Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства (РРВиАФУ)
- Для комментирования войдите или зарегистрируйтесь
основы Радиофизики, распространение радиоволн
и антенно-фидерные устройства
Основы радиофизики, распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Учеб.-метод. пособие / Д. В. Гололобов, В. Б. Кирильчук. – Минск : БГУИР, 2012. – 61 с.
1.3. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Инструкция по выполнению контрольной работы
Вариант задания определяется двумя последними цифрами номера студенческого билета: m – предпоследняя, n – последняя.
При выполнении контрольных работ студент должен придерживаться следующих требований:
- Указать, прежде чем выполнять какой-либо расчет, его цель, привести ссылку на источник, откуда берете расчетные соотношения (номер литературы по списку), и номер формулы.
- Пояснить все вновь вводимые значения.
- Подставить в общую формулу числовые значения известных величин, привести результаты промежуточных вычислений и конечный результат. Размерности величин указать только в конечном результате расчета.
- Выразить все величины в стандартных единицах Международной системы единиц СИ.
- Выполнять расчеты с точностью до третьей значащей цифры.
- Сопровождать рисунком с указанием направления векторов определение векторных величин.
- Строить графики на миллиметровой бумаге. Они должны содержать стандартный масштаб, размерности величин и расчетные точки. Рисунки должны быть разборчивыми.
- При выполнении контрольной работы необходимо указывать номер студенческого билета и номер варианта.
- Представить в конце работы список использованной литературы и расписаться.
Задания к Контрольной работе
Задача 1. Плоская однородная электромагнитная волна распространяется в безграничной полупроводящей среде вдоль оси z. Известны амплитуда напряженности электрического поля Em, частота источника поля f, удельная проводимость среды σ, ее относительная диэлектрическая проницаемость и абсолютная магнитная проницаемость =(табл. 1, 2).
Пользуясь данными соответствующего варианта, необходимо:
- Определить коэффициент фазы b и коэффициент затухания a распространяющейся волны.
- Найти модуль |Z| и фазу j комплексного волнового сопротивления Z.
- Записать выражения для комплексных амплитуд и мгновенных значений напряженности электрического и магнитного полей.
- Определить расстояние z0, на котором амплитуда волны убывает в 1000 раз.
- Вычислить значения фазовой скорости волны.
- Найти длину волны в данной среде.
Таблица 1
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
80 |
75 |
70 |
65 |
60 |
50 |
40 |
30 |
20 |
20 |
|
f, МГц |
100 |
200 |
100 |
200 |
100 |
200 |
100 |
200 |
100 |
200 |
Таблица 2
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Еm, В/м |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
105 |
110 |
115 |
120 |
σ, Cм/м |
2,0 |
4,0 |
5,0 |
6,0 |
10 |
15 |
10 |
6,0 |
8,0 |
4,0 |
При решении этой задачи следует помнить о том, что классификация сред по проводимости производится исходя из соотношения между плотностями токов проводимости и смещения.
Если плотности токов соизмеримы, то среда полупроводящая. В этом случае b, a и W зависят от электрических параметров среды и частоты электрических колебаний. От этих же величин зависят длина волны в исследуемой среде и фазовая скорость.
Задача 2. В волноводе с поперечными размерами а b или радиусом R (табл. 3, 4) требуется:
- Определить критическую и выбрать рабочую длину волны в волноводе.
- Изобразить распределение электрических и магнитных силовых линий вдоль соответствующих сторон волновода заданного в табл. 6 типа волны. Нарисовать эскиз, иллюстрирующий распределение токов проводимости и токов смещения.
- Изобразить на рисунке с распределение токов проводимости продольные и поперечные излучающие щели.
- Рассчитать передаваемую мощность, если амплитуда электрической составляющей поля в пучности равна 1 В/м, а также предельно допустимую мощность (Епроб = В/м).
- Определить типы волн, которые могут при выбранной длине волны распространиться в данном волноводе
Таблица 3
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
а, м |
0,02 |
|
0,04 |
|
0,06 |
|
0,08 |
|
0,05 |
|
b, м |
0,01 |
|
0,01 |
|
0,03 |
|
0,04 |
|
0,05 |
|
R, м |
|
0,02 |
|
0,04 |
|
0,06 |
|
0,03 |
|
0,08 |
Таблица 4
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Тип волны |
Н10 |
E11 |
Н20 |
E12 |
Н21 |
Н21 |
Н11 |
E22 |
Н12 |
Н11 |
Решение задачи целесообразно начинать с расчета критической волны для заданных размеров поперечного сечения и заданного типа волны. Воспользовавшись алгоритмом построения структуры поля для волны произвольного типа изобразить распределение силовых линий в поперечном и продольном сечениях волновода.
Задача 3. Необходимо согласовать коаксиальную или двухпроводную линию, имеющую волновое сопротивление ZВ с активной нагрузкой RН = qZВ в полосе частот от fН до fВ. Модуль коэффициента отражения |Г| на входе перехода |Г| |ГДОП|. Согласование произвести ступенчатым переходом с максимально плоской характеристикой.
Пользуясь данными соответствующего варианта (табл. 5, 6) требуется определить:
1) количество ступеней перехода N и его общую длину;
2) коэффициенты отражения от ступеней перехода Гi;
3) волновые сопротивления и геометрические размеры каждой ступени (диаметр внутреннего проводника ступени у коаксиала или расстояние между осями проводников 2di в двухпроводной линии);
4) рассчитать и построить частотную зависимость в полосе частот от 0,8fН до 1,2fВ при числе точек не менее 20.
Таблица 5
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
ZВ, Ом |
200 |
250 |
300 |
50 |
70 |
75 |
280 |
350 |
50 |
75 |
|
1 |
1 |
1 |
2,2 |
2,3 |
2,4 |
1 |
1 |
2,1 |
2,6 |
||
Тип линии |
Двухпроводная |
Коаксиальная |
Двухпровод- ная |
Коаксиаль-ная |
|||||||
r,мм |
3,0 |
2,5 |
2,0 |
|
|
|
1,8 |
1,5 |
|
|
|
d, мм |
|
|
|
2,5 |
2,0 |
1,5 |
|
|
2,1 |
1,4 |
|
Таблица 6
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
fВ, МГц |
130 |
120 |
40 |
150 |
125 |
135 |
100 |
110 |
115 |
123 |
|
fН, МГц |
45 |
55 |
60 |
65 |
70 |
80 |
30 |
35 |
42 |
50 |
|
q |
0,5 |
0,3 |
3,5 |
3,3 |
3,1 |
0,33 |
2,9 |
0,36 |
3,0 |
0,28 |
|
|ГДОП| |
0,08 |
0,06 |
0,08 |
0,09 |
0,02 |
0,12 |
0,12 |
0,14 |
0,11 |
0,10 |
|
2.2.3. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Инструкция к выполнению контрольной работы
Контрольные задания составлены в 100 вариантах. Каждый студент выполняет одну контрольную работу. Вариант задания определяется двумя последними цифрами номера студенческого билета:
m – предпоследняя цифра, n – последняя
- Указать, прежде чем выполнять какой-либо расчет, его цель, привести ссылку на источник, откуда берете расчетные соотношения (номер литературы по списку), и номер формулы.
- Пояснить все вновь вводимые значения.
- Подставить в общую формулу числовые значения известных величин, привести результаты промежуточных вычислений и конечный результат. Размерности величин указать только в конечном результате расчета.
- Выразить все величины в стандартных единицах Международной системы единиц СИ.
- Выполнять расчеты с точностью до третьей значащей цифры.
- Сопровождать рисунком с указанием направления векторов определение векторных величин.
- Строить графики на миллиметровой бумаге. Они должны содержать стандартный масштаб, размерности величин и расчетные точки. Рисунки должны быть разборчивыми.
- При выполнении контрольной работы необходимо указывать номер студенческого билета и номер варианта.
- Представить в конце работы список использованной литературы и расписаться.
Задания к контрольной работе
Задача 1. Над однородной подстилающей поверхностью Земли, характеризуемой удельной электропроводностью , относительной диэлектрической проницаемостью , магнитной проницаемостью на высотах соответственно и , установлены приемная и передающая антенны. Передающая антенна с коэффициентом усиления в режиме идеального согласования подключена к передатчику с помощью фидера длиной с погонным затуханием и волновым сопротивлением . На выходе согласованного с фидером передатчика на несущей частоте формируется узкополосный фазоманипулированный сигнал мощностью полосой частот . Приемник подключен к приемной антенне, коэффициент усиления которой на частоте имеет значение , с помощью фидера длиной , погонным затуханием и волновым сопротивлением , где – входное сопротивление приемника на частоте. Входное сопротивление антенны на частоте чисто активное, равно . Передающая антенна излучает сигнал на поляризации типа ( – вертикальная; – горизонтальная) Приемная антенна по отношению к передающей имеет поляризационное рассогласование, характеризуемое величиной .
Пренебрегая влиянием атмосферы (верхнее полупространство-вакуум) и пользуясь данными соответствующего варианта, необходимо:
1. Определить мгновенное значение напряженности электрического поля на расстоянии от передающей антенны.
2. Определить мощность сигнала на входе приемника на частоте .
3. Построить график зависимости действующего значения напряженности электрического поля от расстояния , если .
4. Определить коэффициент стоячей волны по напряжению в приемном фидере в полосе рабочих частот.
5. Определить расстояние, начиная с которого напряженность электрического поля от расстояния будет убывать монотонно.
Таблица вариантов 1
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
, |
80 |
10 |
5 |
4 |
15 |
20 |
25 |
9 |
8 |
7 |
,Сим /м |
10 |
0,1 |
0,01 |
0,05 |
1 |
2 |
3 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
, МГц |
100 |
200 |
70 |
50 |
100 |
200 |
100 |
200 |
100 |
90 |
, дБ/м |
0,5 |
0,8 |
0,3 |
0,2 |
0,5 |
0,8 |
0,5 |
0,8 |
0,5 |
0,4 |
, м |
50 |
20 |
70 |
60 |
50 |
20 |
40 |
15 |
35 |
65 |
Окончание табл. 1 |
||||||||||
, м |
50 |
20 |
70 |
60 |
50 |
20 |
40 |
15 |
35 |
65 |
, дБ |
12 |
15 |
10 |
6 |
12 |
15 |
12 |
18 |
10 |
8 |
, Вт |
10 |
15 |
20 |
40 |
60 |
50 |
70 |
35 |
45 |
70 |
, Ом |
75 |
50 |
50 |
75 |
75 |
50 |
50 |
75 |
75 |
75 |
1 |
2 |
2 |
1 |
1 |
1 |
2 |
2 |
1 |
2 |
|
, км |
30 |
20 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
65 |
50 |
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
, м |
50 |
60 |
70 |
70 |
40 |
100 |
90 |
40 |
35 |
35 |
, м |
50 |
60 |
70 |
70 |
40 |
100 |
90 |
40 |
35 |
35 |
0,01 |
0,02 |
0,012 |
0,015 |
0,013 |
0,014 |
0,013 |
0,014 |
0,015 |
0,011 |
|
, Ом |
50 |
75 |
50 |
75 |
50 |
75 |
50 |
75 |
50 |
75 |
, дБ |
10 |
12 |
11 |
15 |
13 |
12 |
10 |
17 |
14 |
13 |
, дБ |
0,5 |
1 |
2 |
1,5 |
1,7 |
1,3 |
1,4 |
1,6 |
1,5 |
0,9 |
При решении этой задачи следует помнить о том, что коэффициенты отражения Френеля зависят от вида поляризации поля, и поверхность земли имеет сферическую форму.
Задача 2. Пирамидальная рупорная антенна (ПРА), выполненная из идеально проводящего материала, запитана от прямоугольного волновода с поперечными размерами ab, имеет раскрыв с размерами АВ, требуется:
- Определить рабочий диапазон частот ПРА.
- Определить глубину (длину) рупора, при которой данный рупор будет оптимальным.
- Рассчитать коэффициент направленного действия ПРА на средней рабочей частоте диапазона.
- Изобразить графически эпюры распределения векторов и вдоль соответствующих сторон рупора. Нарисовать эскиз, иллюстрирующий распределение токов проводимости и токов смещения.
- Для заданных размеров рассчитать и построить диаграмму направленности РПА в двух ортогональных плоскостях на средней рабочей частоте диапазона.
- Рассчитать передаваемую мощность, если амплитуда электрической составляющей поля в пучности равна 1 В/м, а также предельно допустимую мощность ( = В/м).
Таблица вариантов 2
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
А , м |
0,7 |
0,7 |
0,9 |
0,2 |
0,15 |
0,6 |
0,08 |
0,9 |
0,12 |
0,4 |
В, м |
0,5 |
0,7 |
0,6 |
0,2 |
0,10 |
0,3 |
0,06 |
0,5 |
0,6 |
0,22 |
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
a , м |
0,023 |
0,023 |
0,046 |
0,072 |
0,072 |
0,023 |
0,072 |
0,046 |
0,072 |
0,023 |
b , м |
0,01 |
0,01 |
0,02 |
0,036 |
0,036 |
0,01 |
0,036 |
0,02 |
0,036 |
0,01 |
Решение задачи целесообразно начинать с определения диапазона рабочих частот антенны и графического изображения структуры поля волны заданного типа. После этого необходимо записать условие допустимой фазовой ошибки на краях ПРА и определить его оптимальную глубину.
Задача 3. Необходимо согласовать и симметрировать вибраторную и антенну, характеризуемую входным импедансом , с коаксиальным фидером с заданным значением волнового сопротивления в полосе частот от до . Согласование и симметрирование следует произвести с помощью ступенчатого четвертьволнового трансформатора и четвертьволновой приставки – вариант N, или U-колена – вариант M.
Требуется определить:
1) конструкцию и размеры заданного типа согласующее-трансформиру-ющего устройства (СТУ);
2) коэффициент отражения в полосе частот от 0,8 до 1,2 при числе точек не менее 20;
Таблица вариантов 3
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
, Ом |
100 |
25 |
150 |
50 |
70 |
75 |
80 |
50 |
75 |
25 |
Вариант СТУ |
M |
N |
M |
N |
M |
N |
N |
N |
N |
M |
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
, ГГц |
0,5 |
0,7 |
0,23 |
0,174 |
0,47 |
0,608 |
0,518 |
0,708 |
0,47 |
0,23 |
, ГГц |
0,45 |
0,63 |
0,174 |
0,15 |
0,35 |
0,5 |
0,43 |
0,67 |
0,33 |
0,174 |
, Ом |
30 |
45 |
80 |
150 |
200 |
30 |
25 |
120 |
190 |
25 |
, Ом |
+30 |
+45 |
-70 |
-80 |
+70 |
+60 |
-45 |
-95 |
+45 |
+50 |
Задача 4. Необходимо определить размеры резонатора на заданном типе колебаний или на заданной рабочей частоте . Зарисовать конструкцию резонатора и метод его возбуждения.
Таблица вариантов 4
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Конструкция |
призматический |
цилиндрический |
||||||||
Тип |
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Частота , ГГц |
16 |
17 |
18 |
9 |
10 |
13 |
14 |
15 |
36 |
37 |
Метод возбуждения |
штырь |
петля |
штырь |
3.3 КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Инструкция к выполнению контрольной работы
Контрольные задания составлены в 100 вариантах. Вариант задания определяется двумя последними цифрами mn номера студенческого билета:
m – предпоследняя, n – последняя.
При выполнении контрольных работ студент должен придерживаться следующих требований:
- Указать, прежде чем выполнять какой-либо расчет, его цель, привести ссылку на источник, откуда берете расчетные соотношения (номер литературы по списку), и номер формулы.
- Пояснить все вновь вводимые значения.
- Подставить в общую формулу числовые значения известных величин, привести результаты промежуточных вычислений и конечный результат. Размерности величин указать только в конечном результате расчета.
- Выразить все величины в стандартных единицах Международной системы единиц СИ.
- Выполнять расчеты с точностью до третьей значащей цифры.
- Сопровождать рисунком с указанием направления векторов определение векторных величин.
- Графический материал представлять в стандартизированной координатной сетке с размерами ячейки, определяемыми студентом. Размерный размах осей определяется так, чтобы наблюдалась динамика изменений исследуемой величины. Оси графиков должны быть обозначены соответствующими величинами с обязательным указанием их размерности. Допускается представление зависимостей при вариациях третьего (и более) параметра на одном графике при условии ранжирования линий по цвету или их виду.
- При выполнении контрольной работы необходимо указывать номер студенческого билета и номер варианта.
- Представить в конце работы список использованной литературы и расписаться.
Задания к контрольной работе
Задача 1. Определить количество информационных каналов с заданным видом модуляции, которые могут быть размещены в ДВ, СВ, КВ, УКВ диапазонах с шириной спектра сигнала ПС и относительной полосой ΔF. Защитный интервал между каналами принять равным ΔfЗ (табл. 1).
Таблица 1
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Вид модуляции |
АМ |
ЧМ |
ФМ |
АМ |
ЧМП |
ФМП |
АМП |
ЧМ |
ФМ |
АМ |
ПС, кГц |
5 |
10 |
15 |
20 |
30 |
2 |
10 |
6 |
40 |
50 |
ΔF, % |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
20 |
40 |
30 |
20 |
10 |
ΔfЗ, кГц |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
АМ, ФМ, ЧМ – амплитудная, частотная, фазовая модуляция; АМП, ЧМП, ФМП – амплитудная, частотная, фазовая манипуляция
Определить мощность радиосигнала при известных параметрах несущего и модулирующего сигналов (табл. 2): UО – амплитуда несущего колебания; М, β – коэффициент и индекс модуляции.
Таблица 2
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
UО, В |
10 |
60 |
20 |
30 |
90 |
10 |
40 |
10 |
15 |
20 |
М, % |
20 |
25 |
40 |
10 |
15 |
25 |
10 |
45 |
28 |
34 |
β |
2 |
4 |
1 |
1,5 |
2,5 |
10 |
5 |
8 |
4 |
3 |
Задача 2. Корреспондирующие пункты расположены на расстоянии r друг от друга. Передающее устройство имеет фиксированную мощность РП, несущую частоту f0 и ширину спектра ПС (табл. 3, 4).
Необходимо:
1) при заданном коэффициенте затухания α осуществить выбор типа фидера;
2) рассчитать мощность на приемном конце проводной линии;
3)предложить альтернативный способ передачи информации с помощью электромагнитных волн: определить действующее значение напряженности поля на приемном конце, мощность на входе приемника;
4) сравнить радио- и проводную линии передачи информации, определить эффективность использования вариантов линий.
Таблица 3
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
r, км |
5000 |
2600 |
7000 |
18000 |
90000 |
1000 |
11000 |
120 |
1300 |
14000 |
Таблица 4
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
РП, кВт |
2 |
10 |
4 |
20 |
6 |
50 |
8 |
10 |
5 |
30 |
f0, МГц |
1 |
2 |
3 |
4 |
30 |
500 |
40 |
1000 |
15 |
5000 |
ПС, кГц |
10 |
20 |
500 |
4 |
100 |
20 |
10 |
80 |
40 |
200 |
Задача 3. Задана вольтамперная характеристика диода амплитудного детектора аппроксимированная отрезками прямых:
i = SU при u ≥0
0 при u <0
На вход детектора воздействует амплитудно-модулированное колебание:
Uam (t) = U0(1+ М cos2πFt) cos2fot
Таблица 5
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
S, mA/B |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
67 |
70 |
75 |
Kд |
0,9 |
0,7 |
0,8 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,7 |
0,6 |
0,9 |
0,7 |
Таблица 6
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
M |
0,8 |
0,85 |
0,9 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
0,8 |
U0, B |
1 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
1,7 |
1,6 |
1,5 |
1,4 |
1,2 |
f0, кГц |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
550 |
60 |
650 |
700 |
750 |
F, кГц |
4 |
5 |
6 |
4 |
5 |
6 |
7 |
5 |
4 |
6 |
Необходимо:
- объяснить назначение, изобразить схему и описать принцип работы детектора;
- рассчитать необходимое значение сопротивления нагрузки детектора RH для получения значения коэффициента передачи детектора Kд.;
- выбрать значение емкости нагрузки детектора CH при заданных f0 и F;
- рассчитать и построить спектры напряжений на входе и выходе детектора.
Задача 4. Для заданной ЭСБ (табл. 5) требуется:
- Привести описание датчика и схемы преобразования электрического сигнала.
- Представить структурную схему системы.
- Привести вариант системы с применением Интернет.
Таблица 5
m |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Вид датчика |
Счетчик Гейгера |
Терморезистор |
Радиосигнал |
Видеокамера |
|||||||
Система |
АСКРО |
РРЛ* |
СРЛ |
ТЛЛ |
A-GPS |
GPS |
СРЛ |
РРЛ |
|||
*Радиолинии: РРЛ – радиорелейная: СРЛ – спутниковая; ТЛЛ –телефонная
При описании предмета задачи следует пояснить принцип действия обозначенной системы и ее периферийных датчиков, а также преобразователей неэлектрической информации в электрический сигнал. Привести структурную схему системы с аналитическим описание.
Учебное издание
основы электромагнитной теории,
антенны и устройства свч
Сборник
программ, методических указаний
и контрольных заданий
В 2-х частях
Часть 2
С о с т а в и т е л и:
Гололобов Дмитрий Владимирович
Кирильчук Валерий Борисович