ответыГЭ. Понятие информационная система (ИС). Основные направления развития ис. Эффективность ис. Структура программного обеспечения ис. Структура приложений ис. Структура хранения информации в ис

• Название: Понятие информационная система (ИС). Основные направления развития ис. Эффективность ис. Структура программного обеспечения ис. Структура приложений ис. Структура хранения информации в ис
• Дата: 06.05.2022
• Размер: 4.22 Mb.
• Имя файла: ответыГЭ.docx
• Тип: Документы; #515716
• страница: 6 из 6

27. Линии передачи волноводные (прямоугольный волновод), характеристики

Конструкция волновода предельно проста. В нем обеспечивается полная экранировка поля. В СВЧ- и КВЧ-диапазонах металлические волноводы имеют неоспоримые преимущества перед другими ЛП.

В полых металлических волноводах распространяются только Е- и Н-волны. Поперечное сечение такого волновода односвязно, что исключает появление ТЕМ-волн.

Рабочая полоса частот волновода ограничена со стороны нижних частот увеличением затухания, а затем и полным прекращением (отсечкой) распространения колебаний основного типа; со стороны верхних частот – возникновением условий для распространения колебаний высших типов.

Приближенно возможное число колебаний высших типов, которое может возникнуть в прямоугольном волноводе сечением A × B мм, определяется формулой



справедливой при условии, что поперечное сечение волновода значительно превышает , где А и В – широкая и узкая стенки волновода; λg – длина волны основного типа колебаний волновода.

Основным типом волны в прямоугольном волноводе служит Н10 (рис. 1.13), условиями существования которой являются неравенства




Длина волны для Н10



Волновое сопротивление прямоугольного волновода определяется как отношение амплитуд напряженности электрического и магнитного полей



При расчете согласования волноводов с различными сечениями, помимо волнового сопротивления Zв, вводят эквивалентное сопротивление Z_E. Оно может быть введено различными способами [16, 17]. При одном из способов Z_Е = u² /(2P), где u² – среднее значение квадрата амплитуды "напряжения" волны; P – передаваемая мощность. В этом случае



Коэффициент затухания прямоугольного волновода для волн Н10





28. Круглый волновод. Основной тип колебаний, структура поля.

Во многих случаях эффективно использовать волноводы круглого сечения. Характерной особенностью последних является неограниченное уменьшение затухания всех волн H_0n по мере роста частоты. Кроме того, в таких волноводах значительно проще осуществляется борьба с волнами высших порядков, поскольку число волн H_0n в круглом волноводе возрастает пропорционально частоте, а не квадрату частоты, как в прямоугольном.

Круглые волноводы используют для соединения различных элементов трактов с антеннами и реже – для передачи мощности на значительные расстояния.

Диаметр волновода круглого сечения определяется допустимым коэффициентом затухания. Практически можно допустить диаметр такой величины, что будет распространяться небольшое число волн высших типов, которые могут быть существенно подавлены. В диапазоне 2,613a < λ0< 3,413a по волноводу распространяется только волна H11 основного типа, а в диапазоне 2,06a < λ0 < 2,613a – две волны – H11 и E01 (рис. 1.15), где a – радиус поперечного сечения волновода). В радиосвязи большое распространение получили волноводы, в которых наряду с волной H11 возможно распространение волны E01, имеющей интенсивную продольную составляющую напряженности электрического поля вдоль оси волновода. Таким образом, диаметр волновода выбирается из условия распространения волн H11 и E01 и недопущения распространения волны H21, следующей по порядку за волной E01.







Характеристическое сопротивление круглого волновода для волн Н11- типа волн определяется аналогично сопротивлению прямоугольного волновода. Коэффициент затухания в случае волн Н11 равен




29. Планарные линии передачи

С развитием технологии интегральных схем СВЧ широкое применение нашли планарные линии и устройства на их основе. Этому способствовали малые габариты и масса, возможность унификации плат, а также обеспечение интеграции с активными элементами СВЧ и элементами с сосредоточенными параметрами, чего невозможно достичь на таком же уровне при использовании волноводных и коаксиальных линий передачи. Однако планарным линиям свойственны некоторые недостатки, связанные с излучением (особенно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн), большими потерями и, таким образом, со значительным коэффициентом шума. Поэтому планарные линии стараются не использовать во входных цепях СВЧ приемников сантиметрового диапазона. На рис.1.9 показаны основные типы таких линий.



