Pola i fale

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

POFAT

1

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów ze specyfiką opisu własności fal elektromagnetycznych propagowanych w różnych ośrodkach i prowadnicach falowych oraz kształtowania umiejętności rozumienia zjawisk fizycznych w kontekście praktyki inżynierskiej, a także rozwiązywania prostych zagadnień polowych.

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów ze specyfiką opisu własności fal elektromagnetycznych propagowanych w różnych ośrodkach i prowadnicach falowych oraz kształtowania umiejętności rozumienia zjawisk fizycznych w kontekście praktyki inżynierskiej, a także rozwiązywania prostych zagadnień polowych.

Zasadnicza część przedmiotu dotyczy Maxwellowskiej teorii pól i fal elektromagnetycznych, która leży u podstaw telekomunikacji. Wykład zaczyna się od fizycznych interpretacji równań Maxwella i rozwiązania równania falowego. W tej części przedmiotu studenci zdobywają wiedzę nt. matematycznego opisu cech fizycznych fal elektromagnetycznych i akustycznych. Modele teoretyczne ilustrowane są przez animowane symulacje komputerowe z wykorzystaniem znanego na świecie oprogramowania elektromagnetycznego. Studenci nabywają umiejętności posługiwania się wielkościami charakteryzującymi propagację fal elektromagnetycznych w różnych ośrodkach nieograniczonych i w wybranych prowadnicach falowych. Przedstawiane są praktyczne zastosowania fal elektromagnetycznych i akustycznych w elektronice i telekomunikacji. Do rozważanych przykładów należą prowadnice fal poprzecznych (TEM) i quasi-TEM, falowody prostokątny i kołowy oraz podstawy anten. Druga część przedmiotu obejmuje zapoznanie studentów z podstawowymi zagadnieniami z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej. Integralną częścią przedmiotu są ćwiczenia rachunkowe i symulacyjne oraz ćwiczenia laboratoryjne, których celem jest ugruntowanie nabytych umiejętności oraz nauka współpracy studentów w grupie.

Treść wykładu

1. Wstęp.
   Równania Maxwella i własności i parametry ośrodków – krótkie powtórzenie z FOGT, analogie między falowymi zjawiskami elektromagnetycznymi i akustycznymi.
2. Fala płaska w ośrodkach bezstratnych i stratnych.
   Rozwiązanie równania falowego (Helmholtza), omówienie pojęć: stała propagacji, prędkość grupowa i fazowa, impedancja właściwa ośrodka i impedancja falowa, głębokość wnikania.
3. Fala w różnych rodzajach ośrodków.
   Fala w plazmie. Własności plazmy a rozchodzenie się fal w atmosferze – propagacja fal w zależności od częstotliwości.
4. Fala na granicy dwóch ośrodków - warunki brzegowe.
   Fala padająca prostopadle na granicę ośrodków, ośrodki uwarstwione, współczynnik odbicia, współczynnik fali stojącej, rozkład amplitud, transformacja impedancji.
5. Zależności energetyczne w polu elektromagnetycznym.
   Straty. Energia magazynowana. Twierdzenie Poyntinga dla pól rzeczywistych. Bilans energii.
6. Linie transmisyjne TEM i quasi-TEM.
   Rozwiązanie równania Laplace’a dla linii współosiowej. Własności, parametry obwodowe: impedancja i admitancja jednostkowa, impedancja charakterystyczna linii TEM i quasi-TEM.
7. Falowody: prostokątny i cylindryczny.
   Własności, porównanie z liniami TEM, rozkłady pól – rodzaje podstawowe i przykłady rodzajów, które w danym falowodzie nie mogą się propagować. Niejednoznaczność definicji impedancji charakterystycznej w falowodzie. Ogólna informacja o falowodach dielektrycznych i światłowodach.
8. Pola w rezonatorach.
   Ogólne cechy rezonatorów. Rezonatory zbudowane z odcinków linii TEM i falowodów, rozkłady pól, częstotliwość rezonansowa, dobroć. Inne rezonatory. Zastosowania.
9. Wstęp do anten.
   Potencjały statyczne i dynamiczne (ilustracja potrzeby korzystania), dipol Hertza, anteny – przykłady prostych anten i ich charakterystyki promieniowania.
10. Istota problemów kompatybilności we współczesnej elektronice - wprowadzenie.
    Naturalne środowisko elektromagnetyczne Ziemi. Emisja sygnałów niepożądanych przez obwody elektroniczne analogowe i cyfrowe. Oddziaływanie fali płaskiej na okablowanie. Opis mechanizmu sprzężeń. Możliwości ograniczenia przesłuchów przez zastosowanie odpowiednich technologii.
11. Ekranowanie.
    Efekty fizyczne wpływające na skuteczność ekranowania. Działanie odbijające i tłumiące ekranów i ich skuteczność. Wpływ strat w ekranie. Perforacje a skuteczność ekranowania. Prawidłowe uziemianie ekranów.
12. Normy na kompatybilność elektromagnetyczną i ich egzekwowanie – w zarysie.
    Omówienie podstawowych norm. Różnice norm dla środowiska profesjonalnego i sprzętu.

