VLNY A VEDENÍ ZS 2008/2009

Ing.Vítězslav Pankrác,CSc.

KONZULTAČNÍ HODINY VŽDY V PONDĚLÍ 9:00-12:00, 535/B2

Ing. Hamouz
Ing. Kraček
Ing. Protiva
Ing. Raboch ( http://www.elmag.org/doku.php/wiki:user:raboch:x17vve )
Ing. Víšek
Ing. Vrba

[1] Novotný, K., Škvor,Z.,Mazánek,M.,Pechač,P.:Vlny a Vedení

[2] Haňka,L: Teorie elektromagnetického pole, Praha, SNTL
[3] Feynman,R.,Leighton,R.,Sands,M.: Feynmanovy přednášky z fyziky díl 2,Praha,Fragment,2001

Řádná účast na cvičeních.

Vyřešení těchto úloh ze systému AMOS { http://www.skvor.cz/amos/index.html } : VLNA1, ODR1

Zkouška bude sestávat z písemné a ústní části.

Obsahem prvního bloku písemné části bude orientační zodpovězení 10 otázek z množiny Souhrn základních otázek ke zkoušce ( x17vve_pozadavky.pdf ). Tento blok bude trvat 15 minut. Odpovědi poslouží jako základ pro diskusi v ústní části zkoušky a budou hodnoceny maximálním počtem 10x1b=10b.

Obsahem druhého bloku písemné části bude řešení tří tématicky volených příkladů z teorie elektromagnetického pole. Tyto příklady budou vybrány z množiny příkladů, jejichž převážná část bude demonstrována na přednáškách a cvičeních, menší část bude doporučena k samostatnému prostudování. Osnova základních témat pro písemnou práci je obsažena v souboru :temata_na_pisemku.pdf.

Na vypracování každého příkladu bude 20 minut. Příklady budou hodnoceny na základě diskuse v ústní části zkoušky maximálním počtem 3 x 10 = 30b.

Obsahem ústní části zkoušky bude širší diskuse nad písemnou prací a z toho vyplývající zodpovězení 2 doplňujících otázek, které budou vycházet z teoretických otázek v písemné části i vyřešených početních příkladů, předpokládané maximální bodové hodnocení 2 x 10b = 20b.

Dosažený počet bodů z testů písemné a ústní části zkoušky a předpokládané výsledné hodnocení

20 -
25 - E(dostatečně)
30 -
35 -
40 - C (dobře)
45 -
50 -
55 - A (výborně)
60

Z organizačních důvodů je nutné přijít na zkoušku s již uděleným zápočtem, při písemné ani ústní části zkoušky se nebudou zápočty udělovat !!!!!!!!!!!

Zápočet lze bez problému získat v zápočtovém týdnu a ještě v prvním týdnu zkouškového období, potom pouze na základě písemné žádosti a souhlasu vedoucího katedry!!!!!!!!!!!

Ve zkouškovém období bude vypsán dostatečný počet termínů, je ale vhodné neodkládat zkoušku na poslední vypsané termíny, ty je lepší si ponechat v rezervě pro případné opravy. Další rozšiřovaní počtu termínů na poslední chvíli již nebude ani při nejlepší vůli možné, nebude možné ani navyšovat počet studentů v jednotlivých termínech nad rozumně zvládnutelnou mez, která se pohybuje kolem 25 studentů na jeden termín !!!!!!!!!!!!

Pro dobré hodnocní:
Dobrá znalost základních vztahů a zákonitostí, jejichž osnova je seskupena do základních otázek ke zkoušce. Tím se rozumí znalost toho, co znamenají jednotlivé veličiny ve vztazích, jaký mají fyzikální význam a jednotky. Dále se předpokládá schopnost použít teoretické poznatky při řešení základních početních úloh v rozsahu probraném na cvičeních.
Pro velmi dobré hodnocení:
Stejně jako předchozí bod + odvození a ukázání platnosti základních a důležitých zákonitostí látky probrané na přednáškách, jejíž osnova je souhrnně sestavena do základních otázek ke zkoušce.
Pro výborné hodnocení navíc:
Odvození a ukázání platnosti zákonů a jevů v plném rozsahu látky probrané na přednáškách, jejíž osnova je souhrnně sestavena do základních otázek ke zkoušce.

x17vve_pozadavky.pdf

Upozornění: Všechny soubory mohou být během semestru doplněny nebo změněny. Pokud k takové změně dojde, bude to uvedeno jako jedna z položek v kolonce : Poslední úpravy stránky

vlna_opakovani.pdf

Kolmý a šikmý dopad vlny na rozhraní : vlna_vve.pdf , černobílá verze : vlna_vve_sede.pdf
Fázor dopadající a odražené vlny, stojaté vlnění: fazor_vlna.pdf, černobílá verze:fazor_vlna_seda.pdf

