Компьютерный практикум по дисциплине Электромагнитные поля и волны

Компьютерный практикум по дисциплине "Электромагнитные поля и волны"

Компьютерные лабораторные практикумы в высших технических учебных заведениях дополняют занятия на традиционных лабораторных установках. Это объясняется возможностями компьютерного моделирования которые недоступны в реальном лабораторном эксперименте. Предлагается постановка и компьютерная реализация задач, связанных с преподаванием дисциплины "Электромагнитные поля и волны". Для организации лабораторных работ и научных исследований на новом, более высоком уровне было осуществлено моделирование лабораторных стендов на основе использования мощной и гибкой программной среды, применяемой для проведения измерений и анализа полученных данных — LabVIEW, разработанной компанией National Instruments. Многоплатформенная среда LabVIEW была применена в качестве стандартного инструмента для сбора данных и управления виртуальными приборами в нескольких компьютерных лабораторных работах при изучении ряда физических процессов, таких как поляризация электромагнитных волн, волновые явления на границе раздела двух сред, электромагнитное поле в прямоугольном волноводе. Эти лабораторные работы предназначены для использования в лабораторном практикуме по дисциплине "Электромагнитные поля и волны".

Наряду с использованием парка лабораторных измерительных приборов переход на систему LabVIEW позволил также не только моделировать приборы, но и реализовать в учебном процессе понятия о принципах их функционирования, влиянии параметров на результаты, причинах появления погрешностей и методах ихуменьшения. Применение системы LabVIEW и технологий National Instruments в целом дало возможность организовать проведение лабораторных работ и научных исследований с целым рядом преимуществ по сравнению с работой на традиционных стендах.

Прошин А.Б.,

к.т.н., доцент кафедры ТЭД и А, МТУСИ

Организация лабораторного практикума по электродинамике сопряжена с рядом принципиальных трудностей. Это в первую очередь то, что человеческие органы чувств не воспринимают действие электромагнитного поля радиочастотного диапазона, а, значит, отсутствует наглядность экспериментов. Значительную трудность представляет разработка лабораторных установок, обладающих необходимой надежностью и работоспособных в пыггливых, но неумелых руках студентов. В настоящее время основным является теоретический подход к изучению электродинамики. Реальный эксперимент в учебной лаборатории электродинамики может лишь подтверждать некоторые моменты теоретических построений.

Применение информационных технологий в учебном процессе приводит к расширению методов и форм обучения, опирающихся на возможности вычислительной техники. Моделирование и разработка виртуальных приборов в среде LabVIEW [1] позволяют провести компьютерный эксперимент с полнотой и наглядностью, недостижимой даже в самой современной и оснащенной научной лаборатории. Используемая в LabVIEW концепция виртуальных приборов позволяет создавать сложные системы обработки информации с использованием изолированных блоков, некоторых аналогов подпрограмм, работающих с потоками информации. Созданные при этом программы обладают широким, гибко настраиваемым функционалом по обработке информации, который при необходимости может достичь высокого быстродействия (вплоть до режима реального времени).

Для проведения лабораторного практикума по дисциплине "Электромагнитные поля и волны" было разработано три компьютерных лабораторных работы.

Целью компьютерной лабораторной работы "Поляризация электромагнитных волн" является изучение поляризации электромагнитной волны [2, 3] и исследование с помощью компьютерной лабораторной установки различных видов поляризации.

Компьютерная лабораторная работа для исследования поляри-

зации поля состоит из трех частей, отображаемых в трех закладках на экране: "Генератор поля", "Измерение вручную" и "Измерение автоматическое".

Выполнение работы начинается в закладке "Генератор поля" (рис. 1). В ее левой части имеется четыре движковых регулятора, которые задают амплитуды и начальные фазы двух ортогональных компонент поля. Справа на экране выводится эллипс поляризации волны, который в частных случаях превращается в отрезок прямой линии или круг.

Для измерения параметров эллипса служит инструмент "Измеритель параметров эллипса". Он представляет собой на экране вектор с изменяемыми модулем и угловым положением. Подводя конец вектора с помощью регуляторов модуля и угла к характерным точкам эллипса, можно определить его параметры.

Рис. 1. Моделирование волны с произвольной поляризацией

Ключевые слова: электромагнитные поля и волны, поляризация, прямоугольный волновод, компьютерный практикум, 1аЬУШ

Рис. 2. Компьютерная имитация ручного измерения поляризационной характеристики

На закладке "Измерение вручную" (рис. 2) реализован метод линейно поляризованной антенны [1, 4]. В левой части находится регулятор углового положения антенны относительно горизонта. При работе установки его можно поворачивать, ухватив курсором мыши за стрелку-указатель. Справа находятся стрелочный и цифровой индикаторы напряжения на выходе детектора. Регулятор усиления позволяет установить удобные для наблюдения пределы

Рис. 3. Построение поляризационной характеристики

измеряемой величины.

На закладке "Измерение автоматическое" (рис. 3) отображается в полярных координатах зависимость напряжения на выходе детектора от угла поворота приемной линейно поляризованной антенны.

Компьютерная лабораторная работа "Поляризация электромагнитных волн" позволяет:

Рис. 4. Главное окно лабораторной работы "Волновые явления на границе раздела двух сред"

• изучить формирование электромагнитной волны линейной, круговой и эллиптической поляризации в результате суперпозиции двух ортогональных линейно поляризованных волн с необходимыми значениями амплитуд и фаз;

• получить навыки ручного измерения поляризационной характеристики антенны, излучающей поле вращающейся поляризации;

• изучить связь между поляризационной характеристикой и поляризационным эллипсом, научиться определять по поляризационной характеристике параметры поляризационного эллипса.

Целью компьютерной лабораторной работы "Волновые явления на границе раздела двух сред" является изучение явлений отражения и преломления плоской электромагнитной волны при ее падении на границу раздела двух сред [2, 3] и исследование их с помощью компьютерной лабораторной установки.

Главное окно компьютерной лабораторной работы "Волновые явления на границе раздела двух сред" изображено на рис. 4. В его левой верхней части расположены две группы элементов "Среда 1" и "Среда 2". Для каждой среды можно задать относительные диэлектрическую и магнитную проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь.

В расположенных ниже индикаторах выводятся параметры волны в соответствующей среде: коэффициенты затухания и фазы, модуль и фаза характеристического сопротивления. Еще ниже расположена группа элементов, в которой задаются частота и амплитуда падающей волны и выводятся в индикаторах комплексные амплитуды отраженной и преломленной волн.

На странице "Распределение амплитуд волн" расположен экран, на котором отображается распределение амплитуды вектора напряженности электрического поля вдоль нормали к границе раздела сред. Граница двух сред находится посередине экрана. Под экраном имеются регулятор усиления и регулятор длины шкалы, позволяющие улучшить наблюдаемость картины на экране.

Компьютерная лабораторная работа "Волновые явления на границе раздела двух сред" позволяет:

• исследовать параметры волны в первой и во второй средах;

• исследовать зависимость амплитуды и фазы падающей, отраженной и преломленной волн от элекродинамических параметров первой и второй среды;

• исследовать распределение амплитуды вектора напряженности электрического поля в первой и во второй средах вдоль нормали к границе раздела.

Целью компьютерной лабораторной работы "Электромагнитное поле в прямоугольном волноводе" является изучение волн, распространяющихся в прямоугольном металлическом волноводе и исследование их структуры с помощью компьютерной лабораторной установки.

Данная компьютерная лабораторная работа предназначена для изучения структуры векторных силовых линий волн классов Е и

Н, распространяющихся в металлическом волноводе прямоугольного поперечного сечения [2, 3]. Внешний вид главного окна компьютерной лабораторной работы приведен на рис. 5.