Среди планарных линий передачи наиболее широко используют на практике полосковые линии (англ. – strip-line), являющиеся удобными при создании интегральных устройств СВЧ. Различают два типа полосковых линий: симметричные (рис.1.9,а) и несимметричные (рис.1.9,б).

Использование диэлектрика в полосковых линиях не обязательно. Чтобы потери были как можно меньшими, линию выполняют без диэлектрика, однако в этом случае возникает проблема крепления токопроводящих полосок. Основной волной полосковых линий передачи является квази-T волна (англ. – quasi-TEM), которая не имеет частоты отсечки. Она отличается от TEM-волны тем, что имеет продольные составляющие электромагнитного поля, однако их амплитуда значительно меньше, чем амплитуда поперечных составляющих. Линии c ТEM-волной не имеют дисперсии, и их критическая частота fкр равна нулю.

На рис.1.10 изображена конфигурация силовых линий электрического (сплошные линии) и магнитного (пунктирные линии) полей квази-Т волны в поперечном сечении симметричной (рис.1.10,а) и несимметричной (рис.1.10,б) полосковых линий.




30. Основные режимы работы ЛП

Режим работы линии передачи зависит от соотношения между z_в (волновое сопротивление) и z_н  и характеризуется коэффициентом бегущей волны КБВ и коэффициентом отражения от нагрузки p:

КБВ = U_min/ U_max,

p = U_отр/ U_пад,

где U_min - минимальное напряжение в линии (в узле напряжения), U_max - максимальное напряжение в линии (в пучности напряжения), U_отр - амплитуда отраженной волны, U_пад - амплитуда падающей волны.


Коэффициент бегущей волны и коэффициент отражения связаны соотношением
КБВ = 1 - p/(1 + p), p = 1 - КБВ/(1 + КБВ).

Коэффициент стоячей волны КСВ - величина, обратная КБВ:

КСВ = 1/КБВ.

• 
  Режим бегущей волны. Линия нагружена на чисто активное сопротивление, равное волновому
  (z_в = z_н = R_н), отраженная волна в линии отсутствует, КБВ = 1, p = 0. Входное сопротивление линии чисто активно и равно волновому (z_вх = R_вх = z_в), мощность, отдаваемая источником в линию, полностью поступает в нагрузку.
  
• 
  Режим стоячей волны. Линия нагружена на чисто реактивное сопротивление (индуктивность или емкость), либо разомкнута, либо замкнута. Падающая волна напряжения полностью отражается от конца линии (U_отр = U_пад), КБВ = 0, p = 1. Входное сопротивление линии практически чисто реактивно, перенос мощности вдоль линии отсутствует.
  
• 
  Промежуточный режим. Линия нагружена на чисто активное сопротивление, не равное волновому, либо на комплексное сопротивление. Падающая волна частично отражается от конца линии
  (U_отр < U_пад), 0 < КБВ < 1, 0 < p < 1, входное сопротивление линии в узлах и пучностях напряжения чисто активно (соответственно z_вКБВ и z_в/КБВ), в остальных сечениях линии - комплексное. Мощность, отдаваемая источником в линию, частично поступает в нагрузку, частично от нее отражается.
  

41. Принципы экранирования электрических полей

Электростатические экраны используются для экранирования электрического поля. Принцип их действия заключается в замыкании электрического поля на корпус («землю») РЭА. Если, между элементом А, создающим электрическое поле, и элементом Б, для которого влияние этого поля оказывается вредным (рисунок 2.1, а), поместить металлический лист В, соединенный с «землей», то он будет перехватывать электрические силовые линии, защищая тем самым элемент Б от вредного влияния элемента А (рисунок 2.1, б).


Рисунок 2.1- Электростатическое экранирование

Шунтирование — процесс параллельного подсоединения электрического элемента к другому элементу, обычно с целью уменьшения итогового сопротивления цепи.

Электростатическое экранирование основано на замыкании экраном, обладающим высокой электропроводностью, электрического поля.

Электростатическое экранирование по существу сводится к замыканию электростатического поля на поверхность металлического экрана и отводу электрических зарядов на землю (на корпус прибора). Заземление электростатического экрана является необходимым элементом при реализации электростатического экранирования.

Применение металлических экранов позволяет полностью устранить влияние электростатического поля. При использовании диэлектрических экранов, плотно прилегающих к экранируемому элементу, можно ослабить поле источника наводки в ε раз, где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала экрана.

Основной задачей экранирования электрических полей является снижение ёмкости связи между экранируемыми элементами конструкции. Следовательно, эффективность экранирования определяется в основном отношением ёмкостей связи между источником и рецептором наводки до и после установки заземлённого экрана. Поэтому любые действия, приводящие к снижению ёмкости связи, увеличивают эффективность экранирования.

Экранирующее действие металлического листа существенно зависит от качества соединения экрана с корпусом прибора и частей экрана друг с другом. Особенно важно не иметь соединительных проводов между частями экрана и корпусом.

В диапазонах метровых и более коротких длин волн соединительные проводники длиной в несколько сантиметров могут резко ухудшить эффективность экранирования. На ещё более коротких волнах дециметрового и сантиметрового диапазонов соединительные проводники и шины между экранами недопустимы. Для получения высокой эффективности экранирования электрического поля здесь необходимо применять непосредственное сплошное соединение отдельных частей экрана друг с другом.

Узкие щели и отверстия в металлическом экране, размеры которых малы по сравнению с длиной волны, практически не ухудшают экранирование электрического поля.

Основные требования, которые предъявляются к электрическим экранам, можно сформулировать следующим образом:

- конструкция экрана должна выбираться такой, чтобы силовые линии электрического поля замыкались на стенки экрана, не выходя за его пределы;

- в области низких частот при глубине проникновения больше толщины d, то есть при δ>d, эффективность электростатического экранирования практически определяется качеством электрического контакта металлического экрана с корпусом устройства и мало зависит от материала экрана и его толщины.

42. Принципы экранирования магнитных полей

Ослабление внешнего магнитного поля необходимо при создании лабораторий, предназначенных для наладки и испытаний высокочувствительной техники. Оно также требуется в медицине и тех областях науки, где проводится измерение полей со сверхмалой индукцией; для защиты информации при ее передаче по кабелям.

Экранирование магнитного поля – это совокупность способов снижения напряженности постоянного или переменного магнитного поля в определенной области пространства. Магнитное поле, в отличие от электрического, полностью ослабить нельзя.

В промышленности наибольшее воздействие на аппаратуру оказывают поля рассеяния, возникающие при работе трансформаторов, постоянных магнитов, сильноточных установок и цепей. Они могут полностью нарушать нормальную работу соседних приборов.

Используется 2 явления для защиты от магнитных полей:

1. 
   явление шунтирования;
   
2. 
   явление электромагнитной индукции.
   

Явление шунтирования

Применяются экраны, изготовленные из магнитных или ферромагнитных материалов. Это эффективно при наличии постоянного или низкочастотного магнитного поля.

При явлении шунтирования необходимо иметь любой, но обязательно магнитный материал.

Свойства магнитных материалов оцениваются относительной магнитной проницаемостью:

≈ 1 для воздуха

μ_э ≈ 30 - 50 для стали;

μ_фер ≈< 1000 для экранов из ферромагнетика тысяча и больше.

Если поместить катушку индуктивности в кожух (рисунок 2.2), сделанный из ферромагнетика, то линии индукции внешнего магнитного поля пройдут по стенкам защитного экрана, так как он имеет меньшее магнитное сопротивление по сравнению с пространством внутри него. Те силовые линии, которые наводятся самой катушкой, также почти все замкнутся на стенки кожуха.



Рисунок 2.2 – Катушка индуктивности, помещенная в кожух при явлении шунтирования

Пусть есть две среды (1,2), они имеют магнитные проницаемости (μ₁, μ₂). Магнитная проницаемость второй среды больше или гораздо больше, чем первой, если первая среда - воздух ( = 1), то для второй среды =30 - 50 или даже 1000 единиц. Действует следующее неравенство (μ₂ >> μ₁).



Рисунок 2.3– Явление шунтирования

В первой среде действует магнитное поле, одна из его оценок - это вектор магнитной индукции ( ) (см. рисунок 3) Его можно разложить по векторному закону на две составляющие: - касательную к границе и нормальную к границе.

Во второй среде в силу граничных условий вектор останется таким же по величине, но во второй среде он будет обозначаться и равен = Касательная составляющая во второй среде = . Вектор это сумма векторов и , он будет еще ближе к поверхности раздела, потому что этот вектор будет в 30, 40, 1000 раз больше . Тогда получается, что вектор шел почти по нормали к границе раздела, но вектор пошел параллельно границе раздела – это и есть шунтирование, поле не пошло за границу раздела, оно осталось на границе, т.е. замкнулось вдоль границы (рисунок 2.3).

Для наилучшей защиты в этом случае необходимо выбирать ферромагнитные материалы, которые обладают высокой магнитной проницаемостью. На практике в силу экономической целесообразности чаще всего используют сплавы железа. Для того чтобы повысить надежность экрана, его изготавливают толстостенным или сборным из нескольких кожухов. Недостатками такой конструкции является ее тяжеловесность, громоздкость и ухудшение экранирования при наличии швов и разрезов в стенках кожуха.

Явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции (ЭЛМ) имеет место только для переменных полей, если магнитное поле - явление ЭЛМ отсутствует.

Необходимо, чтобы был любой проводящий материал (он может быть и не магнитный – это сплавы алюминия, меди, золота, серебра).

Для начала разберемся как появляются вихревые токи.

Есть напряженность поля вне экрана _вне. Пусть поле попадает на проводник (важно, что это поле переменное во времени), тогда в проводнике возникает электрическое поле _{впровод.}, тогда в проводнике из-за действия электрического поля возникают вихревые токи _вихр. Так как токи переменные, то они вызывают индуцированное магнитное поле _инд. – это поле будет действовать внутри проводника и снаружи. Таким образом, символически запишем _вне(t) _{впровод.}(t) _вихр.(t) _инд.(t)). Учитывая векторный характер всех названных компонент, получаем, что _вне(t) и _инд.(t) в проводнике, противоположны друг к другу, (t) .(t), т.е. встречно направлены (они складываются и вычитаются поэтому поле в проводнике (в экране) будет ослаблено). А _вне(t) и _инд.(t) - направлены параллельно (t) .(t) т.е. складываются (усиление поля вне проводника).

Рассмотренная ситуация имеет математическое описание при использовании закона электромагнитной индукции



Действие переменного с частотой паразитного магнитного поля напряженностью H_пар вызывает в проводящем материале напряженность E_вихр вихревых токов. В силу этой напряженности в проводящем материале возникают вихревые токи плотностью j_вихр



где - удельное электрическое сопротивление материала экрана.

Вихревые токи индуцируют магнитное поле вихревых токов



Следовательно, ослабление внешнего магнитного поля происходит в результате наложения на него другого поля, индуцированного кольцевыми вихревыми токами. Таким образом, если на пути переменного магнитного поля препятствие из любого проводящего материала, то в нем возбудятся переменные ЭДС, которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко). Магнитное поле этих токов будет замкнутым; внутри препятствия оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным в препятствии и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого проводящим материалом, в чем и заключается его экранирующее действие, которое будет тем эффективнее, чем меньше электрическое сопротивление, т.е. чем больше протекающие по нему вихревые токи (рисунок 2.4).


Рисунок 2.4 – Катушка индуктивности, помещенная в кожух при явлении ЭЛМ индукции

При увеличении частоты поля помехи ослабление будет более выраженным. Для экранирования в этом случае используют пластинки в виде кольца из проводников с малым удельным сопротивлением. В качестве экранов-кожухов чаще всего применяются коробки в форме цилиндров, изготовленные из сплава меди или алюминия.

Для описания процесса экранирования при использовании явления электромагнитной индукции применяется эквивалентная глубина проникновения магнитного поля в материал экрана. Это, условная глубина, на которой напряженность поля уменьшается в е раз.

