Scanned by CamScanner

Samankaltaiset tiedostot
ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Aaltoputket analyyttinen ratkaisu. Palataan takaisin aaltoputkitehtäv än analy y ttiseen ratkaisuun.

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Antennin impedanssi. Z A = R A + jx A, (7 2 ) jossa R A on sy öttöresistanssi ja X A sy öttöreak tanssi. 6. maaliskuuta 2008

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Ideaalinen dipoliantenni

SATE2010 Dynaaminen kenttäteoria syksy /6 Laskuharjoitus 6 / Siirtojohdot ja transientit häviöttömissä siirtojohdoissa

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Onteloresonaattorit. Onteloresonaattori saadaan aikaan, kun metallisen aaltop utken molemmat suljetaan metalliseinällä ja sen

SMG-1400 SMG KENTÄT JA AALLOT 2 Kriteerit tenttiin Suuriniemi

3.32. On tärkeätä muistaa, että tehosta desibeleissä puhuttaessa käytetään kerrointa 10 ja kentänvoimakkuuden yhteydessä kerrointa 20.

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

= ωε ε ε o =8,853 pf/m

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II

jonka peruslait tiivistyvät neljään ns. Maxwellin yhtälöön.

Häiriöt kaukokentässä

Suuntaavuus ja vahvistus Aukkoantennien tapauksessa suuntaavuus saadaan m uotoon (luku ) E a 2 ds

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Pieni silmukka-antenni duaalisuus. Ratkaistaan pienen silmukka-antennin kentät v ielä käy ttämällä d uaalisuud en periaatetta.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

KANDIDAATINTYÖ. Pyry Salonpää ELEKTRONIIKAN JA TIETOLIIKENNETEKNIIKAN TUTKINTO-OHJELMA

Luento 15: Mekaaniset aallot. Mekaaniset aallot Eteneminen Aallon nopeus väliaineessa Energia Aallon heijastuminen Seisovat aallot

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Elektrodynamiikka, kevät 2008

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

1. Erään piirin impedanssimittauksissa saatiin seuraavat tulokset:

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r


Luento 2. Jaksolliset signaalit

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

Polarisaatio. Timo Lehtola. 26. tammikuuta 2009

1 Kompleksiluvut. Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

VAASAN YLIOPISTO SATE.2010 DYNAAMINEN KENTTÄTEORIA: KAPPALE 1: JOHDANTO KAPPALE 2: AJAN MUKAAN MUUTTUVAT KENTÄT JA MAXWELLIN YHTÄLÖT

KOMPLEKSILUVUT C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

TRIGONOMETRISTEN FUNKTIOIDEN KUVAAJAT

SATE2010 Dynaaminen kenttäteoria syksy /8 Laskuharjoitus 7 / Smithin-kartan käyttö siirtojohtojen sovituksessa

Maxwellin yhtälöt sähkämagneettiselle kentälle tyhjiössä differentiaalimuodossa: E =0, B =0, E = B/ t, B = ɛ o μ o E/ t.

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

2 Mekaaninen aalto. Mekaaniset aallot kulkevat jossain materiaalissa, jota kutsutaan tässä yhteydessä väliaineeksi (medium).

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

VALON KÄYTTÄYTYMINEN RAJAPINNOILLA

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

9 VALOAALTOJEN SUPERPOSITIO

Siirtolinjat - Sisältö

Suorien ja tasojen geometriaa Suorien ja tasojen yhtälöt

Sinimuotoinen vaihtosähkö ja siihen liittyviä käsitteitä ja suureita. Sinimuotoisten suureiden esittäminen osoittimilla

Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Johdantoa antenneihin

DEE Sähkötekniikan perusteet

Säh k ö isesti pien i an ten n ik in v o i o lla m atalilla taaju u k silla fy y sisesti h y v in su u ri.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4210 SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

S /142 Piirianalyysi 2 2. Välikoe

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

RF-tekniikan perusteet BL50A0300

ELEC C4210 SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Kimmo Silvonen

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

Transkriptio:

Scanned by CamScanner

ELEC-C414 Kenttäteoria ESIMERKKIRATKAISUT 2. välikoe: 13.12.216 4. (a) Ominaisimpedanssi (merkitään Z ) on siirtojohdon ominaisuus. Se on siis eri asia kuin tasoaaltojen yhteydessä käytetty väliaineimpedanssi, joka taas on riippuvainen aineen materiaaliparametreista. Ominaisimpedanssi on siirtojohdolla etenevän jännite- ja virtaaallon suhde: Z = V + /I + ja sen avulla voi laskea siirtojohdossa etenevän tehon V + 2 /(2Z ). (b) Johtavuus voidaan ottaa huomioon yleistämällä aineen permittiivisyys kompleksiluvuksi (ks. luento 8): ε c = ε j ε = ε j σ ω Ideaalieristeessä imaginaariosa häviää, ja aine on sitä parempi eriste, mitä pienempi imaginaariosa on reaaliosaan verrattuna. Jos on annettu kiinteä johtavuuden arvo σ, on aine hyvä eriste riittävän suurilla taajuuksilla (koska ω on imaginaariosan nimittäjässä.) Oppikirjan nyrkkisääntö antaa hyvälle eristeelle ehdon ε < ε /1, eli kulmataajuuden olisi oltava suurempi kuin 1ε/σ. (c) Tarkastellaan aikariippuvaa sähkökenttävektoria: { } E(t) = Re (ˆx ŷ)e (2 + j )e j kz e j ωt = (ˆx ŷ)e [2cos(ωt kz) sin(ωt kz)] Toisin sanoen kyseessä on lineaarinen polarisaatio (sähkökenttävektori värähtelee edestakaisin x y-tasossa 45 asteen kulmassa akseleihin nähden.) Kätisyydestä ei voi puhua. (Tässä oletettiin E reaaliseksi, mutta sen mahdollinen kompleksisuus ei vaikuta millään tavalla polarisaatioon.) (d) Ei mitenkään. Kokonaisheijastuksen rajakulma määräytyy materiaaliparametrien kontrastista rajapinnalla. Kokonaisheijastus tapahtuu, kun aine tulee taitekertoimeltaan suuremmasta aineesta (1) pienempään (2) riittävän loivassa kulmassa. Rajakulma θ c vastaa tapausta, jossa Snellin laki ennustaa taitekulmaksi 9, eli ε2 µ 2 θ c = arcsin ε1 µ 1 (e) Katkotaajuus f c on olennainen käsite aaltoputkissa, joissa matalataajuiset kentät eivät voi edetä. Katkotaajuus on tietylle aaltomuodolle ominainen taajuus: se rajataajuus, jota pienemmät taajuudet hiipuvat putkessa, mutta jota suuremmat taajuudet etenevät ja kuljettavat tehoa. Katkotaajuuden yläpuolella etenemiskerroin β riippuu epälineaarisesti värähtelytaajuudesta ω ja katkoaaltoluvusta k c : β = k 2 kc 2 = ω 2 µε (2πf c ) 2 µε (f) Määritelmän mukaan antennin säteilytehon ja lähetystehon suhde on säteilyhyötysuhde. Siksi 8 prosentin säteilyhyötysuhteella saadaan 1 watin lähetystehosta säteilemään 8 wattia. (Vahvistus G ei vaikuta tähän laskelmaan.) 5. Heijastuskertoimet ovat yhdensuuntais- ja kohtisuorapolarisaatioille: Γ = η 2 cosθ t η 1 cosθ i η 2 cosθ t + η 1 cosθ i, Γ = η 2/cosθ t η 1 /cosθ i η 2 /cosθ t + η 1 /cosθ i Tulokulma on θ i ja läpäisykulma θ t saadaan Snellin laista n 1 sinθ i = n 2 sinθ t

missä n 1 = ε r1 µ r1 = 1 ja n 2 = ε r2 µ r2 = 2. Koska θ i = 45, saadaan θ t 2,. Ja sen kosini (jota tarvitaan heijastuskertoimissa) Nyt on cosθ t = ( ) 1 2 ( ) 1 2 1 sin 2 θ t = 1 2 sinθ i = 1 2 sin45 = 1 1 8 = 8 η 1 = µ1 µ µ2 2µ µ =, η 2 = = = ε 1 ε ε 2 2ε ε joten η 2 = η 1 ja heijastuskertoimet yksinkertaistuvat. (a) Γ = cosθ t cosθ i cosθ t + cosθ i = = 1 3 ( 11 4 ),139 8 1 2 = 8 + 1 2 4 + 4 = ( 2 2 ( + 2)( 2) = + 4 4 4 (b) Γ = 1/cosθ t 1/cosθ i = cosθ i cosθ t = Γ = 1 ( 11 + 4 ),139 1/cosθ t + 1/cosθ i cosθ i + cosθ t 3 (c) Tuleva aalto on ympyräpolarisoitunut, joten sen sähkökentän kaksi kohtisuoraa komponenttia ovat yhtäsuuret ja 9 asteen vaihesiirrossa. Heijastuksen jälkeen komponenttien amplitudit ovat yhä yhtäsuuret (koska Γ = Γ ) ja heijastunut aalto on yhä ympyräpolarisoitunut, mutta koska heijastuskertoimet ovat erimerkkiset, on toisen komponentin suunta vaihtunut. Siksi pyörimissuunta vaihtuu heijastuksessa. Mutta koska samalla aallon etenemissuunta vaihtuu, kätisyys säilyy. Eli heijastunut aalto on oikeakätisesti ympyräpolarisoitunut. 6. TE 1 -aaltomuodon sähkökenttäosoitin on (a) Faradayn laista Ẽ = j ωµ H saadaan Ẽ = ŷe sin βz e j a H = 1 j ωµ Ẽ = j Ẽ = j ( ) = j = ẑ j πe a ẑ Ẽ y x ˆx Ẽ y z ˆx ŷ ẑ x z Ẽ y cos a e j βz ˆx βe βz sin e j a

(b) 1 2Ẽ H = 1 2ŷE sin = 1 2 [ ˆx j π E 2 a = ˆx j π E 2 2a [ a e j βz ẑ j πe a sin cos a a + ẑ β E 2 cos a e+j βz ˆx βe ] sin2 a sin cos a a + ẑ β E 2 sin2 2 a sin a ] βz e+j (c) Vektorilauseke 1 2Ẽ H sisältää siis kaksi komponenttia x- ja z-suuntaiset. Näistä z-suuntainen komponentti kertoo etenevästä tehotiheyden, koska se on reaalinen ja keskimääräinen etenevä tehotiheys on ko. vektorin reaaliosa. (Huomaa myös, että x-suuntainen ristitulon komponentti on puhtaasti imaginaarinen, joten senkään takia se ei osallistu tehon kuljetukseen.) Keskimääräinen etenevä teho (+z-suuntaan) saadaan integroimalla aaltoputken poikkipinnan yli: P = 1 2 Re { = βb E 2 2 } Ẽ H ẑ ds = 1 2 s a sin 2 a dx } {{ } a/2 a b β E 2 sin2 dy dx a = ab 4 β E 2 = ab 4 β ωµ E 2