На левом краю лицевой панели находятся регуляторы, задающие частоту в ГГц, расстояние между стенками волновода в мм, относительную диэлектрическую проницаемость материала, заполняющего волновод. Под регуляторами находится цифровой индикатор, на который выводится значение критической частоты в ГГц. При нарушении условия распространения волны в линии под этим индикатором загорается табло с надписью "Частота меньше критической". Еще ниже расположены: переключатель класса волн с положениями "Е" и "Н" и регуляторы типа волны и числа отображаемых силовых линий.

На странице "Картина силовых линий поля" расположен экран, на котором отображается картина силовых линий напряженности электрического поля для Е-волн или картина силовых линий напря-

Рис. 5. Главное окно работы "Электромагнитное поле в прямоугольном волноводе"

женности магнитного поля для Н-волн. В любой волне одновременно существуют и неразрывно связаны электрическое и магнитное поля, однако простые силовые линии в виде прямых, перпендикулярных плоскости экрана на индикаторе лабораторной установки не отображаются.

По осям индикатора откладываются реальные координаты в мм. Верхний и нижний горизонтальные края экрана соответствуют поверхностям металлических пластин, образующих линию передачи. Для обеспечения удобства наблюдения поля на экране служат регуляторы: "Число волн по продольной оси" и "Продольный размер экрана в мм".

Компьютерная лабораторная работа "Электромагнитное поле в прямоугольном волноводе" позволяет:

• исследовать структуру векторных силовых линий волн классов Е и Н, распространяющихся по прямоугольному волноводу, для любого типа волны;

• исследовать изменение длины волны в прямоугольном волноводе в зависимости от частоты и относительной диэлектрической проницаемости среды, заполняющей волновод;

• исследовать изменение длины волны в прямоугольном волноводе в зависимости от типа волны.

Предложенный подход к построению лабораторных комплексов направлен на повышение уровня теоретических знаний и прак-

тического умения студентов, а также творческого креативного мышления. В дальнейшем предполагается поэтапно модернизировать имеющиеся программные модули, а также разработать новые компьютерные лабораторные работы по электродинамике и смежным дисциплинам, что позволит более эффективно использовать программную среду 1дЬУ1ЕМ' [5].

Литература

1. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LаbVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW — М.: ДМК Пресс, 2007. —400 с.

2. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов АД Техническая электродинамика. — М.: Радио и связь, 2000. — 536 с.

3. Пименов Ю.В. Линейная макроскопическая электродинамика. Вводный курс для радиофизиков и инженеров. — Долгопрудный: Изд. дом "Интеллект", 2008. — 536 с.

4. Ерохин ГА, Чернышев О.В., Козырев НД, Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. — 491 с.

5. Тревис Дж LabVIEW для всех. — М.: ДМК Пресс, 2005. — 544 с.

COMPUTER WORKSHOP ON DISCIPLINE "ELECTROMAGNETIC FIELDS AND WAVES"

Proshin A.B., MTUCI

Abstract

Computer lab workshops in higher technical education classes complemented by traditional laboratory settings. This is explained by computer modeling capabilities that are unavailable in the real laboratory experiment. It is proposed formulation and computer implementation of tasks related to the teaching discipline, "Electromagnetic fields and waves."

For the organization of laboratory work and research on new, higher level modeling was carried out laboratory stands on the basis of a powerful and flexible software environment used for measurements and data analysis — LabVIEW, developed by National Instruments.

Multiplatform LabVIEW environment was used as a standard tool for data collection and management of virtual appliances in a few computer labs in the study of many physical processes, such as the polarization of electromagnetic waves, wave phenomena at the interface between two media, the electromagnetic field in a rectangular waveguide. These labs are designed for use in laboratory practice in the discipline "Electromagnetic fields and waves." Along with the use of the park laboratory instrumentation and the transition to LabVIEW also helped to not only simulate instruments, but also to implement the concept in the learning process on the principles of their functioning, the influence of parameters on the results, the reasons for the emergence of errors and methods to reduce them.

The application of LabVIEW and National Instruments technologies in general has made it possible to organize the laboratory work and research with a number of advantages over the traditional work benches.

KeyWordS: electromagnetic fields and waves, polarization, rectangular waveguide, computer workshop, LabVIEW.

88

T-Comm, #10-2012