Шкала электромагнитных излучений
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(национальный исследовательский университет)» (МАИ)
Факультет «Робототехнические и интеллектуальные системы»
Кафедра 704
к.т.н., доцент К.М. Холостов
Методические указания и описание к лабораторной работе №1
Изучение измерительных приборов и генераторных устройств, исследование основных характеристик сигналов в комплексных информационных
Системах
по дисциплине: «Аппаратные средства бортовых комплексных
интегрированных систем летательных аппаратов»
по специальности: Интегрированные системы летательных аппаратов
Москва-2012
Методические указания и описание лабораторной работы утверждены на заседании кафедры 704 на заседании ___.___.2012 г., протокол №____
Заведующий кафедрой М.Н. Красильщиков
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цели и задачи лабораторной работы…………………………………………4
2. Виды сигналов, используемых в комплексных системах наблюдения и навигации летательных аппаратов…..…...……………………………………..4
3. Теоретические сведения………………………………………………………5
3.1. Электромагнитные волны…………..………………………………….5
|
|
|
3.2. Особенности распространения электромагнитных волн в околозем-ном пространстве……………………………………...……………….9
3.3. Измерительные приборы и генераторы ……………………………..13
4. Объекты исследования и оборудование…………………………………….17
4.1. Функциональная схема измерительной установки ………………..17
4.2. Описание порядка работы и элементов измерительной установки ..17
5. Задание на работу …………………………………………………………….18
6. Указания по оформлению отчета…………………………………………….19
7. Контрольные вопросы………………………………………………………...20
8. Библиографический список…………………………………………………..20
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Целью настоящей лабораторной работы является:
- изучение основных характеристик периодических сигналов, используемых в аппаратных средствах комплексных интегрированных систем летательных аппаратов;
- изучение лабораторных измерительных приборов и генераторных устройств.
Задачами работы является:
- изучение теоретических основ формирования электрических сигналов, а также распространения электромагнитных волн в пространстве;
- проведение эксперимента по измерению параметров стандартных периодических сигналов, расчет действительного значения амплитуды сигналов, его частоты и скважности импульсов, сравнение заданных и экспериментальных данных.
|
|
|
2. ВИДЫ СИГНАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КОМПЛЕКСНЫХ
ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Сигналы в комплексных системах наблюдения и навигации летательных аппаратов могут являться гармоническими (т.е. изменяющимися по гармоническому закону), но абсолютное большинство имеют более сложную форму т.к. состоят из нескольких различных колебаний.
Так, бортовая РЛС излучает и принимает импульсы сложной формы, но, несмотря на определенную их статичность, они не одинаковы, а зависят от многих факторов, например дальности до цели или наличия облачности. Есть определенные причины, по которым необходимо усложнять форму сигналов, а также методы и способы аппаратной реализации этого.
Для уяснения физических основ функционирования аппаратных средств комплексных систем наблюдения летательных аппаратов (ЛА), в частности радиолокационных станций (РЛС), тепловизоров, радиовысотомеров, лазерных обнаружителей и дальномеров, необходимо, в первую очередь, понять природу основных и вспомогательных сигналов, циркулирующих в цепях указанных устройств, а также излучаемых ими в свободное пространство.
|
|
|
В связи с этим, цель представленной лабораторной работы можно определить как, - изучение основных характеристик периодических сигналов, используемых в радиотехнических системах ЛА, а также рассмотрение вопросов, связанных с формированием, распространением электромагнитных волн и их классификацию.
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Электромагнитные волны
Несмотря на разнообразие причин, вызывающих волновые явления, их образование происходит по одному общему принципу. Волны образуются в том случае, когда какая-либо точка среды начинает совершать колебательное движение и возникшее возмущение, последовательно распространяясь от точки к точке, создает волну. Это справедливо для механического волнового движения, такого как звуковые, сейсмические колебания, морские волны и пр.
Радиоволны и оптические волны относят к электромагнитным волнам имеющим общую природу, как при возникновении, так и при распространении в пространстве. Сам же процесс распространения колебаний принято называть волновым процессом. Волновые процессы представляют собой обширный класс явлений, при этом волновым процессом в общем случае называют процесс распространения колебаний.
|
|
|
Сходны по описанию и процессы возникновения и распространения электромагнитных волн, представляющих собой быстропеременные электрические и магнитные поля, которые меняются в зависимости от свойств источника и среды распространения. Электромагнитные волны возникают в том случае, если в каком-то участке пространства имеет место ускоренное движение зарядов. Изменение электрического поля, обусловленное силами индукции, вызывает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, при этом указанные поля взаимосвязаны. Таким образом, процесс распространения в пространстве электромагнитного поля и представляет собой электромагнитные волны. Электромагнитные волны в отличие от механических распространяются всюду, где может существовать электромагнитное поле, в том числе и в вакууме.
Для уяснения процессов распространения электромагнитных волн рассмотрим простое гармоническое колебание, при котором амплитуда электромагнитного поля изменяется по закону синуса или косинуса с неизменной частотой и амплитудой в течение бесконечно долгого времени. Такие колебания соответствуют выражению:
. (1)
Здесь А - амплитуда колебаний, 
- циклическая частота (рад/с) и 
-начальная фаза колебания.
Распространение электромагнитной волны (1) графически можно представить в виде косинусоиды (рис.1). Расстояние между двумя точками, находящимися в одинаковом колебательном состоянии, называется длинной волны λ.
Фронтом волны называется геометрическое место точек, находящихся в текущий момент времени t в одной фазе колебаний. Нормали к фронту волны совпадает с направлением распространения электромагнитной волны. В плоской (линейной) волне волновой фронт плоский. Электромагнитная волна точечного источника (изотропного излучателя) имеет сферический волновой фронт.
Рис.1. Гармоническое колебательное движение.
Скорость V распространения волны представляет собой расстояние, которое проходит фронт волны за единицу времени. Для различных сред эта скорость различна, так для вакуума она максимальна и равняется 
м/с. Для других сред она уменьшается пропорционально коэффициенту преломления 
, где ε и μ соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость среды. Иногда скорость V распространения волны в среде называют фазовой скоростью.
Изменение электромагнитного поля в каждой точке пространства принято характеризовать колебаниями двух векторов: напряженности электрического поля Еи напряженности магнитного поля Н. Электромагнитную волну можно представить в виде двух синусоид, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.2). Одна из синусоид отражает колебания электрического вектора Е, а другая – магнитного вектора Н. Колебания обоих векторов проходят в одинаковой фазе, т.е. синфазно. Это значит, что векторы достигают в одних и тех же точках своего максимального и минимального значений.
Рис.2. Распространение электромагнитной волны.
Направление распространения (вектора скорости V) электромагнитной волны в изотропных средах перпендикулярно к векторам Е и Н. Данная волна совершает гармоническое колебание с одной частотой f и ее описывают следующие выражения:
H 
(2)
где 
- амплитуды электрического и магнитного колебаний, а 
- начальная фаза колебаний.
Распространение электромагнитной волны сопровождается переносом энергии, характеризующей электромагнитное поле. Энергию такого поля можно охарактеризовать вектором плотности потока энергии П, названым по имени английского физика вектором Пойтинга.
Количественно вектор Пойтинга равен мощности, переносимой электромагнитной волной через площадку площадью 1 
и выражается как:
Вт/ (3)
где 
- векторное произведение напряженности электрического и магнитного полей.
Рассмотрим спектр электромагнитных излучений и зависимость характера распространения волн от длины волны λ. Длина волны электромагнитных волн λ изменяется в весьма широких пределах – от нескольких километров, до тысячных долей нанометра. Для удобства восприятия изобразим спектр электромагнитных излучений в виде логарифмической шкалы (табл.1). Как известно, длина волны связана с частотой соотношением λ = с/ f , где с – скорость света в вакууме. В радиотехнике электромагнитные колебания принято характеризовать частотой, а в оптике – длиной волны.
Шкала электромагнитных излучений
Таблица 1.
|
Космическое излучение | Гамма – излучение | Рентгенов- ское излу- чение | УФ | Видимое излучение | ИК |
Радиоволны | Ед. измерения |
| Оптический диапазон | |||||||
| 
| 
| 
| 380...780 | 77780.. 
| 
| λ, нм |
| 
| 
| 
8 
| 8 
| ...
300
| 300... 
| f, ГГц |
Итак, наиболее нас интересующие участки спектра электромагнитных излучений можно разделить на следующие области.
Видимая область спектра – занимает довольно узкий участок от λ=380...400 нм (фиолетовый свет) до λ=760...780 нм (красный свет). За пределами видимой области, непосредственно воспринимаемой человеческим глазом, расположены невидимые электромагнитные излучения с более короткой длиной волны (λ<400 нм) – ультрафиолетовое излучение и с более длинной (λ>780 нм) – это инфракрасное излучение.
КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОВОЛН ПО ДИАПАЗОНАМ
Таблица 2.
| Нижняя граница | Диапазон | Верхняя граница | ||
| f, гц | λ, м | f, гц | λ, м | |
| 3∙10-3 (3 мгц) | 10¹¹ | Радиоволны инфразвуковых и звуковых частот | 3∙10³ | 10⁵ |
| 3∙10³ (3 кгц) | 10⁵ | Сверхдлинные волны (сдв) | 3∙10⁴ | 10⁴ |
| 3∙104 (30 кгц) | 10⁴ | Длинные волны (дв) | 3∙10⁵ | 10³ |
| 3∙105 (300 кгц) | 10³ | Средние волны (св) | 3∙10⁶ | 10² |
| 3∙106 (3 Мгц) | 10² | Короткие волны (кв) | 3∙10⁷ | 10 |
| 3∙107 (30 Мгц) | 10 | Ультракороткие волны: метровые (мв)
дециметровые (дмв)
сантиметровые (смв)
миллиметровые (ммв)
| 3∙10⁸ | 1 |
| 3∙10⁸ (300 Мгц) | 1 | 3∙10⁹ | 10־¹ | |
| 3∙10⁹ (3 Ггц) | 10־¹ | 3∙10¹⁰ | 10־² | |
| 3∙1010 (30 Ггц) | 10־² (1 см) | 3∙10¹¹ | 10־³ | |
| 3∙10¹¹ (300 Ггц) | 10־³ (1 мм) | Оптические волны: инфракрасные (икл)
Видимый свет
Ультрафиолетовые (уфл) | 4∙10¹⁴ | 7,5∙10-7 |
| 4∙10¹⁴ (400 Тгц) | 7,5∙10-7 (0,75 мк=7500°А) | 7,5∙10¹⁴ | 4∙10-7 | |
| 7,5∙10¹⁴ (750 Тгц) | 4∙10-7 (0,4 мк = 4-000°А) | 3∙10¹⁵ (3000 Тгц) | 10-7 (0,1 мк = = 1000°А) | |
Радиоволнами условно называют электромагнитные волны в диапазоне частот от 0,001Гц до 1012 Гц. В переводе на длины волн нижняя граница соответствует длине волны в свободном пространстве 3∙1011 м, а верхняя - 3∙10-4 м (0,3 мм). Последнее значение приходится уже на область инфракрасного излучения. В связи с научным прогрессом в области радиоэлектроники электромагнитные волны миллиметрового диапазона можно излучать не только при помощи радиоэлектронных приборов, но и посредством оптических квантовых генераторов (лазеров). По своим свойствам (монохроматичности и когерентности) электромагнитные волны, создаваемые квантовыми приборами, вполне тождественны радиоволнам, излучаемым антеннами на более низких частотах.
Следует заметить, что указанные здесь границы спектра радиоволн значительно шире тех, которые принимались до последнего времени. Со стороны низких частот до сих пор радиоволны ограничивались обычно звуковой частотой 10³ гц. Это наиболее низкая частота, применяемая в настоящее время для радиосвязи. Исследования последних лет, однако, показали, что в природе встречаются явления, в которых участвуют радиоволны весьма низких частот, измеряемые тысячными долями герца. Такие волны, в частности, создаются при флуктуациях испускаемого Солнцем электронно-протонного потока при проникновении его в атмосферу Земли. Радиоволны весьма низких частот тесно связаны с возникающими в ионной плазме атмосферы механическими волнами, получившими название магнитогидродинамических волн. Радиоволны очень низких частот возникают также при разряде молний.
Со стороны высоких частот, с учетом достижений лазерной техники, граница диапазона электромагнитных волн, применяемых в технике связи, достигает значений порядка 1015 гц.
При выражении частот радиоволн удобно пользоваться следующими производными единицами:
1 мгц (миллигерц) = 10-3 гц;
1 кгц = 10³ гц;
1 Мгц = 106 гц;
1 Ггц (гигагерц) = 109 гц;
1 Тгц (терагерц) = 10¹² гц.
Следует обратить внимание на различие между обозначениями миллигерца (мгц) и мегагерца (Мгц).
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 304; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!