Vlna TEM na vedení : vlna_ved.pdf, černobílá verze: vlna_ved_sede.pdf
Vlna na vedení : pomocný text : prednaska_13_14.pdf
Smithův diagram - prezentace : smith_prezentace.pdf, černobílá verze: smith_prezentace_seda.pdf
Použití Smithova diagramu pro řešení úlohy přizpůsobení impedance zátěže charakteristické impedanci vedení: ucebnice_smith_celkova.pdf

Vznik vlny typu TE,TM : vznik_vlny_typu_te_tm.pdf, černobílá verze:vznik_vlny_typu_te_tm_sede.pdf
Vlna typu TM v obdélníkovém kovovém vlnovodu tm_vlnovod.pdf, černobílá verze:tm_vlnovod_sede.pdf
Vlna typu TE v obdélníkovém kovovém vlnovodu:te_vlnovod.pdf, černobílá verze:te_vlnovod_sede.pdf
Kritický kmitočet v obdélníkovém kovovém vlnovodu:kriticky_kmitocet.pdf, černobílá verze:kriticky_kmitocet_sede.pdf
Tvar pole v obdélníkovém kovovém vlnovodu s vidy TM a TE: vidy_tetm-tvar.pdf, černobílá verze:vidy_tetm-tvar_sede.pdf
Kovový vlnovod kruhového průřezu s vidy TE : te_kruhovy.pdf, černobílá verze:te_kruhovy_sede.pdf
Kovový vlnovod kruhového průřezu s vidy TM : tm_kruhovy.pdf, černobílá verze:tm_kruhovy_sede.pdf
Vlnovodné vidy na koaxialním kabelu typu TE :te_koax.pdf , černobílá verze:te_koax_sede.pdf
Vlnovodné vidy na koaxialním kabelu typu TM :tm_koax.pdf, černobílá verze:tm_koax_sede.pdf
Vlna vedená mezi dielektrickými deskami - dielektrický vlnovod: diel_vlnovod.pdf, černobílá verzediel_vlnovod_sede.pdf:

Dutinové rezonátory jako části obdélníkového a kruhového vlnovodu:dutinove_rez.pdf,černobílá verze: dutinove_rez_sede.pdf

Některé jiné druhy vedení:typy_vedeni.pdf,černobílá verze:typy_vedeni_sede.pdf

Použité matematické vztahy:potencialy.pdf,černobílá verze:potencialy_sede.pdf
Elektromagnetické pole elementárního dipólu a celovlnných dipólů:pole_dipolu.pdf ,černobílá verzepole_dipolu_sede.pdf
Základní charakteristiky pro popis vlastností antén: anteny.pdf,černobílá verze: anteny_sede.pdf

Použité označení
PRE : Příklady demonstrované na přednášce
CV : Příklady demonstrované na cvičeních
DOP : Analogické příklady doporučené k samostatnému prostudování

Opakování základních vztahů platných v nestacionárním elektromagnetickém poli – Maxwellovy rovnice, základní vlastnosti rovinné harmonické elektromagnetické vlny v různých typech prostředí, konstanta šíření, měrný útlum, fázová konstanta, vlnová impedance.

Popis rovinné harmonické elektromagnetické vlny postupující v prostoru v obecném směru, pojem vlnový vektor, radiusvektor.

Rovinná harmonická elektromagnetická vlna - opakování 1, pojem rovinné harmonické elektromagnetické vlny, základní geometrie vlny, okamžité hodnoty veličin elektromagnetického pole,význam konstanty šíření ( fázové konstanty a měrného útlumu), popis veličin pomocí fázorů, vlnová délka, fázová rychlost.

Konkrétní příklad popisu rovinné harmonické elektromagnetické vlny s vlnoplochami kolmými na rovinu x,z , její vlnový vektor a radiusvektor. Definiční pojmy pro zkoumání dopadů vln na rozhraní – rovina rozhraní(dopadu,polarizace), úhel dopadu (odrazu,prostupu), rovnoběžná a kolmá polarizace vlny. Kolmý dopad vlny na rozhraní dvou prostředí, volby kladných smyslů veličin elektromagnetického pole, vlna odražená a prostupující, odvození koeficientu odrazu a prostupu z podmínek pro tečné složky na rozhraní, fyzikální význam činitele odrazu a prostupu, vlna kolmo dopadající na rozhraní dvou dielektrik.

Rovinná harmonická elektromagnetická vlna - opakování 2, význam vlnové impedance, výkon přenášený elektromagnetickou vlnou ( Poyntingův vektror, střední hodnota Poyntingova vektoru zapsaná pomocí amplitud veličin pole i pomocí fázorů, energetická bilance v prostoru s rovinnou harmonickou elektromagnetickou vlnou, výkon přeměněný na teplo.

Vlna kolmo dopadající na rozhraní s dokonalým vodičem, intenzita elektrického a magnetického pole nad rozhraním, proud tekoucí po povrchu vodiče, vznik stojatého vlnění. Stojaté vlnění v případě dopadu vlny na rozhraní dvou dielektrik, maximální a minimální intenzita elektrického a magnetického pole výsledné vlny, poměr stojatých vlna a jeho fyzikální význam. Vlna dopadající do vodivého poloprostoru, proud tekoucí tímto poloprostorem, pojem povrchové impedance a efektivního odporu, souvislost s hloubkou vniku, ztráty ve spodním poloprostoru vypočítané pomocí střední hodnoty Poyntingova vektoru, pomocí Jouleova tepla a pomocí celkového proudu a efektivního odporu.

Kolmý prostup rovinné harmonické elektromagnetické vlny vrstveným prostředím, transformační rovnice pro obecnou vrstvu a obecné rozhraní, maticový popis. Aplikace maticového popisu pro jednu vrstvu zleva a zprava obklopenou prostředím s různými fyzikálními parametry, hledání řešení pro nulovou hodnotu činitele odrazu – čtvrtvlnná a půlvlnná bezodrazová vrstva. Vlna šikmo dopadající na rozhraní dvou prostředí, Snellův zákon odrazu a lomu, podmínky na rozhraní pro intenzitu elektrického a magnetického pole, činitel odrazu a prostupu pro kolmou a rovnoběžnou polarizaci. Rozhraní dvou dielektrických materiálů, vlna prostupující z prostředí „řidšího do „hustšího“ a naopak, lom od kolmice a ke kolmici. Brewsterův polarizační úhel a jeho význam.

Kolmý dopad vlny na rozhraní dvou prostředí, fázory intenzity elektrického a magnetického pole, stojaté vlnění, činitel odrazu a poměr stojatých vln, maximální a minimální hodnota intenzity elektrického a magnetického pole nad rozhráním, bilance činného výkonu.

Vlna dopadající pod kritickým úhlem, totální odraz a vznik evanescentní vlny, vlna dopadající na ztrátové prostředí – vznik neuniformní vlny, vlna dopadající na dobře vodivé prostředí a její prostup kolmo k rozhraní, Leontovičova podmínka. Vlna TEM na vedení, sestavení náhradního schématu a odvození rovnic pro homogenní vedení, vlnová rovnice pro napětí a proudy na vedení a její řešení. Konstanta šíření na vedení a charakteristická impedance pro reálné a bezeztrátové vedení.

Vlna kolmo dopadající na dobrý vodič (ale ne dokonalý, např. měď) , velikost intenzity elektrického a magnetického pole ve vodiči, proud tekoucí ve vodiči, rozdělení proudové hustoty, povrchová impedance, výpočet ztrát z objemové hustoty ztrát, pomocí Poyntingova vektoru prostupující vlny a pomocí efektivního odporu vypočteného z hloubky vniku ve vodiči.

Impedanční vztahy platné pro bezeztrátové vedení, činitel odrazu na vedení a jeho vlastnosti pro reálné i bezeztrátové vedení. Pojem nezkreslujícího vedení. Činitel odrazu a impedanční poměry na vedení zatíženém impedancí o velikosti charakteristické impedance vedení ( přizpůsobené vedení). Činitel odrazu a impedanční poměry na vedení spojeném na konci naprázdno a nakrátko. Smithův diagram pro popis homogenního symetrického vedení.

Vlna kolmo vstupující do vrstveného prostředí, půlvlnná a čtvrtvlnná bezodrazová vrstva. Vlna šikmo dopadající na rozhraní dvou dielektrických materiálů, činitel odrazu a prostupu pro kolmou a rovnoběžnou polarizaci, Brewsterův polarizační úhel, totální odraz a evanescentní vlna.

Vlastnosti vedení a činitele odrazu na vedení jako základu pro odvození Smithova diagramu, Smithův diagram jako zobrazení činitele odrazu v komplexní rovině, hodnoty poměrné impedance ve Smithově diagramu. Zobrazení vedení ve Smithově diagramu a převody impedancí na začátku a konci vedení. Zobrazení bodů ve Smithově diagramu, které odpovídají: přizpůsobené zátěži, vedení spojenému nakrátko a naprázdno, čistě induktivní a kapacitní zátěži. Vlna postupující podél dobře vodivého rozhraní – stojaté vlnění v příčném směru, postupná vlna v podélném směru, obraz pole tvaru TE a TM.

