равна...

Русский

2015-10-11

1.5 MB

51 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 3

Федеральное агентство связи

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра технической электродинамики и антенн

Анализ Электромагнитного поля в прямоугольном волноводе

Проверил:                                                                                                             Выполнил:

Доцент кафедры ТЭДиА                                                           Студент группы БРТ1302

Муравцов А.Д.                                                                                       Звездинов Виктор.

 

Москва 2015

Техническое задание

В полой трубе прямоугольного сечения (Рис. 1) с идеально проводящими стенками создано монохроматическое электромагнитное поле. Труба заполнена однородной изотропной средой без потерь, абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемости равны  и  соответственно. Известно, что комплексная амплитуда вектора  равна:

,  где  , , , ,  - частота электромагнитных колебаний;  - длина волны, свободно распространяющейся в однородной изотропной непроводящей среде с параметрами  и ;  - скорость света в этой среде, ,

Исходные данные:

вар

В/м

a

см

b

см

ГГц

ГГц

2

100

2,25

1

6

4

0,75

4

2

Рис. 1

1)Определение комплексных амплитуд поперечных составляющих вектора , а затем из уравнений Максвелла определим комплексные амплитуды составляющих вектора , используя соотношение

,

Найдем комплексные амплитуды составляющих вектора  , воспользовавшись вышеприведённым соотношением:

Подставляя значение из (2) в (1) найдём комплексную форму вектора :

 

Запишем проекции комплексной амплитуды вектора на оси координат:

 

 

    

Воспользуемся первым уравнением Максвелла в комплексной форме для  определения комплексной амплитуды вектора :

, где  - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды,                   ,   – частота электромагнитных колебаний, тогда отсюда  

Найдем :

Тогда составляющие комплексной амплитуды вектора  равны соответственно:

 (7)

                  (8)

 

                                                     (9)

Найдем выражения для частных производных составляющих комплексной амплитуды вектора  по соответствующим координатам:

Подставляя найденные значения частных производных в (7), (8) и (9), получим итоговые выражения для комплексных амплитуд составляющих вектора :

(10)  

(11)     

                                                              (12)

2)Определение диапазона частот, в котором  – действительное число, т.е. рассматриваемое поле – бегущая волна.

По условию задачи . Значит,  будет действительным в случае, если

, т.е. при  

Этому диапазону длин волн соответствует диапазон частот:

, где  ГГц,   где С = ,

 

  

Таким образом, если частота волны не принадлежит рассчитанному диапазону частот, то  является мнимой величиной. Для этого случая произведем замену: , при этом ,

3) Определение мгновенных значений всех составляющих векторов и  для двух случаев:

а) когда  принадлежит найденному в п. 2 диапазону частот

б) когда  не принадлежит этому диапазону.

Для получения выражений для мгновенных значений составляющих векторов поля необходимо домножить их комплексные амплитуды на выражение  и, выделить действительную часть, то есть:

;  

В первом случае выражения для комплексных амплитуд составляющих остаются без изменений. Во втором случае необходимо произвести замену, описанную в п. 2.

При выражения для комплексны амплитуд составляющих магнитного и электрического полей имеют вид:

              (18)

При  выражения для комплексны амплитуд составляющих магнитного и электрического полей имеют вид:

          (24)

 4)Построение графиков зависимостей амплитуд составляющих векторов поля на частотах  и  по данным приведенным, в таблице технического задания

Вычислим постоянные множители в математическом пакете MathCAD 14, а затем подставим соответствующие значения постоянных величин в выражения с (13) по (24):

Определение амплитуд составляющих электрического и магнитного полей  для Случая 1:

z=z0; y=0,5b; ;

Указанные формулы были запрограммированы  в математическом пакете MathCAD 14, где были построены графики данных зависимостей. Результаты  показаны на Рис. 2, Рис. 3.

Определение амплитуд составляющих электрического и магнитного полей  для Случая 2:

z=z0; y=0,5b; ;  

Указанные формулы были запрограммированы  в математическом пакете MathCAD 14, где были построены графики данных зависимостей. Результаты  показаны на Рис. 4, Рис. 5.

Определение амплитуд составляющих электрического и магнитного полей  для Случая 3:

 z=z0; x=0,75a; ;

Указанные формулы были запрограммированы  в математическом пакете MathCAD 14, где были построены графики данных зависимостей. Результаты  показаны на Рис. 6, Рис. 7.

