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
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:
-
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