методичка_ТЭ. МЕТОДИЧКА ТЭ.ЛР2. Лабораторная работа 2. Исследование электромагнитного поля в круглом волноводе. Цель работы
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
Лабораторная работа №2. Исследование электромагнитного поля в круглом волноводе. Цель работы Моделирование электромагнитного поля волны основного типа  и волны первого высшего типа  в круглом волноводе.Измерение длины волны в волноводе для волн типов и .Методические указания по самоподготовке При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить основные свойства и характеристики электромагнитных волн в круглом волноводе и способы их возбуждения [1] или [2]; [3]. В круглом волноводе, как и в прямоугольном, могут распространяться волны типов  и  . В работе моделируются и исследуются волна основного типа и волна первого высшего типа . В круглом волноводе поле типа имеет критическую длину волны  , поле типа –  , где  – радиус волновода. Условия одноволнового режима имеют вид  Диапазон длин волн, в котором по круглому волноводу могут распространяться волны двух типов и , определяется неравенствами где  поля второго высшего типа  .Необходимо изучить принципы построения картин векторных линий  и  бегущих волн и в круглом волноводе (рис.2.1). Следует понимать, что в силу граничных условий векторные линии (сплошные линии на рис. 2.1) должны быть перпендикулярны к металлическим стенкам волновода, а линии (штриховые линии) всегда образуют замкнутые петли и у стенок ориентированы по касательным к их поверхности. Поле волны изображено в том поперечном сечении волновода, в котором в рассматриваемый момент времени продольная составляющая  =0 (рис. 2.1, а). Поэтому линии лежат в плоскости этого сечения; линии перпендикулярны к ним. На рис. 2.1, а показано поле волны и в продольном сечении, в котором лежат векторные линии , а линии перпендикулярны к плоскости сечения и изображены точками или крестиками. Необходимо помнить, что у бегущих в волноводе волн любого типа поперечные составляющие векторов и колеблются в одинаковой фазе, вследствие чего эти составляющие принимают экстремальные значения в одних и тех же поперечных сечениях. Расстояние между такими сечениями равно  (рис. 2.1). С течением времени вся картина векторных линий бегущей волны перемещается в направлении оси  с фазовой скоростью  (см. формулу (1.6) в работе 1). Векторные линии волны полностью лежат в поперечных сечениях и образуют замкнутые петли в виде окружностей, а векторные линии имеют продольные составляющие, параллельные оси волновода (рис. 2.1, б). Характерной особенностью структуры поля является отсутствие зависимости от азимутального угла  , т.е. симметрия относительно оси . Поэтому волну называют осесимметричной. Благодаря осевой симметрии поля эта волна находит широкое применение во вращающихся соединениях и других устройствах, где отсутствует зависимость от угла .
Основной целью исследования волны является оценка зависимости радиальной составляющей напряженности электрического поля  от угла . Из формул для составления волны [1] следует, что значение  изменяется от угла по закону синуса или косинуса (в зависимости от выбора положения начальной плоскости отчета для углов  : Порядок выполнения работы А. Предварительные расчеты 1. Для круглого волновода, заполненного воздухом и имеющего радиус =15 мм, с помощью формул () и () рассчитать диапазоны частот, в пределах которых в волноводе могут распространяться: а) только основная волна ; б) только волны и .2. По формуле (2.3) рассчитать и построить теоретическую зависимость нормированного значения от угла для волны в интервале  .3. Для частоты  рассчитать длину волны в волноводе для волн основного типа и первого высшего типа по формулам:   Результаты расчётов параметров электромагниных волн свести в таблицу 2.1. Таблица 2.1.
Б. Моделирование На основе предварительных расчётов можно произвести пошаговое моделирование круглого волновода. Для начала работы необходимо запустить HFSS. Программа автоматически создаст пустой проект. В проект необходимо добавить HFSS Design нажатием специальной кнопки на панели управления, как изображено на рис. 2.2
В результате этого создастся интерфейс для создания будущей модели волновода. Полный его вид представлен на рис. 2.3.
Далее необходимо создать геометрическую модель будущего волновода. Для этого на панели управления надо выбрать цилиндр (рис. 2.4).
