background image

Ćwiczenie 5

Fala płaska w ośrodkach stratnych.

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Pola i fale elektromagnetyczne

=

2

1 +

− 1

=

2

1 +

+ 1

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

=

+ β = j

1 −

Zespolony współczynnik propagacji:

współczynnik tłumienia

współczynnik fazowy

background image

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Wzory na długość i prędkość fali oraz relacje impedancyjne, które wyprowadzone 
były dla ośrodków bezstratnych, pozostają prawdziwe!

Dla materiału silnie stratnego (metalu), czyli gdy

≫ 1 uproszczone wyrażenia na

impedancję i powyższe współczynniki mają postać

Dla materiału mało stratnego (dielektryka), czyli gdy  

≪1 

 

 

!

"#$

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Korzyść praktyczna tego zjawiska jest taka, że aby uzyskać niskie straty komponentów mikrofalowych 
(np. prowadnic, falowodów) wystarczy pokryć je cienką warstwą bardzo dobrego przewodnika (np. 
srebro, złoto, miedź).

Zadanie:

Wyznacz głębokość wnikania fali elektromagnetycznej o częstotliwości % = 2.4 GHz w miedź (przyjąć:  = 6 ⋅ 10

+

S/m,  

,

= 1 i 

,

= 1).

Odp:  .

/

=

0

1

=

≅  1.33 ⋅ 10

45

m

background image

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Rozwiązanie (a):

Zatem współczynnik fazowy i współczynnik tłumienia wyznaczyć można ze wzoru: 

Stąd:

w celu ustaleniu typu ośrodka należy określić wartość 

 

= 10

6

≫ 1

=

=

=

7 · 10

6

· 4 · 7 · 10

4+

· 10 · 2 · 10

46

= 2 2710

46 ,9:

;

< =

=

>

= 500 2@

A =

>

=

=·0B

C

=0B

DC

= 5 2 · 10

E ;

/

Odległość d, na której amplituda pola zmaleje pięciokrotnie wyznaczyć można z  relacji 

F

B

41:

=

0

E

F

B

Zatem 

1:

= 5 i ostatecznie 

G =

ln (5)

=

250 2ln (5)

7

@.

W ośrodku o parametrach

,

= 10,

,

= 36 i

= 2 · 10

46 L

;

rozchodzi się elektromagnetyczna

fala płaska. Wyznacz długość i prędkość fazową fali oraz odległość, na której jej amplituda
zmaleje pięciokrotnie. Przyjmij, ze częstotliwość wynosi:
(a) = 1kHz, (b) = 1GHz.

Zadanie:

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Rozwiązanie (b):

zatem

Stąd:

w celu ustaleniu typu ośrodka należy określić wartość 

 

= 10

46

≪ 1

=

 

=

M N

 

M

 

N

=

N

 

N

607 = 0.02 107

,9:

;

=

=

5 0B

O

= 407 10

,9:

;

< =

=

>

=

0B

BB

@

A =

>

= 5 10 · 10

5 ;

/

.

Odległość d, tak jak w punkcie (a), wyznaczamy z relacji 

G =

ln (5)

=

5 10ln (5)

7

@.

background image

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Ostatecznie

zatem

Zadanie:

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Głębokość wnikania dla ośrodka o przenikalności elektrycznej 

,

= 4 i przewodności  = 1 S/m przy częstotliwości 

% = 30 MHz wynosi G =

0

5=

 m. Określ przenikalność magnetyczną ośrodka oraz długość i prędkość rozważanej fali. 

Zakładając, że pole elektryczne w ośrodku ma postać F P, R, S, T = 607 

41U

cos

T − P  Y

Z

V/m wyznacz 

towarzyszące mu pole magnetyczne.

Zadanie:

Odp.:

,

= 3, 

< =

0

6

 m, 

A = 10

+

m/s, 

[ P, R, S, T = − 5 2 

41U

 cos

T − P  − \  Y

]

A/m, 

gdzie 

= 6710

+

rad/s,

=

= 67 rad/m, 

\ =

7

4

background image

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Dodatek 1

Wyprowadzenie wyrażeń ogólnych na   i 

Wychodzimy ze wzoru na  :

Podnosząc równanie do kwadratu i wymnażając wyrażenie w nawiasie 
otrzymujemy

Ponieważ:

możemy zapisać następujący układ równań:

Wyznaczając β z drugiego równania i podstawiając do pierwszego 
otrzymujemy:

Podstawiając T  =  

2

≥ 0 otrzymujemy równanie kwadratowe:

dla którego wyróżnik wynosi:

i rozwiązanie (nieujemne):

W związku z tym współczynnik tłumienia wyznaczamy korzystając z 
wyrażenia:

Wstawiając powyższą zależność do układu równań otrzymujemy:

Korzystając ze wzoru skróconego mnożenia:

otrzymujemy:

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Dodatek 2

Aby wyznaczyć moduł i fazę impedancji falowej dla ośrodka stratnego wychodzimy ze wzoru:

gdzie

Wyprowadzenie wyrażeń ogólnych na |S | i \

background image

Dodatek 3

Wyprowadzenie wyrażeń na   i  w ośrodku słabo stratnym 

≪ 1

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Uwzględniając przyjęte założenie 

≪ 1 we wzorach wyprowadzonych w Dodatku 1 czynnik ten może zostać pominięty. Jednakże w 

przypadku współczynnika tłumienia oraz fazy impedancji falowej taki krok prowadziłby do całkowitego wyzerowania tych elementów. 

Wówczas w przypadku współczynnika tłumienia korzystamy z rozwinięcia funkcji w szereg Taylora  1 + P ≈ 1 +

U

  dla |P| << 1

i otrzymujemy:

Współczynnik fazowy redukuje się do postaci:

Moduł impedancji falowej:

Do wyznaczenia fazy impedancji falowej korzystamy z założenia tan P ≈ P dla  P << 1 i otrzymujemy:

Dodatek 4

Wyprowadzenie wyrażeń na   i  w ośrodku silnie stratnym 

≫ 1

Autorzy: R. Lech i P. Kowalczyk, Katedra In

ż

ynierii Mikrofalowej i Antenowej

Uwzględniając przyjęte założenie 

≪ 1 we wzorach wyprowadzonych w Dodatku 1 w przypadku współczynnika 

tłumienia otrzymujemy: 

W ten sam sposób redukuje się współczynnik fazowy:

Moduł i faza impedancji falowej wynoszą odpowiednio: