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:

1. Указать, прежде чем выполнять какой-либо расчет, его цель, привести ссылку на источник, откуда берете расчетные соотношения (номер литературы по списку), и номер формулы.
2. Пояснить все вновь вводимые значения.
3. Подставить в общую формулу числовые значения известных величин, привести результаты промежуточных вычислений и конечный результат. Размерности величин указать только в конечном результате расчета.
4. Выразить все величины в стандартных единицах Международной системы единиц СИ.
5. Выполнять расчеты с точностью до третьей значащей цифры.
6. Сопровождать рисунком с указанием направления векторов определение векторных величин.
7. Строить графики на миллиметровой бумаге. Они должны содержать стандартный масштаб, размерности величин и расчетные точки. Рисунки должны быть разборчивыми.
8. При выполнении контрольной работы необходимо указывать номер студенческого билета и номер варианта.
9. 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 E_m, частота источника поля f, удельная проводимость среды σ, ее относительная диэлектрическая проницаемость  и абсолютная магнитная проницаемость =(табл. 1, 2).

         Пользуясь данными соответствующего варианта, необходимо:

1. Определить коэффициент фазы b и коэффициент затухания a распространяющейся волны.
2. Найти модуль |Z| и фазу j комплексного волнового сопротивления Z.
3. Записать выражения для комплексных амплитуд и мгновенных значений напряженности электрического и магнитного полей.
4. Определить расстояние z₀, на котором амплитуда волны убывает в 1000 раз.
5. Вычислить значения фазовой скорости волны.
6. 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:

1. Определить критическую и выбрать рабочую длину волны в волноводе.
2. 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.
3. Изобразить на рисунке с распределение токов проводимости продольные и поперечные излучающие щели.
4. Рассчитать передаваемую мощность, если амплитуда электрической составляющей поля в пучности равна 1 В/м, а также предельно допустимую мощность (Е_проб = В/м).
5. 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 Z_В с активной нагрузкой R_Н = qZ_В  в полосе частот от f_Н до f_В. Модуль коэффициента отражения |Г| на входе перехода |Г| |Г_ДОП|. 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 Г_i;

         3) волновые сопротивления  и геометрические размеры каждой ступени (диаметр внутреннего проводника ступени  у коаксиала или расстояние между осями проводников 2d_i в двухпроводной линии);

         4) рассчитать и построить частотную зависимость в полосе частот от 0,8f_Н до 1,2f_В  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

1. Указать, прежде чем выполнять какой-либо расчет, его цель, привести ссылку на источник, откуда берете расчетные соотношения (номер литературы по списку), и номер формулы.
2. Пояснить все вновь вводимые значения.
3. Подставить в общую формулу числовые значения известных величин, привести результаты промежуточных вычислений и конечный результат. Размерности величин указать только в конечном результате расчета.
4. Выразить все величины в стандартных единицах Международной системы единиц СИ.
5. Выполнять расчеты с точностью до третьей значащей цифры.
6. Сопровождать рисунком с указанием направления векторов определение векторных величин.
7. Строить графики на миллиметровой бумаге. Они должны содержать стандартный масштаб, размерности величин и расчетные точки. Рисунки должны быть разборчивыми.
8. При выполнении контрольной работы необходимо указывать номер студенческого билета и номер варианта.
9. 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:

1. Определить рабочий диапазон частот ПРА.
2. Определить глубину (длину) рупора, при которой данный рупор будет оптимальным.
3. Рассчитать коэффициент направленного действия ПРА на средней рабочей частоте диапазона.
4. Изобразить графически эпюры распределения векторов  и  вдоль соответствующих сторон рупора. Нарисовать эскиз, иллюстрирующий распределение токов проводимости и токов смещения.
5. Для заданных размеров рассчитать и построить диаграмму направленности РПА в двух  ортогональных плоскостях на средней рабочей частоте диапазона.
6. 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  резонатора	призматический					цилиндрический
Тип  колебаний

 

 

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:

1. Указать, прежде чем выполнять какой-либо расчет, его цель, привести ссылку на источник, откуда берете расчетные соотношения (номер литературы по списку), и номер формулы.
2. Пояснить все вновь вводимые значения.
3. Подставить в общую формулу числовые значения известных величин, привести результаты промежуточных вычислений и конечный результат. Размерности величин указать только в конечном результате расчета.
4. Выразить все величины в стандартных единицах Международной системы единиц СИ.
5. Выполнять расчеты с точностью до третьей значащей цифры.
6. Сопровождать рисунком с указанием направления векторов определение векторных величин.
7. 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.
8. При выполнении контрольной работы необходимо указывать номер студенческого билета и номер варианта.
9. 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 П_С и относительной полосой ΔF. Защитный интервал между каналами принять равным Δf_З (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): U_О – 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 Р_П, несущую частоту f₀ и ширину спектра П_С (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:

 

U_am (t) = U₀(1+ М cos2πFt) cos2f_ot

 

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:

1. объяснить назначение, изобразить схему и описать принцип работы детектора;
2. рассчитать необходимое значение сопротивления нагрузки детектора R_H для получения значения коэффициента передачи детектора K_д.;
3. выбрать значение емкости нагрузки детектора C_H при заданных f₀ и F;
4. рассчитать и построить спектры напряжений на входе и выходе детектора.

 

Задача 4. Для заданной ЭСБ (табл. 5) требуется:

1. Привести описание датчика и схемы преобразования электрического сигнала.
2. Представить структурную схему системы.
3. 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