В интерфейсе, как представлено на рис. 2.5, создастся цилиндр произвольного размера.
Теперь, для того чтобы задать размеры будущему волноводу, необходимо в разделе Model (рис. 2.6) выбрать созданный цилиндр
Далее, во вкладке Properties, представленной на рис. 2.7, зададим цилиндру радиус (  мм) и длину ( мм).
Для того чтобы полностью отобразить получившийся объект, необходимо нажать сочетание клавиш Ctrl+D. Результат выполнения операции представлен на рис. 2.8.
Теперь необходимо задать граничные условия модели. Для этого необходимо нажать клавишу F и выделить боковую поверхность цилиндра и задать ее как идеальный проводник, для этого необходимо выполнить следующие действия, представленные на рис. 2.9: Правая кнопка мыши (ПКМ) → Assign Boundary → Perfect E.
Теперь, в разделе Project Manager, через Project1 → HFSSDesign1 → Boundaries → PerfE1 можно посмотреть графическое представление идеальной проводящей поверхности. Результат изображен на рис. 2.10.
Похожим образом задать порты волновода – через клавишу F выделить по очереди каждое из оснований цилиндра, затем, как на рис. 2.11: ПКМ → Assign Excitation → Wave Port. Порты необходимо задать для обоих сторон волновода.
Их также можно посмотреть (рис. 2.12) через Project Manager, Project1 → HFSSDesign1 → Excitation → 1 (2).
Для того чтобы задать частотные характеристики, в первую очередь необходимо добавить вид решения. Это можно сделать через нажатие на панели управления кнопки Add Solution Setup, представленной на рис. 2.13.
В появившемся всплывающем окне (рис. 2.14) необходимо указать частоту, Frequency 8700 МГц, Maximum Number of Passes – 6, Maximum Delta S – 0.001.
Теперь необходимо задать непосредственно симуляцию поведения полей E и H, а также их векторов. Для этого необходимо через клавишу O выделить весь цилиндр, далее, согласно рис. 2.15, 2.16: ПКМ → Plot Fields → E или H → Mag_E (Vector_E) или Mag_H (Vector_H).
Во всплывающем окне Create Field Plot (рисунок 2.16) ничего изменять не нужно.
Для того чтобы появилась возможность запустить смоделированную симуляцию полей, проект необходимо проверить с помощью кнопки Validate, изображенной на рис. 2.18, на панели управления.
Затем проект необходимо запустить, нажав кнопку Analyze All (рис. 2.19) рядом с кнопкой Validate на панели управления.
Для того, чтобы поля и векторные их отображения не накладывались друг на друга, необходимо нажать ПКМ на каждую из симуляций и отключить их отображение в модели (рис. 2.20 – Plot Visibility).
Далее необходимо поочерёдно включать отображение каждой из симуляций через кнопку Plot Visibility и смотреть на результат работы. Данные симуляции можно запустить в анимированном виде. Для этого нужно нажать на выбранную симуляцию ПКМ, далее нажать на кнопку Animate, представленную на рис. 2.21.
Получившиеся анимированные изображения необходимо сопоставить с теоретическим представлением полей и , указанными в учебно-методическом пособии, и убедиться в правильности выполнения работы.Содержание отчета Формулы, результаты расчетов по разделу А. Графическое изображение структуры поля бегущей волны и .Результаты измерений по разделу Б. Контрольные вопросы Какие типы волн могут существовать в круглом волноводе? Напишите условия распространения и отсутствия распространения волн и в круглом волноводе.Какая волна является основной в круглом волноводе и почему? Какой тип волны является первым высшим типом в круглом волноводе? Напишите условия одноволнового режима круглого волновода. Изобразите структуру поля волны и объясните ее особенности.Почему волна называется осесимметричной?Изобразите структура поля волны и объясните ее особенности.Каковы условия распространения в волноводе только двух волн и ?Определите по рис. 3.1 направления распространения бегущих волн и .Поясните, какой тип волн удобно использовать во вращающихся соединениях и почему. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, м
, м/c
, м/c