Šikmý dopad vlny na ztrátové prostředí, dopad vlny pod velkým úhlem na dobře vodivé prostředí. Úhel, pod kterým se mění fáze prostupující vlny. Popis Smithova diagramu, zavedení poměrných impedancí a admitancí, zobrazení impedance a činitele odrazu ve Smithově diagramu.

Vlna postupující mezi dvěma rovnoběžnými vodivými rovinami. Odvození vlnové rovníce pro podélnou složku intenzity elektrického pole v obdélníkovém kovovém vlnovodu s vidy TM. Řešení vlnové rovnice a hraniční podmínky na stěnách. Rovnice pro ostatní složky intenzity elektrického a magnetického pole pro vidy TM. Tvar siločar elektrického a magnetického pole pro různé kombinace vidových čísel.

Princip přizpůsobení impedance zátěže charakteristické impedanci vedení, přizpůsobení pomocí diskrétních prvků – indukčností a kapacit

Odvození rovnic pro veličiny elektromagnetického pole v kovovém vlnovodu obdélníkového průřezu s vidy TE, podmínky na stěnách vlnovodu pro podélnou složku intenzity magnetického pole.Podmínky pro vedení vlny v obdélníkovém kovovém vlnovodu, kritický kmitočet, dominantní vid, obraz siločar elektromagnetického pole základních vidů, vlnovod pracující v podkritickém režimu, výkon procházející vlnovodem s videm TE10, princip určení proudu na povrchu vlnovodu, proud tekoucí po stěnách obdélníkového vlnovodu s videm TM11.

Přizpůsobení pomocí úseku vedení – pahýlové vedení spojené paralelně nebo do série zakončené naprázdno nebo nakrátko. Počet možností pro přizpůsobení s ohledem na bod, ve kterém se ve Smithově diagramu zobrazí impedance zátěže.

Kovový vlnovod kruhového průřezu s vidy TM, kovový vlnovod kruhového průřezu s vidy TE, dominantní vid. Vlnovodné vidy typu TE a TM na koaxiálním kabelovém vedení. Ostatní základní druhy používaných vedení, vedení pro mikrovlnné aplikace – symetrické páskové vedení, mikropáskové vedení, koplanární vedení, štěrbinové vedení – základní vlastnosti a tvar elektromagnetického pole.

Kovový vlnovod obdélníkového průřezu, zjištění podmínek, za kterých vlnovod vede s určitým videm (tvarem pole). Konstanta šíření v podélném směru, konstanta v příčném směru, vlnová délka a fázová rychlost vlny ve vlnovodu, posouzení, v jakém pořadí vzniknou určité vidy na vlnovodu.

Rezonátory, dutinové rezonátory, rezonátor tvořený částí kovových vlnovodů obdélníkového a kruhového průřezu, rezonanční kmitočet, vidy s nejmenším rezonančním kmitočtem, tvar siločar elektromagnetického pole, vid na kruhovém rezonátoru, který nemá povrchový proud na plášti ve směru šíření vlny. Rezonátory tvořené částí vedení, vedení na obou koncích rozpojené, vedení spojené na obou koncích nakrátko, rezonanční kmitočet.

Návrh rozměrů kovového vlnovodu obdélníkového průřezu v daném kmitočtovém pásmu pro práci s dominantním videm TE10. „Tlumení“ vidů pro vlnod v podkritickém režimu. Výkon přenášený vlnovodem s videm TE10, největší intenzita elektrického pole pro daný výkon. Princip určení proudu tekoucího po stěnách vlnovodu, velikost proudu tekoucího po stěně pro vlnovodný vid TM11.

Princip dielektrického vlnovodu, vlna šířící se v dielektrické desce. Vektorový potenciál ve stacionárním a nestacionárním elektromagnetickém poli, opožděné potenciály, elementární zářivý dipól, vektorový potenciál a složky elektromagnetického pole zářivého dipólu, pole v blízké a vzdálené zóně, výkon vyzářený elementárním dipólem, vyzařovací(směrová) charakteristika, vyzařovací odpor, elektromagnetické pole ideálního dipólu konečných rozměrů.

Kovové vlnovody kruhového průřezu, kritické kmitočty pro jednotlivé vidy, obrazy pole pro základní vidy TE a TM. Dutinové rezonátory tvořené části kovového vlnovodu obdélníkového průřezu, vid TE101 s nejmenším rezonančním kmitočtem, vid TM110, tvar elektromagnetického pole v rezonátoru.

Dutinové rezonátory tvořené částí vlnovodu kruhového průřezu, vidy TE a TM, vid s nejmenším reznonančním kmitočtem a vid s proudem, který se uzavírá na stěně rezonátoru pouze v tangenciálním směru. Reálné koaxiální vedení, jeho vlastnosti, ideální bezeztrátové vedení a nezkreslující vedení.