Чем меньше значение глубины проникновения, тем выше ток, протекающий в поверхностных слоях защитного кожуха. Следовательно, тем больше наводимое им магнитное поле, которое вытесняет внешнее. Эквивалентная глубина определяется по формуле

, (2.2)

где ρ и 𝜇_𝑟 – удельное сопротивление и относительная магнитная проницаемость материала экрана соответственно, f – частота поля, измеряемая в МГц.

Уменьшение напряженности магнитного поля и плотности вихревых токов на глубине x от поверхности защитного кожуха рассчитывают по формуле

,

где А₀ – значение на поверхности экрана, x₀ – глубина, на которой напряженность или плотность токов снижается в e раз.

На глубине х напряженность поля будет убывать по экспоненте, т.е. очень резко.

Экраны для защиты от магнитного поля могут быть сделаны в различных конструктивных исполнениях:

1) листовые и массивные;

2) в виде полых трубок и кожухов с цилиндрическим или прямоугольным сечением;

3) однослойные и многослойные, с воздушной прослойкой.

Так как расчет числа слоев довольно сложен, то эту величину чаще всего выбирают по справочникам, по кривым эффективности экранирования, которые были получены экспериментальным путем. Разрезы и швы в коробах допускается выполнять только вдоль линий вихревых токов. В противном случае уменьшается экранирующий эффект.

На практике получить высокий коэффициент экранирования сложно, так как всегда необходимо делать отверстия для кабельного ввода, вентиляции и обслуживания установок. Для катушек бесшовные кожухи изготавливают методом листового выдавливания, а в качестве съемной крышки служит дно цилиндрического экрана.

Кроме этого, при контакте элементов конструкции из-за неровностей поверхности образуются щели. Для того чтобы их ликвидировать, применяют механические прижимы или прокладки из проводящих материалов. Они выпускаются разных размеров и с различными свойствами.

При наличии большого числа отверстий в кожухе снижение эффективности экранирования происходит по логарифмической зависимости. Его наименьшее значение наблюдается при технологических отверстиях большого размера. Поэтому рекомендуется проектировать несколько мелких отверстий, чем одно крупное. Если необходимо применять стандартизованные отверстия (для ввода кабелей и других нужд), то используют запредельные волноводы.

43. Принципы экранирования электромагнитных полей

Принцип экранирования электромагнитных полей базируется на 2-х явлениях - электромагнитной индукции и отражении.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция, рассмотренная ранее в разделе 2.3, количественно определяется глубиной проникновения, которая определяется формулой (2.2).

Рассматривая выбор материала для экрана, можем утверждать, что нужен проводящий материал с малым значением удельного электрического сопротивления и в тоже время с большой магнитной проницаемостью.

К сожалению, материалов с такими свойствами нет. потому что материалы с малым сопротивлением (например, медь, золото или серебро) немагнитные (=1). Если взять сталь (у стали =30), то этот материал имеет большое сопротивление, гораздо больше, чем у меди. Отсюда следует, что выбор материал носит компромиссный характер. С позиций нежелательного влияния экрана на характеристики экранируемого устройства приходится отказываться от магнитных материалов.

Явление отражения

Рассмотрим стенку экрана толщиной d (рисунок 2. 5).



Рисунок 2.5 – Явление отражения

Волновое сопротивление сред определяется выражением (2.2). для воздушной среды, как было показано ранее, Z₀=377 Ом, для экрана любого материала и получаем, что >> Z₀. Поэтому на границе раздела воздух стенка экрана всегда будет иметь место отражение.

44. Количественные характеристики экранирования

Уменьшение амплитуды поля помехи внутри экрана при его использовании по сравнению с амплитудой поля без экрана оценивается коэффициентом экранирования



Для хороших экранов S=10^-6, что бы не использовать в расчетах такие маленькие значения, для удобства вводят логарифмическую единицу измерения, называемую экранным затуханием

неп,

дБ,

Кроме защиты от паразитных полей экран может оказывать нежелательное воздействия на защищаемое устройство, изменяя его характеристики. Это воздействие оценивается коэффициентом обратного действия



где E₁-напряженность поля экранируемого устройства с экраном,

E₂- напряженность поля экранируемого устройства без экрана.