1

Imię i nazwisko

Data

…………………………………………..

……………………………….

Grupa

Podpis prowadzącego

………………………………………….

……………………………….

SPRAWOZDANIE

LABORATORIUM POFA/POFAT - ĆWICZENIE NR 1

Zadanie nr 1

(plik „strip.pro” ,nazwa ośrodka wypełniającego prowadnicę - "airlossy")

Rozważamy przypadek prowadnicy fali TEM, wypełnionej bezstratnym dielektrykiem o różnych
wartościach przenikalności elektrycznej

ε

r

i magnetycznej

µ

r

, w której rozchodzi się fala bieżąca.

Narysować obwiednie oraz przykładowe rozkłady pól E(x)/E

0

i H(x)/H

0

dla jednego z

poniższych przypadków, wskazanego przez prowadzącego ćwiczenie ( pole E - kolor czerwony,
pole H - kolor niebieski):

a) f = 4 GHz

ε

r

= 1

µ

r

= 1

b) f = 8 GHz

ε

r

= 1

µ

r

= 1

c) f = 4 GHz

ε

r

= 4

µ

r

= 1

d) f = 4 GHz

ε

r

= 1

µ

r

= 4

Wyznaczyć wszystkie niżej podane parametry procesu falowego:

a)

α

=

λ

= Z = E/H = WFS =

β

=

b)

α

=

λ

= Z = E/H = WFS =

β

=

c)

α

=

λ

= Z = E/H = WFS =

β

=

d)

α

=

λ

= Z = E/H = WFS =

β

=

Uwaga!!! W trakcie wyznaczania wartości impedancji Z proszę zwrócić szczególną uwagę na

wartości amplitud pól E i H. Wartość WFS proszę wyznaczać w oparciu o kształt obwiedni

pola E oraz zależność WFS=E

max

/E

min

.

2

Wnioski:

Jak zmiana częstotliwości f fali TEM rozchodzącej się w ośrodku bezstratnym wpływa na

następujące parametry procesu falowego:

- długość fali λ -…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

- współczynnik fazy β - ……………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………

- impedancję falową Z - ……………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………

Jak zmiana przenikalności elektrycznej ε

r

ośrodka bezstratnego wpływa na następujące

parametry procesu falowego:

- długość fali λ -…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

- współczynnik fazy β - ……………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………

- impedancję falową Z - ……………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………

Jak zmiana przenikalności magnetycznej µ

r

ośrodka bezstratnego wpływa na następujące

parametry procesu falowego:

- długość fali λ -…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

- współczynnik fazy β - ……………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………

- impedancję falową Z - ……………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………

Jaka funkcja matematyczna opisuje kształt obwiedni E(x)/E

0

gdzie x jest kierunkiem

propagacji fali?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………...................................................................................................................................

Jakie wartości przyjmują składowe pola H

x

, H

z

, E

x

, E

y

i dlaczego?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

………….....................................................................................................................................

………………………………………………………………………………………………....

3

Zadanie nr 2

(plik „stripm.pro” ,nazwa ośrodka wypełniającego prowadnicę- "dielektryk")

Rozważamy przypadek prowadnicy fali TEM, zakończonej metalową płytą i wypełnionej
bezstratnym dielektrykiem o różnych wartościach przenikalności elektrycznej

ε

r

i

magnetycznej

µ

r

, w której generuje się fala stojąca. Narysować obwiednie pól E(x)/E

0

oraz

H(x)/H

0

dla jednego z poniższych przypadków, wskazanego przez prowadzącego ćwiczenie

(pole E - kolor czerwony, pole H - kolor niebieski).

a) f = 5 GHz

ε

r

= 1

µ

r

= 1

b) f = 10 GHz

ε

r

= 1

µ

r

= 1

c) f = 5 GHz

ε

r

= 4

µ

r

= 1

d) f = 5 GHz

ε

r

= 1

µ

r

= 4

Wyznaczyć wszystkie niżej wymienione parametry procesu falowego:

a)

α

=

λ

= Z = E/H = WFS =

β

=

b)

α

=

λ

= Z = E/H = WFS =

β

=

c)

α

=

λ

= Z = E/H = WFS =

β

=

d)

α

=

λ

= Z = E/H = WFS =

β

=

Uwaga!!! Proszę wyznaczać wartość impedancji falowej w miejscu, w którym wstawiona
została metalowa płyta. Wartość WFS proszę wyznaczać w oparciu o kształt obwiedni pola E
oraz zależność WFS=E

max

/E

min

.

Wnioski:
Jak zmiana częstotliwości f fali TEM rozchodzącej się w prowadnicy zakończonej metalową

płytą i wypełnionej materiałem bezstratnym wpływa na następujące parametry procesu

falowego:

- długość fali λ -…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

Jaka funkcja matematyczna opisuje kształt obwiedni E(x)/E

0

gdzie x jest kierunkiem

propagacji?

…………………………………………………………………………………………………

Jaka jest odległość między węzłem a strzałką obwiedni?

…………………………………………………………………………………………………

4

Jaka jest wartość współczynnika odbicia

Γ

na granicy z płytą metalową?

…………………………………………………………………………………………………

Jakie wartości przyjmują całkowite pola E i H na granicy z płytą metalową w odniesieniu do

amplitud E

0

i H

0

?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………....................................................................................................................................

Jaki jest sens fizyczny współczynnika fali stojącej WFS?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………....................................................................................................................................

Zadanie nr 3

(plik „strip”, nazwa ośrodka wypełniającego prowadnice - "airlossy")

W dwóch prowadnicach fali TEM wypełnionych dielektrykiem stratnym o określonych
wartościach przenikalności elektrycznej

ε

r

i magnetycznej

µ

r

jest tłumiona fala płaska.

Wyznaczyć przewodność elektryczną

σ

tak, aby w jednej prowadnicy uzyskać:

a) f =1 GHz

ε

r

=4

µ

r

=1 tg

δ

=1

σ

= …

b) f =1 GHz

ε

r

=4

µ

r

=1 tg

δ

=0.1

σ

= …

Oszacować w trakcie symulacji wartość współczynnika tłumienia

α

w obu ośrodkach

korzystając z zależności:

)

(

)

(

)

(

ln

1

2

2

1

x

x

x

E

x

E

−













=

α

Porównać z pracą domową i skomentować.

a)

α

=

b)

α

=

......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................

5

Narysować obwiednie pól E i H korzystając z poniższych wykresów (pole E - kolor
czerwony, pole H - kolor niebieski):

Wnioski:
Jaka funkcja matematyczna opisuje kształt obwiedni E(x)/E

0

gdzie x jest kierunkiem

propagacji?

…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Jak zmienia się wzajemne położenie pól E i H w porównaniu z ośrodkami bezstratnymi i
dlaczego?
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Jaki jest sens fizyczny kąta impedancji?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

6

Zadanie nr 4

(pliki „stripdi1”, „stripdi2”, nazwa ośrodków wypełniających prowadnice -"air" oraz

"dielektryk2")

Rozważamy 2 przypadki:
a)

Padanie fali TEM (f=2.5 [GHz]) z powietrza, do bezstratnego (

σ

=0),

niemagnetycznego (

µ

r

=1) dielektryka o względnej przenikalności elektrycznej

ε

r

=4

(stripdi1.pro)

.

b)

Propagacja fali TEM (f=2.5 [GHz]) przez umieszczoną w powietrzu wkładkę
dielektryczną o długości d=30 mm i parametrach

ε

r

=4,

µ

r

=1,

σ

=0

(stripdi2.pro)

.

a)

b)

Rozmiary i własności ośrodków wypełniających prowadnice w modelu komputerowym:
a) powietrze 0-100 [mm] (

ε

r1

=1,

µ

r1

=1,

σ

1

=0), dielektryk 100-200 [mm] (

ε

r2

=4,

µ

r2

=1,

σ

2

=0)

b) powietrze 0-50 [mm] (

ε

r1

=1,

µ

r1

=1,

σ

1

=0), dielektryk 50-80 [mm] (

ε

r2

=4,

µ

r2

=1,

σ

2

=0),

powietrze 80-130 [mm] (

ε

r3

=1,

µ

r3

=1,

σ

3

=0)

Określić dla wszystkich przypadków:

a) f =2.5 GHz

WFS1 =

WFS2 =

b) f =2.5 GHz

WFS1 =

WFS2 =

WFS3=

Narysować obwiednie pól E i H na jednym rysunku, oddzielnie dla obydwu przypadków
(pole E - kolor czerwony, pole H - kolor niebieski):

7

Wnioski:

Jaki rodzaj fali obserwujemy w ośrodku pierwszym, a jaki w drugim w podpunkcie a) ?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

Podać wzór i obliczyć długość fali TEM (f=2.5[GHz]) rozchodzącej się we wkładce
dielektrycznej z podpunktu b). Jaka jest grubość wkładki w stosunku do długości fali.
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

Jaką wartość ma współczynnik odbicia

Γ

na granicy ośrodków 1 i 2 z podpunktu b)?

Obliczenia przeprowadzić w oparciu o wyznaczoną wartość WFS.
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

Co to jest i do czego służy transformator półfalowy?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

8

Zadanie nr 5

(pliki „layer1”, „layer2”, „layer3” nazwa ośrodków wypełniających prowadnice -"air" oraz

"dielektryk1" i "dielektryk2")

Rozważamy propagację fali TEM z powietrza do dielektryka ε

r3

=16, µ

r3

=1, σ

3

=0 przez

warstwę pośredniczącą o parametrach ε

r2

=4, µ

r2

=1, σ

2

=0.

Uruchomić symulacje dla następujących parametrów:

a) (layer1.pro) - d

2

=15mm f = 2.5 GHz

ε

1

= 1

ε

2

= 4

ε

3

= 16

b) (layer2.pro) - d

2

=15mm f = 5.0 GHz

ε

1

= 1

ε

2

= 4

ε

3

= 16

c) (layer3.pro) - d

2

=45mm f = 2.5 GHz

ε

1

= 1

ε

2

= 4

ε

3

= 16

Narysować obwiednie pól E i H na jednym rysunku oddzielnie dla wszystkich przypadków
(pole E - kolor czerwony, pole H - kolor niebieski):

9

Co to jest transformator ćwierćfalowy?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

Jaki warunek na współczynnik odbicia

Γ

na granicy dwóch pierwszych ośrodków jest

spełniony dla transformatora ćwierćfalowego?
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

Przy jakiej liczbie ćwiartek fali odłożonych w ośrodku dopasowującym transformator
ćwierćfalowy działa poprawnie?
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………