Лабораторна робота № 8

 

/*

*/

class Composite;

 

class Component {

public:

//...

virtual Composite* GetComposite() { return 0; }

};

/*

*/

class Composite: public Component {

public:

void Add(Component*);

//...

virtual Composite* GetComposite() { return this; }

};

/*

*/

class Leaf: public Component {

//...

};

/*

*/

void dummy () {

/*

*/

Composite* aComposite = new Composite;

Leaf* aLeaf = new Leaf;

 

Component* aComponent;

Composite* test;

/*

*/

aComponent = aComposite;

if (test = aComponent->GetComposite()) {

test->Add(new Leaf);

}

/*

*/

aComponent = aLeaf;

 

if (test = aComponent->GetComposite()) {

test->Add(new Leaf); // will not add leaf

}

/*

*/

}

/*

*/

#include "List.H"

#include "iostream.h"

typedef int Watt;

typedef int Currency;

typedef int Power;

/*

*/

class Equipment {

public:

virtual ~Equipment();

 

const char* Name() { return _name; }

/*

*/

virtual Watt Power();

virtual Currency NetPrice();

virtual Currency DiscountPrice();

/*

*/

virtual void Add(Equipment*);

virtual void Remove(Equipment*);

virtual Iterator<Equipment*>* CreateIterator();

protected:

Equipment(const char*);

private:

const char* _name;

};

/*

*/

class FloppyDisk: public Equipment {

public:

FloppyDisk(const char*);

virtual ~FloppyDisk();

/*

*/

virtual Watt Power();

virtual Currency NetPrice();

virtual Currency DiscountPrice();

};

/*

*/

class CompositeEquipment: public Equipment {

public:

virtual ~CompositeEquipment();

/*

*/

virtual Watt Power();

virtual Currency NetPrice();

virtual Currency DiscountPrice();

/*

*/

virtual void Add(Equipment*);

virtual void Remove(Equipment*);

virtual Iterator<Equipment*>* CreateIterator();

/*

*/

protected:

CompositeEquipment(const char*);

private:

List<Equipment*> _equipment;

};

/*

*/

Currency CompositeEquipment::NetPrice () {

Iterator<Equipment*>* i = CreateIterator();

Currency total = 0;

 

for (i->First();!i->IsDone(); i->Next()) {

total += i->CurrentItem()->NetPrice();

}

delete i;

return total;

}

/*

*/

class Chassis: public CompositeEquipment {

public:

Chassis(const char*);

virtual ~Chassis();

/*

*/

virtual Watt Power();

virtual Currency NetPrice();

virtual Currency DiscountPrice();

};

/*

*/

class Cabinet: public CompositeEquipment {

public:

Cabinet(const char*);

};

class Bus: public CompositeEquipment {

public:

Bus(const char*);

};

class Card: public Equipment {

public:

Card(const char*);

};

void dummy1 () {

/*

*/

Cabinet* cabinet = new Cabinet("PC Cabinet");

Chassis* chassis = new Chassis("PC Chassis");

/*

*/

cabinet->Add(chassis);

/*

*/

Bus* bus = new Bus("MCA Bus");

bus->Add(new Card("16Mbs Token Ring"));

/*

*/

chassis->Add(bus);

chassis->Add(new FloppyDisk("3.5in Floppy"));

 

cout << "The net price is " << chassis->NetPrice() << endl;

/*

*/

}

/*

*/

Лабораторна робота № 8

 

КОЛА З РОЗПОДІЛЕНИМИ ПАРАМЕТРАМИ

 

Мета роботи – вивчити режими роботи та застосування електронних кіл з розподіленими параметрами; дослідити параметри узгодження ліній передачі.

Студент повинен знати:

- в якому випадку параметри електричних кіл мають розподілений характер;

- основні параметри довгих ліній;

- режими роботи довгих ліній;

- параметри, що характеризують режими роботи ліній;

- конструкції ліній передачі;

- про вплив конструкції лінії на її електричні параметри.

Студент повинен уміти:

- виконувати інженерні розрахунки коефіцієнта відбиття та КСХ;

- виміряти за допомогою вимірювальної лінії довжину хвилі в лінії та КСХ;

- оцінити похибку результатів вимірювань.

 

1 Основні положення

1.1 Основні положення

При точному аналізі електронних кіл необхідно враховувати швидкість розповсюдження енергії та розміри елементів кіл. В цьому випадку процеси, що відбуваються в колах носять хвилевий характер, тобто струм та напруга є не тільки функціями часу, але й довжини кола. При цьому необхідно враховувати, що параметри елементів кола R, L, C розподілені вздовж лінії.

Швидкість розповсюдження енергії та розподіленість параметрів елементів кола необхідно враховувати тільки тоді, коли геометричні розміри елементів кола стають співрозмірними з довжиною хвилі коливань. Практично це має місце на високих частотах (f>300 МГц, λ<1 м).

Найбільш розповсюдженими колами з розподіленими параметрами є довгі лінії передачі електромагнітної енергії.

Фізичні властивості довгої лінії визначаються чотирма розподіленими вздовж лінії параметрами: індуктивністю L (Гн/м), ємністю C (Ф/м), активним опором R (Ом/м) та активною провідністю G (См/м). Еквівалентна схема відрізка довгої лінії наведена на рис. 1.1

Рисунок 1.1 – Еквівалентна схема відрізка довгої лінії

 

Зв’язок між струмом та напругою в довгій лінії у випадку гармонійних коливань описується телеграфними рівняннями в комплексній формі:

, (1.1)

та

, (1.2)

де - коефіцієнт розповсюдження;

, - комплексна амплітуда напруги і струму відповідно.

В загальному випадку коефіцієнт розповсюдження має комплексний характер:

, (1.3)

де: - коефіцієнт фази;

- коефіцієнт згасання, обумовлений тепловими втратами в провідниках та втратами в діелектрику (ізоляції).

Якщо в ролі граничних умов вибрати значення напруги і струму на початку лінії (, ), то диференціальні рівняння (1.1) і (1.2) будуть мати таке рішення:

(1.5)

 

(1.6)

 

Перші скдадові цих рівнянь описують падаючі хвилі, а другі - відбиті хвилі напруги і струму відповідно.

Відношення комплексних амплитуд напруги і струму прямої та відбитої хвилі в будь-якому розрізі довгої лінії однакове і називається хвильовим опором:

. (1.7)

При відсутності втрат (R=G=0)

. (1.8)

Розподіл електромагнітного поля вздовж лінії визначається за допомогою вимірювальної лінії

1.2 Застосування та основні параметри довгих ліній

Довгі лінії використовуються для передачі електромагнітної енергії від джерела до навантаження, наприклад, від передавача до антени. На основі відрізків довгих ліній конструюються багато елементів та вузлів: фільтри, коливальні системи, реактивні опори, дільники та суматори потужності, фазообертачі, узгоджуючі трансформатори та ін. Всі лінії передачі, незалежно від їх конструкції, є колами з розподіленими параметрами та характеризуються індуктивністю, ємністю, поздовжнім опором та поперечною провідністю на одиницю довжини, які є первинними параметрами лінії (рис. 1.1).

Для більш повної характеристики ліній передачі, окрім первинних параметрів, використовують вторинні параметри ліній: хвильовий опір Zхв, коефіцієнт згасання α, фазову швидкість хвилі V_Ф та коефіцієнт фази β.

Значення первинних і вторинних параметрів ліній передачі визначається лише конструкцією лінії і не залежить від її довжини.

Хвильовий опір хвильоводів має значення 300..600 Ом; полоскових ліній - 30..100 Ом; коаксіальних кабелів, у відповідності до ГОСТ 11326.0-78 - 50, 75, 100, 150, 200 Ом.

1.3 Констукції ліній передачі

В техніці зв'язку, та в вимірювальній техніці широке застосування знайшли коаксіальні, хвилеводні та смужкові лінії передачі. Констукції ліній передачі наведені на рис 1.2.

Конструктор, що займається проектуванням ліній передачі, повинен знати, що параметри ліній залежать від констукції, геометричних розмірів та від електричних і магнітних властивостей матеріалів, що застосовуються.

 

а – полоскова несиметрична; б – полоскова симетрична; в – діелектрична; г – прямокутний хвилевод; д – коаксіальний хвилевод; е – круглий хвилевод

Рисунок 1.2 – Конструкції ліній передачі

1.4 Режими роботи довгих ліній

В залежності від характера і значення навантаження в лінії встановлюється один з трьох режимів: біжучої хвилі, стоячої хвилі та змішаних хвиль.

Найбільшого коефіцієнту корисної дїї системи, що складається з генератора, лінії передачі і навантаження, можна досягти при утворенні режиму біжучої хвилі. Такий режим забезпечується при рівності вхідного опору генератора, хвильового опору лінії передачі і опору навантаження і називається режимом узгодження. При такому режимі амплітуда напруги і струму в кожному перетині лінії однакова (рис. 1.3, а).

Якщо опір навантаження не дорівнює хвильовому опорові лінії - виникає відбита хвиля, що поширюється назустріч падаючій. У результаті інтерференції падаючої і відбитої хвиль рівних амплітуд у лінії встановлюється режим стоячих хвиль. У реальних умовах стоячі хвилі виникають при короткому замиканні (Zн=0) або розмиканні лінії (Zн®¥). У тих перетинах лінії, де падаюча і відбита хвилі знаходяться у фазі, то результируюча напруга подвоюється по амплітуді, створюючи пучність, а в тих перетинах де падаюча і відбита хвилі знаходяться в протифазі, то результуюча напруга дорівнює нулю й утворюється вузол (рис. 1.3, б). Відстань між вузлами і пучностями дорівнює половині довжини хвилі в лінії.

При інтерференції відбитої і падаючої хвиль нерівних амплітуд у лінії виникає режим змішаних хвиль. Для режиму змішаних хвиль характерні не пучності і вузли, а максимуми і мінімуми напруги (рис. 1.3, в).

Режим в лінії передачі і ступінь її узгодження з навантаженням характеризується коєфіцієнтом відбиття Г(х) або коефіцієнтом стоячої хвилі КСХ. Відношення комплексних амплітуд відбитої та падаючої хвиль називається коефіцієнтом відбиття:

, (1.9)

де - модуль коефіцієнта відбиття;

φ – фаза коефіцієнта відбиття.

Зв'язок коефіцієнта відбиття з опором навантаження описується виразом:

. (1.10)

Коефіцієнт стоячої хвилі визначається виразом:

. (1.11)

Коефіцієнт стоячої хвилі пов'язанний з модулем коефіцієнта відбиття наступним співвідношенням:

, або . (1.12)

 

а)

б)

 

в)

а – режим біжучої хвилі; б – режим стоячої хвилі; в – режим змішаної хвилі.

Рисунок 1.3 – Режими роботи довгих ліній

 

 

При ідеальному узгодженні навантаження (Zн=Zхв) Г=0, КСХ=1.

При короткому замиканні (Zн=0) і холостому ході лінії (Zн®¥), а також при навантаженні лінії реактивним опором в лінії виникає режим стоячих хвиль. При цьому режимі Г=1, а КСХ→∞.

Коли опір навнтаження не дорівнює хвильовому опору лінії, (Zн≠Zхв) в ній виникає режим змішаних хвиль. В цьому випадку 1>Г>0, а КСХ>1.

1.5 Конструкції вимірювальної лінії

Розподіл електромагнітного поля вздовж лінії визначається за допомогою вимірювальної лінії.

Основним елементом вимірювальної лінії є відрізок хвилеводу або коаксіальної лінії, які мають стандартні розміри. Вздовж лінії прорізана щілина для введення вимірювального зонду. Приклади поперечних розрізів деяких типів ліній зображені на рис.1.4.

Рисунок 1.4 – Поперечні розрізи вимірювальних ліній

 

Основні елементи конструкції вимірювальної лінії зображені на рис.1.5.

Зонд вимірювальної лінії монтується на каретці, яка може переміщатись паралельно осі системи. Зонд використовується для дослідження розподілу електричної або магнітної складової електромагнітного поля вздовж лінії. Положення каретки і зонду визначається за шкалою, яка доповнюється ноніусом для підвищення точності відліку. Для збільшення чутливості лінії зонд (5) з’єднано з об’ємним резонатором (3), до якого під’єднано детектор (6) і індикатор магнітоелектричної системи (7).

 

 

1-лінія; 2-каретка; 3-резонатор; 4-пристрій настройки;

5-зонд; 6-детектор; 7-індикатор; 8-шкала з ноніусом.

 

Рисунок 1.5 – Конструкція коаксиальної вимірювальної лінії

 

Для забезпечення ще більшої чутливості між детектором і індикатором встановлюють підсилювачі постійного або змінного струму або напруги.

1.6 Вимірювання довжини хвилі

Довжина хвилі визначається за зображенням зміни напруженості електричної складової електромагнітного поля в вимірювальній лінії, яка навантажена опором Zн≠Zхв. Відстань між сусідніми мінімумами або максимумами дорівнює половині довжини хвилі в лінії (рис. 1.6). В більшості віпадків вимірюється відстань між мінімумами, бо вони гостріші, ніж максимуми. Найбільш гострими є мінімуми в коротко замкнутій або розімкнутій лінії (рис.1.3, б).

Рисунок 1.6 – Зміна напруги вздовж лінії

 

Для збільшення точності вимірювання довжини хвилі λ відлік мінімумів доцільно здійснювати вилковим методом. Для цього на деякій відстані від мінімуму, по обох його сторонах, при однакових показах індикатора U_В визначають величини l_k’ і l_k″ (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 – Вилковий метод визначення положення мінімуму

 

Положення мінімумів розраховується за формулами:

, . (1.13)

Тоді довжина хвилі визначається за формулою:

. (1.14)

Довжина хвилі в коаксиальній лінії відповідає частоті генератора f. Якщо лінія хвилевідна, то довжина хвилі в ній пов’язана з довжиною хвилі генератора λ_г таким чином

, (1.15)

де λ_кр – критична довжина хвилі для даного хвилеводу, яка залежить від ширини хвилеводу і типу збудженої в ньому хвилі.

1.7 Вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі

Для вимірювання КСХ вимірювальну лінію вмикають між генератором та навантаженням, що досліджується. Вимірювання КСХ полягає в визначенні максимальної та мінімальної амплітуди електричної складової хвилі, що розповсюджується вздовж лінії, а потім - обчислення його за формолою (1.11). Інформація про значення аплітуди електричної складової в місці розташування зонду одержується шляхом перетворення НВЧ-сигналу в струм детектора, який визначається співвідношенням:

Iд=bU^α (1.16)

При струмі детектора вимірювальної лінії I_Д<10 мкА його вольтамперна характеристика наближається до квадратичної (α=2). При цьому КСХ визначається за формулою:

, (1.17)

де I_Дmax, I_Дmin – максимальне і мінімальне значення струму детектора при переміщенні зонда вздовж вимірювальної лінії.

Співвідношення (1.17) використовується при вимірюванні КСХ менш 5. При більших КСХ стає неможливим вимірювання I_Дmax i I_Дmin в межах квадратичної ділянки вольтамперної характеристики діода. Крім того, зі збільшенням КСХ зростає опір лінії в області максимуму стоячої хвилі, що приводить до значного впливу зонда на розподіл поля. Тому при КСХ>5 використовують метод, що базується на вимірюванні напруги поблизу мінімуму.

Рисунок 1.8 – Визначення КСХ шляхом вимірювання напруги поблизу мінімуму

Як видно з рис. 1.8 для визначення КСХ вимірюється напруга в точці l_min, а також при деякому відхиленні від неї на відстань l, тобто в точці l₁ або l₂. Часто l₁ та l₂ визначаються за умови U_в=2U_min.

Значення КСХ в цьому випадку розраховується за формулою:

. (1.18)

2 Домашнє завдання

2.1 Користуючись рекомендованою літературою та даними методичними вказівками, вивчити режими роботи довгих ліній.

2.2 Відповісти на контрольні запитання.

2.3 Використовуючи вирази (1.10), (1.12), розрахуйте коефіцієнти відбиття та КСХ згідно заданого варіанту. Варіанти вихідних даних наведені в табл 2.1. Результати розрахунків занесіть до табл 2.1.

Таблиця 2.1 – Варіанти вихідних даних

№ варіанту	Zн	Zхв	Г(x)	КСХ