Определение амплитуд составляющих электрического и магнитного полей  для Случая 4:

z=z0; x=0,75a; ;

Указанные формулы были запрограммированы  в математическом пакете MathCAD 14, где были построены графики данных зависимостей. Результаты  показаны на Рис.8, Рис. 9.

Определение амплитуд составляющих электрического и магнитного полей  для Случая 5:

x=0,25a; y=0,25b; ;  

Указанные формулы были запрограммированы  в математическом пакете MathCAD 14, где были построены графики данных зависимостей. Результаты  показаны на Рис. 10, Рис. 11.

Определение амплитуд составляющих электрического и магнитного полей  для Случая 6:

   x=0,25a; y=0,25b; ;  

Указанные формулы были запрограммированы  в математическом пакете MathCAD 14, где были построены графики данных зависимостей. Результаты  показаны на Рис. 12, Рис. 13.

В выражениях для случаев 1, 3, 5  м,  рад/с, z0=0.151 м, а для случаев. 2, 4, 6  м,  рад/с, z0=0.178 м и  Нп/м.

---

            Рис. 2 Рис. 3

                  Рис. 4                                                                               Рис. 5

 Рис. 6  Рис. 7

Рис. 8 Рис. 9

Рис. 10 Рис. 11

           Рис. 12 Рис. 13

5)Проверка выполнения граничных условий для касательных составляющих вектора  и нормальных составляющих вектора  на боковой (х=а) стенке трубы.

Как известно на границе раздела двух сред – идеального металла и воздуха  и. Проверка граничных условий заключается в проверке истинности этих утверждений, т.е. равенства нулю касательной вектора  и нормальной вектора  проекций (составляющих).

На боковой стенке (х=а) рассмотрению подлежат (17) и (13) составляющие:

Подставим в эти выражения х=а, получим:

,

При этом другие множители от координаты х не зависят. Следовательно, оба выражения обращаются в ноль и граничные условия выполняются.

6)Определить комплексные амплитуды плотностей  поверхностных токов и зарядов на всех стенках трубы.

В случае идеально проводящих стенок токи проводимости являются поверхностными, а комплексную амплитуду поверхностного тока можно найти по формуле:

, где - нормаль                 (25)

Комплексную амплитуду плотности зарядов можно найти по формуле:

где  - абсолютная диэлектрическая проницаемость     (26)      

Найдем комплексные амплитуды плотностей поверхностных токов и зарядов на всех стенках трубы:

1) Для нижней стенки трубы  нормаль совпадает с вектором : .

Касательными к этой стенке составляющими вектора  являются составляющие вдоль осей x и z, то есть:

Подставим это выражение в формулу (25):

Нормальной к этой стенке составляющей вектора будет составляющая . Тогда комплексная амплитуда плотности поверхностных зарядов по формуле (26) будет равна:

2) Для верхней стенки трубы  нормаль противоположна вектору : .

Касательными к этой стенке составляющими вектора являются составляющие вдоль осей x и z, то есть:

Подставим это выражение в формулу (25):

Нормальной к этой стенке составляющей вектора будет составляющая . Комплексная амплитуда плотности поверхностных зарядов по формуле (26) будет равна:

3) Для правой стенки трубы  нормаль совпадает с вектором : .

Касательными к этой стенке составляющими вектора  являются составляющие вдоль осей y и z, то есть:

Подставим это выражение в формулу (25):

Нормальной к этой стенке составляющей вектора будет составляющая . Комплексная амплитуда плотности поверхностных зарядов по формуле (26) будет равна:

4) Для левой стенки трубы  нормаль противоположна вектору : .

Касательными к этой стенке составляющими вектора , как и в третьем случае, являются составляющие вдоль осей y и z, то есть:

Подставим это выражение в формулу (25):

Нормальной к этой стенке составляющей вектора будет составляющая . Комплексная амплитуда плотности поверхностных зарядов по формуле (26) будет равна:

7)Записать выражения для комплексного вектора Пойтинга. Определение среднее за период значение плотности потока энергии и амплитуду плотности реактивного потока энергии.

Где  – это комплексная амплитуда напряженности электрического поля, а  – это комплексно – сопряженная амплитуда напряженности магнитного поля.

Рассмотрим режим бегущей волны :

Запишем выражения для сопряженных составляющих вектора :

  

  

Найдём выражения для каждой из составляющих вектора Пойтинга, исходя из (27):  

Тогда выражение для вектора Пойтинга примет вид:

Cоставляющие по оси х и по оси у чисто мнимые, а составляющая по оси z – действительная, значит вдоль оси z происходит перенос энергии. Следовательно:

     

Рассмотрим режим стоячей волны :

Запишем выражения для сопряженных составляющих вектора :

  

  

   

Найдём выражения для каждой из составляющих вектора Пойтинга, исходя из (27):  

В этом случае вектор Пойтинга чисто мнимый и переноса энергии не происходит.

8)Вычисление среднего за период поток энергии через поперечное сечение трубы.

Проинтегрируем выражения для плотности активного потока энергии по площади поперечного сечения волновода:

Для этого проинтегрируем по площади поперечного сечения среднюю за период плотность потока энергии , определяемую выражением (27):

Вт      

9)Определение фазовой скорости Vф и скорости распространения энергии Vэ рассматриваемой волны. Расчет и построение графиков зависимостей Vф и Vэ от частоты.

За время  волна распространяется на расстояние , при этом фазы волны в моменты времени  и  в плоскостях  и  соответственно совпадают.

Рассчитаем фазовую скорость волны

Где

здесь  – фаза в момент времени t=0.

Рассчитаем фазовую скорость волны с учетом  м.

, м/с

Для расчета скорость распространения энергии Vэ воспользуемся соотношением:

Vэ Vэ, м/с.

Запишем выражение, характеризующее зависимость фазовой скорости от длины волны в волноводе.

Vэ

Указанные формулы были запрограммированы  в математическом пакете MathCAD 14, где были построены графики зависимостей Vф и Vэ от частоты. Результаты  показаны на Рис. 18.

10)Определение коэффициента затухания для заданной волны, считая, что стенки трубы выполнены из реального металла имеющего  Сим/м, на основе граничных условий Леонтовича-Щукина

Формула для расчета коэффициента затухания на основе граничных условий Леонтовича-Щукина имеет вид:

,                                                                                                  

где   - это активная часть поверхностного сопротивления волновода

Раскроем частотную зависимость коэффициента затухания:

Выражение для Рср подставлено из параграфа 8 для случая, когда частота принадлежит найденному в параграфе 2 диапазону.

Сделав замену     и подставив  в полученное выражение для коэффициента затухания, получим:  , Нп/м

11)Расчет и построение графика зависимости коэффициента затухания волны в волноводе от частоты.

, Нп/м

Указанная формула была запрограммированы  в математическом пакете MathCAD 14, где был график  зависимости . Результаты  показаны на Рис. 19

График представлен в логарифмическом масштабе для того, чтобы показать наглядно различающиеся величины.

12)Определение типа волны, распространяющейся в волноводе. Изображение структуры силовых линий электрического и магнитного полей этой волны. Изображение структуры силовых линий плотности поверхностного тока проводимости, протекающего по стенкам волновода.

Данная волна является волной типа , так как только вектор  имеет продольную составляющую и вдоль каждой стенки волновода укладывается одна полуволна по осям Х и У соответственно.

Структура силовых линий электрического и магнитного полей этой волны (Рис. 20)  и плотности  поверхностного тока проводимости, протекающего по стенкам волновода (Рис 21).

Рис. 18

Рис. 19

 Рис. 20

 

Рис. 21

Вывод:

Результатом  работы стало исследование волны в прямоугольном волноводе. По заданным соотношениям были определены все составляющие обоих векторов электромагнитного поля.  Исследованы зависимости амплитуд составляющих поля от координат в режиме бегущей волны и в режиме стоячей волны. На графиках показано экспоненциальное затухание волны с ростом координаты z в режиме стоячей волны и неизменность амплитуды ее колебаний при изменении координаты z в режиме бегущей волны (без учета потерь). В ходе исследования установлено, что рассматриваемая волна относится к типу Н11. Проверено выполнение граничных условий для касательных составляющих вектора  и нормальной составляющей вектора  на стенках волновода. Получены выражения для поверхностных токов и зарядов на стенках волновода. Найден вектор Пойтинга в комплексной форме и в форме мгновенного значения. Определено среднее за период значение плотности потока энергии, проходящей через поперечное сечение волновода. Определены и рассчитаны фазовая скорость и скорость распространения энергии волны в волноводе,  зависимости фазовой скорости и скорости распространения энергии  построены графически. Рассчитан коэффициент затухания волны при использовании волновода из реального металла с заданной проводимостью, зависимость коэффициента затухания от частоты построена графически. Структура силовых линий электрического и магнитного полей, а также структура силовых линий плотности поверхностного тока проводимости изображены на соответствующих рисунках.

Математические расчёты совпадают с построенными графическими зависимостями

Использованная литература:

[1]-Техническая электродинамика / Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д.     Под ред. Ю.В. Пименова: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2002.

[2]-Электромагнитные волны/ Вайнштейн. Л. А.  – М.: Радио и связь, 1988.  

[3]-Конспект лекций за 2015 год.


EMBED Equation.DSMT4

EMBED Equation.DSMT4

EMBED Equation.DSMT4

EMBED Equation.DSMT4

EMBED Equation.DSMT4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35178. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 6.02 MB
  Определение объекта системы. Отношения внутри диаграмм классов: обобщения ассоциации зависимости Структура АИС: Описание структуры информационной системы включающей в себя понятия: техническое обеспечение математическое обеспечение программное обеспечение информационное обеспечение организационное обеспечение правовое обеспечение. Глобальная сеть Internet как пример открытой информационной системы.
35179. Информация и информационные ресурсы 307.5 KB
  Информационные системы экономические информационные системы. По поддержке видов деятельности: система автоматизированного проектирования автоматизированные ИС автоматизированные системы управления технологическими процессами.Обеспечивающие подсистемы экономих информых систем ЭИС. Организацое обеспие внутреняя органия ИС обеспечая управлие всеми подсистемами ЭИС как единой системы.
35180. Сетевое администрирование на основе Microsoft Windows Server 2003 8.93 MB
  В рамках курса предполагается изучение базовых понятий сетевого администрирования и стека протоколов TCP IP рассмотрение эффективных решений задач управления пользователями и ресурсами сети освоение основных приемов и инструментов мониторинга компьютерной сети овладение базовыми средствами обеспечения безопасности сети. Цель задачи и объекты сетевого администрирования Решение данных задач осуществляется применительно к трем группам объектов: серверы компьютеры предоставляющие доступ к ресурсам сети и посредством которых системный...
35181. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СРЕДЫ 2.18 MB
  Обычный урок В начале урока проверка Д З в виде контрольной работы или устного ответа и конспектов Вопросы для подготовки к экзамену по дисциплине Операционные системы Основные понятия и определения ОС. Ресурсы вычислительной системы их классификация. Управление оперативной памятью вычислительной системы.
35182. Информатика и сетевое администрирование 232 KB
  Узел составной сети имеющий IPадрес называется хост host. Локальный адрес это адрес присвоенный узлу в соответствии с технологией подсети входящей в составную сеть. IPадрес состоит из двух логических частей номера подсети ID подсети и номера узла ID хоста в этой подсети. При передаче пакета из одной подсети в другую используется ID подсети.
35183. Правовые информационные системы. ПИС 174 KB
  В чем состоит официальное опубликование документа Под официальным опубликованием НПА следует понимать помещение полного текста документа в специальных изданиях признанных официальными действующим законодательством. Как получить доступ к правовым документам регионов России Для профессиональной деятельности наряду с федеральным законодательством необходимы и акты субъектов Федерации. Это существенно более простые по сравнению с профессиональными системами продукты позволяющие пользователям Интернет при необходимости ознакомиться с...
35184. Проблема первоначала у представителей идеализма в античности 74 KB
  Изложите учения о первоначале в философии античных атомистов Какое значение имело это учение в истории развития философии и науки 1. В истории философии материализм как правило был мировоззрением передовых классов и слоев общества заинтересованных в правильном познании мира в усилении власти человека над природой. Первые учения материалистов появились вместе с возникновением философии в рабовладельческих обществах древней Индии Китае и Греции за несколько веков до н.Исходной точкой развития античной философии был философский...
35185. Сопоставьте особенности буржуазных революций в США и Японии. Как решался аграрный вопрос в США и почему он оказался не под силу Японии 69 KB
  Процесс огораживания лишал земли английских крестьян которые искали потерянную землю за океаном. Владелец земли не мог уследить за тем кто проживает на его территории так как она была слишком велика и владелец проживал в Англии. 2 В средней группе колоний расположенных в зоне прерий развивается сельское хозяйство фермерского типа так как земли были очень плодородные. Первая группа противоречий касалась земли.
35186. Реформы Александра II и отмена крепостного права 68 KB
  Происходит заметное оживление либерально-оппозиционного движения среди тех слоев дворянства, которые считали необходимым не только отменить крепостное право, но и создать общесословные выборные органы управления, учредить гласный суд, ввести гласность вообще, провести преобразования в сфере просвещения и т. д.