Ćwiczenie 13

Badanie mikrofal

1. Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami ultrakrótkimi, zaliczane są do fal radiowych, przyjęto że odpowiada im zakres od 1mm (częstotliwość 300GHz) do 30cm (1GHz). W elektronice stosowanie sygnałów o częstotliwościach mikrofalowych oznacza, że rozmiary urządzenia (w najprostszym przypadku falowodu) są zbliżone do długości fali przenoszonego sygnału i opis obwodu przy pomocy elementów o stałych skupionych nie jest wystarczająco dokładny.

2. Metody wytwarzania mikrofal:

Magnetron to lampa elektronowa, która generuje mikrofale.

Magnetron wraz z magnesami z kuchenki mikrofalowej. Jest to dioda w kształcie walca umieszczona w stałym polu magnetycznym w kierunku równoległym do osi walca. Do elektrod diody przykładane jest stałe napięcie.

Emitowane z katody elektrony można podzielić na przyspieszane lub opóźniane przez pole wysokiej częstości. W pracy magnetronu wykorzystywane są elektrony opóźniane, poruszające się po zwijającej się spirali i emitujące promieniowanie mikrofalowe. Najczęściej stosuje się bardziej złożone magnetrony wnękowe.

Stosowane w kuchenkach mikrofalowych magnetrony generują fale o częstotliwości 2,45 GHz, czyli długości 12 cm i mocy od 700 do 1600 W.

Klistron to lampa mikrofalowa z modulacją prędkości elektronów. Służy do wzmacniania i generacji przebiegów mikrofalowych (o częstotliwościach od setek megaherców w górę). Składa się z katody wysyłającej elektrony, zespołu elektrod ogniskujących wyemitowane elektrony w wąską wiązkę, anody przyspieszającej oraz przynajmniej dwóch rezonatorów i kolektora.

3. Prawa optyki geometrycznej

Odbicie to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła.

Prawo odbicia - kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie.

Prawo załamania

Zgodnie ze schematem promień (padający) P pochodzący z ośrodka 1, w punkcie S pada na granicę ośrodków, załamuje się na granicy i podąża jako promień załamany Z w ośrodku 2.

Prawo Snelliusa mówi, że promienie padający i załamany oraz prostopadła padania (normalna) leżą w jednej płaszczyźnie a kąty spełniają zależność:

gdzie:

n1 — współczynnik załamania światła ośrodka 1

n2 — współczynnik załamania światła ośrodka 2

θp — kąt padania, kąt między promieniem padającym a prostopadłą padania,

θz — kąt załamania, kąt między promieniem załamanym a prostopadłą padania.

Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka lecz ulega całkowitemu odbiciu.

Kąt graniczny - P - promień padający pod kątem αgr, Z - promień załamany pod kątem β=90°, N - normalna padania. Światło padające na granicę ośrodków O1 i O2 pod kątem mniejszym od granicznego zostaje częściowo odbite a częściowo przechodzi do drugiego ośrodka (jest załamane). Jeżeli n1 to współczynnik załamania ośrodka O1, a n2 współczynnik załamania ośrodka O2 i n1 > n2 wtedy kąt padania α jest mniejszy niż kąt załamania β. Przy pewnym kącie padania αgr, zwanym granicznym, kąt załamania β jest równy 90º. Dla kątów padania większych niż αgr (zakreskowany zakres kątów na ilustracji) światło przestaje przechodzić przez granicę ośrodków i ulega całkowitemu odbiciu wewnętrznemu.

4. Dyfrakcja to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

Dyfrakcja używana jest do badania fal, oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza zdolność rozdzielczą układów optycznych.

Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Huygensa fala rozchodzi się w ten sposób, że każdy punkt fali staje się nowym źródłem fali, tak powstałe fale rozchodzą się jako fale kuliste a fala w każdym punkcie jest sumą wszystkich fal (interferencja). Za przeszkodą pojawią się obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się fal.

Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal np. fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii.

5. Interferencja to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale. W ośrodkach nieliniowych oprócz interferencji zachodzą też inne zjawiska wywołane nakładaniem się fal, w ośrodkach liniowych fale o jednakowej częstotliwości ulegając interferencji spełniają zasadę superpozycji.

Dla zjawiska interferencji, obszar rozchodzenia się fal składa się z fragmentów, gdzie zupełnie nie ma oscylacji i miejsc, w których jej amplituda ulega podwojeniu. Aby zaobserwować maksima i minima interferencyjne, konieczne jest, aby źródła fal były koherentne, czyli miały tą samą fazę, częstotliwość oraz długość.

6. Polaryzacja fali elektromagnetycznej

Określenie płaszczyzny, w której zmienia się pole elektromagnetyczne. Pole to można przedstawić za pomocą wektorów E i H, które są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali.

Polaryzacja fali ma zasadniczy wpływ na ustawienie anteny odbiorczej. Antena pionowa będzie odbierała fale spolaryzowane pionowo, pozioma - poziome.

Płaszczyzna polaryzacji

Na rys. przedstawiono obraz fali spolaryzowanej. O rodzaju polaryzacji stanowi wektor E. Jeżeli pozostaje on stale w płaszczyźnie poziomej, to fala nazwy się spolaryzowana poziomo, jeżeli pozostaje on w płaszczyźnie pionowej, to fala nazywa się spolaryzowana pionowo.

---