Treść ćwiczeń

Zajęcia:

• uzupełniające tematykę wykładów i kształtujące umiejętności obliczeniowe;
• umożliwiające praktyczne (eksperymentalne i symulacyjne) zademonstrowanie wybranych właściwości propagacyjnych w różnych ośrodkach i prowadnicach falowych oraz pól w rezonatorach, a także demonstracja wybranych zagadnień z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej (zajęcia rozszerzające zakres laboratorium).

1. Ćwiczenia rachunkowe – wektory zespolone, rachunek operatorowy, tw. Gaussa i Stokesa, warunki istnienia pola elektromagnetycznego.
2. W ramach zajęć poprzedzających ćw. lab.1 i 2 jest zdobycie przez studentów umiejętności posługiwania się symulatorem elektromagnetycznym w stopniu umożliwiającym symulowanie rozkładu pola w zadanym ośrodku i w prowadnicy falowej.
3. Obliczenia rachunkowe i numeryczne rozkładu amplitud w ośrodkach uwarstwionych – współczynnik odbicia i fali stojącej oraz transformacja impedancji.
4. Obliczenia rachunkowe – energia, moc, straty w polu elektromagnetycznym.
5. Modelowanie EM odcinka linii TEM i quasi-TEM (niesymetryczna linia paskowa) – rozkłady pól, parametry obwodowe, efekt dyspersji.
6. Falowód prostokątny – symulacje rozkładów pól E-H, problem definicji prądów i napięć, impedancja charakterystyczna, obliczanie częstotliwości granicznej, warunek rezonansu poprzecznego.
7. Falowód kołowy - symulacje rozkładów pól E-H, obliczanie częstotliwości granicznej.
8. Symulacje rozkładu pola i obliczanie parametrów wybranych rezonatorów.
9. Symulacje zakłóceń elektromagnetycznych – indukowanie zakłóceń w pętlach i pojedynczych przewodach, przesłuchy w liniach wieloprzewodowych.
10. Zajęcia poprzedzające ćw. lab.5 – symulacje E-M skuteczności ekranowania.

Zakres laboratorium

1. Symulacja propagacji fali – badania fal bieżących i stojących w ośrodkach: bezstratnym i stratnym, prędkość fazowa i grupowa.
2. Komputerowa analiza fal w prowadnicach falowych typu TEM i w falowodach.
3. Pola w prowadnicach falowych m.in. pomiar długości fali w linii TEM i w falowodzie prostokątnym.
4. Rezonatory. Dielektryki w falowodach i rezonatorach.
5. Kompatybilność EM – badanie skuteczności ekranowania.

1. T. Morawski, W. Gwarek, Pola i fale, PWN, wydanie 5, 2018.
2. T. Morawski (pod red.), Zbiór zadań z teorii pola elektromagnetycznego, WNT, 1990.
3. T. Więckowski, Badania kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń elektrycznych i elektronicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2001.
4. C.R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, John Willey and Sons, 2006.

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych