Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Transkrypt

1 Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

2 I. Zagadnienia do opracowania. 1. Powstawanie i rozchodzenie się fal elektromagnetycznych. 2. Równania Maxwella. 3. Sposoby wytwarzania fal radiowych i mikrofal. 4. Budowa i zasada działania klistronu. 5. Fale elektromagnetyczne prowadzone: a) falowody prostokątne; b) propagacja i rozkład natężeń pól elektrycznych i magnetycznych w falowodzie prostokątnym; c) prędkość fal prowadzonych; d) obserwacja fal prowadzonych; e) fale stojące w falowodzie prostokątnym. 6. Swobodne rozchodzenie się fal elektromagnetycznych: a) budowa jonosfery; b) satelity telekomunikacyjne i radiodyfuzyjne; c) orbita geostacjonarna; kąt elewacji satelity geostacjonarnego; d) "zacienienie" anteny odbiorczej. II. Zadania doświadczalne. 1. Zapoznać się ze stanowiskiem pomiarowym do badania własności i zastosowań mikrofal widocznym na Zdjęciu 1 oraz ze schematem mostka mikrofalowego na Rysunku 2. Zdjęcie 1. Stanowisko do badania własności mikrofal i ich zastosowań w telekomunikacji: 1 mostek mikrofalowy; 2 zasilacz klistronu; 3 woltomierz; 4 tuner; 5 monitor LCD. Instytut Fizyki Doświadczalnej 1.

3 Rysunek 2. Schemat mostka mikrofalowego: 1 tłumik; 2 sonda; 3 falowód; 4 detektor; 5 wnęka; 6 skala; 7 antena nadawcza; 8 elementy detektora; 9 pokrętło detektora; 10 podziałka; 11 konik ; 12 klistron; 13 śruba. 2. Wykonać pomiary rozkładu fali stojącej w falowodzie. W tym celu włączyć zasilacz (2 na Zdjęciu 1) klistronu (12 na Rysunku 2). Wyjście detektora wnęki pomiarowej (5 na Rysunku 2) podłączyć do woltomierza (3 na Zdjęciu 1) oraz ustawić pokrętło regulatora tłumienia tłumika (1 na Rysunku 2) w dowolnie wybranym położeniu w granicach od 5 do 10. Śrubą (13 na Rysunku 2) przesuwać wnękę pomiarową względem skali centymetrowej (6 na Rysunku 2). 3. Odczytując na skali centymetrowej położenie wnęki pomiarowej, notować wskazania woltomierza. Pomiary wykonać dla czterech różnych ustawień tłumika i trzech głębokości wprowadzania sondy pomiarowej (2 na Rysunku 2) do falowodu. Proponowane położenia tłumika to 6, 5, 4, 3 natomiast sondy pomiarowej to 2, 1, 5, Wyznaczyć rozkłady fali stojącej w falowodzie i przedstawić je na wspólnym wykresie. 5. Obliczyć długość fali stojącej w falowodzie. 6. Podłączyć detektor pomiarowy (8 na Rysunku 2) do woltomierza. Pokrętłem (9 na Rysunku 2) ustawić detektor (8 na Zdjęciu 1) w położeniu odpowiadającym "0" na podziałce (10 na Rysunku 2). Następnie całą konsolę spoczywającą na koniku (11 na Rysunku 2) przesunąć w kierunku anteny nadawczej tak, aby uzyskać maksimum amplitudy na mierniku (3 na Zdjęciu 1). 7. Wstawiając kolejno ekrany z ebonitu, pleksiglasu i szkła pomiędzy antenę nadawczą (7 na Rysunku 2) a detektor (4 na Rysunku 2) obliczyć zmianę fazy mikrofali przy przejściu przez warstwy dielektryków. Ustawić detektor (4 na Rysunku 2) w położeniu odpowiadającym maksimum amplitudy fali stojącej. Wstawić kolejno ekrany z ebonitu, pleksiglasu i szkła Instytut Fizyki Doświadczalnej 2.

4 pomiędzy antenę nadawczą a detektor (ekran ustawić jak najbliżej anteny nadawczej). Przesuwając detektor (8 na Rysunku 2) pokrętłem (9 na Rysunku 2) w kierunku anteny nadawczej, w celu uzyskania ponownego maksimum na woltomierzu, odczytać wielkość tego przesunięcia. 8. Zmierzyć suwmiarką grubości wstawianych płyt dielektryków. 9. Obliczyć współczynnik załamania użytych materiałów dielektrycznych, względną przenikalność dielektryczną i podatność elektryczną tych ośrodków. 10. Posługując się zestawem telewizji satelitarnej (Zdjęcie 1 i Rysunek 3) oraz opisem jego obsługi w Dodatku B zidentyfikować położenia poszczególnych satelitów telekomunikacyjnych. Określić ilość transponderów dla każdego satelity. Opis pilota znajduje się na Rysunku 4. Rysunek 3: Schemat zestawu telewizji satelitarnej. Rysunek 4. Pilot: 1 włącznik tunera; 2 wybór opcji w menu; 3 zmiana opcji w kierunku malejącym; 4 zmiana opcji w kierunku rosnącym; 5 włączanie menu. 11. Obliczyć parametry czasowe (miesiące, dni, godziny) odpowiadające ustawieniu się w jednej linii Słońca, satelity "Astra" i anteny odbiorczej (patrz Dodatek A). 12. Narysować orbitę geostacjonarną z naniesionymi na niej zidentyfikowanymi satelitami wraz z przyporządkowanymi im parametrami. 13. Wyznaczyć odległość anteny odbiorczej od satelity "Astra". Instytut Fizyki Doświadczalnej 3.

5 III. Zestaw przyrządów. 1. Zasilacz mostka mikrofalowego. 2. Woltomierz. 3. Mostek mikrofalowy. 4. Zestaw ekranów: szklany, ebonitowy, z pleksiglasu. 5. Tuner satelitarny TF 5000 CI z siłownikiem. 6. Pilot do sterowania tunerem. 7. Monitor LCD. 8. Antena satelitarna. IV. Literatura. 1. H. Szydłowski Pracownia fizyczna wspomagana komputerem, PWN, Warszawa A. Chełkowski Fizyka dielektryków, PWN, Warszawa Sz. Szczeniowski Fizyka doświadczalna, część III, PWN, Warszawa P.W. Atkins Molekularna mechanika kwantowa, PWN, Warszawa R.P. Feynman, R. Leighton, M. Sands Feynmana wykłady z fizyki, T.2., część 2., PWN, Warszawa R. Litwin, M. Suski Technika mikrofalowa, Wyd. Naukowo Techniczne, Warszawa H.E. Thomas Techniki i urządzenia mikrofalowe. Poradnik, WNT, Warszawa W. Czarczyński Postawy techniki mikrofalowej, Wyd. Politechniki Wrocławskiej J. Szóstka Mikrofale, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa A. Dobrowolski Technika wielkich częstotliwości, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa S. Haykin Systemy telekomunikacyjne, T.1. i 2., Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa J. Mietelski Astronomia w geografii, PWN, Warszawa D.M. Pozar Microwave Engineering, John Willey & Sons Inc., NY J.B. Tsui Microwave Receivers with Electronic Warfare Applications, J. Willey, NY R.S. Elliott An Introduction to Guided waves and Microwaves Circuits, Prentice-Hall, R.P. Feynman, R. Leighton, M. Sands The Feynman Lectures on Physics, Vol.2., Part 2., Wesley, R.E. Collin Foundations for Microwaves Engineering, McGraw-Hill, Instytut Fizyki Doświadczalnej 4.

6 Dodatek A Rysunki i wzory pomocne w lokalizacji położenia satelity Astra Uwzględniając ruch roczny Ziemi wokół Słońca można znaleźć czas, w którym antena odbiorcza, satelita geostacjonarny i Słońce znajdą się w jednej linii prostej (Rysunek 5). Rysunek 5. Konfiguracja satelity względem powierzchni Ziemi. Płaszczyzna równika niebieskiego tworzy z płaszczyzną ekliptyki kąt 23,4. Wskutek tego kąt pomiędzy płaszczyzną równika ziemskiego a kierunkiem ku Słońcu ulega w ciągu roku sinusoidalnym zmianom: δ = ε sin 2πt T, (1) gdzie ε = 23,4 - kąt pomiędzy płaszczyzną równika niebieskiego a płaszczyzną ekliptyki, T = 365,242 - czas średniej doby słonecznej - rok zwrotnikowy. Jak wynika z Rysunku 6: Tak więc: Z równań (1) i (3): f + g d = 180. (2) d = 90 (j + g 0 ). (3) 90 (φ + γ 0 ) = ε sin 2πt T. (4) Odstęp czasu t przypadającego na ekwinocjum wiosenne lub jesienne do zacienienia satelity w punkcie o współrzędnych geograficznych dla Gdańska (szerokość geograficzna dla Gdańska j = 54,38 ; długość geograficzna l = 18,63 ) wynosi: t = T arcsin 90 (φ+γ 0 ) [dni] (5) 2π ε Instytut Fizyki Doświadczalnej 5.

7 Rysunek 6. Zaćmienie Słońca przez satelitę. Oznaczenia na Rysunku 6: γ 0 = 28,3 - kąt elewacji hipotetycznego satelity zenitalnego; R z - promień Ziemi; R s - promień orbity geostacjonarnej; j = 54,38 - szerokość geograficzna Gdańska. Odstęp czasu górowania Słońca w Gdańsku (w południe) t g w stosunku do czasu Greenwich wynosi: λ g - długość geograficzna Gdańska; k - prędkość pozornego obiegu Ziemi przez Słońce t g = λ g [min], (6) k k = 0,25 min. (7) Ze względu na położenie geograficzne Gdańska na wschód od południka zerowego (Rysunek 7) czas t g wskaże, o ile wcześniej od czasu Greenwich nastąpi górowanie Słońca w Gdańsku. Długość geograficzna satelity λ s a długość geograficzna Gdańska różnią się o λ Δλ = λ s λ g. (8) Tak więc, odstęp czasu t s, o który wcześniej antena odbiorcza, satelita i Słońce znajdą się w linii prostej w stosunku do górowania Słońca nad Gdańskiem, wynosi t s = Δλ k. (9) Zatem czas zacienienia anteny odbiorczej według czasu Greenwich można wyliczyć jako t x = t g t s [min]. (10) Uwzględniając przesunięcie czasu strefy środkowo - europejskiej o 1 godzinę w stosunku do czasu Greenwich dokładne przesunięcie czasowe zacienienia satelity w Gdańsku będzie wynosiło t = t x 60 min. (11) Instytut Fizyki Doświadczalnej 6.

8 Rysunek 7. Widok z bieguna północnego. Instytut Fizyki Doświadczalnej 7.

9 Dodatek B Instrukcja obsługi cyfrowego tunera satelitarnego TF 5000 CI I. Zmotoryzowane ustawianie anteny. 1) Wybrać z pilota odbiornika przycisk Menu w celu zaprogramowania systemu obsługi anteny satelitarnej z mechanizmem obrotowym. 2) Wybrać z opcji wariant Instalacja po pojawieniu się na ekranie tabeli Menu Główne i nacisnąć OK. (Zdjęcie 8). Zdjęcie 8. Widok wyświetlacza tunera z Menu Głównym. 3) Wybrać Ustawienie Anteny (Zdjęcie 9) po pojawieniu się tabeli Instalacja i nacisnąć OK. Zdjęcie 9. Widok wyświetlacza z tabelą instalacyjną. 4) Przejść do etapu programowania pozycji satelitów po pojawieniu się opcji Ustawianie Anteny. Wybrać opcję Ustawianie Ręczne (Zdjęcie 10) i nacisnąć OK na pilocie. Instytut Fizyki Doświadczalnej 8.

10 Ćwiczenie 3 : Badanie fizycznych własności mikrofal. Zdjęcie 10. Widok wyświetlacza przy ręcznym Ustawianiu Anteny. 5) Pojawi się tabela Zmotoryzowane Ustawianie Anteny (Zdjęcie 11). Umożliwi to zaprogramowanie pozycji wybranego satelity. Zdjęcie 11. Widok wyświetlacza przy Zmotoryzowanym Ustawianiu Anteny. 6) Dokonać wyboru żądanego satelity z opcji Nazwa Satelity. 7) Rozpocząć ustawianie pozycji satelity poprzez wybranie opcji Pozycja. 8) Przesunąć pozycję anteny w ramach limitów EL WL za pomocą przycisków V+ oraz V- na pilocie. Aktualną pozycję anteny pokazuje czerwony wskaźnik w pasku EL WL w tabeli. II. Przeszukiwanie kanałów. 1) Przesuwać pozycję satelity aż do pojawienia się sygnału o najwyższych parametrach Poziom i Jakość. 2) Po ustaleniu się najwyższych parametrów Poziom i Jakość zapamiętać ustawioną pozycję naciskając czerwony przycisk na pilocie. Instytut Fizyki Doświadczalnej 9.

11 Zdjęcie 12. Widok wyświetlacza przy Przeszukiwaniu Kanałów. 3) Powtórzyć procedurę dla każdego wybranego satelity. 4) Przystąpić do programowania kanałów nadawanych przez satelitę po zapamiętaniu pozycji anteny. 5) Zaprogramować kanały z satelity korzystając z opcji Przeszukiwania (Zdjęcie 12). 6) Należy nacisnąć OK na pilocie po zakończeniu przeszukiwania. Odbiornik automatycznie zapamięta znalezione transpondery. Instytut Fizyki Doświadczalnej 10.