IPhO 1985 · Theory problem 1
Aerial array for a radio link
A young radio amateur maintains a radio link with two girls living in two towns. He positions an aerial array such that when the girl living in town A receives a maximum signal, the girl living in town B receives no signal and vice versa. The array is built from two vertical rod aerials transmitting with equal intensities uniformly in all directions in the horizontal plane.
a) Find the parameters of the array, i.e. the distance between the rods, its orientation and the phase shift between the electrical signals supplied to the rods, such that the distance between the rods is minimum.
b) Find the numerical solution if the boy has a radio station transmitting at 27 MHz and builds up the aerial array at Portorož. Using the map he has found that the angles between the north and the direction of A (Koper) and of B (small town of Buje in Istria) are \(72^\circ\) and \(157^\circ\), respectively.
Official English text of the problem.
Answers
-
a) Let \(\alpha\) be the angular separation of the towns as viewed from the array, and let \(\lambda\) be the wavelength. The minimum spacing is \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \] The line joining the rods must be perpendicular to the internal bisector of the two town directions. Label the rods so that rod 2 lies toward \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) from rod 1, where the unit vectors point toward the towns. Rod 2 must lag rod 1 by \(90^\circ\) for A to receive a maximum and B a null; it must lead by \(90^\circ\) for the reverse.
-
b) The angular separation is \(85^\circ\), giving \[ \boxed{d_{\min}\approx4.1\ \mathrm m}. \] The rod-to-rod line has bearings \[ \boxed{24.5^\circ\ \text{and}\ 204.5^\circ} \] measured clockwise from north. The northeastern rod must lag the southwestern rod by \(90^\circ\) for maximum reception at Koper and zero reception at Buje; reversing the phase relation exchanges the two.
Solution
a)
The signals from the rods are coherent, have the same frequency, and have matching vertical polarizations. We use the far-field approximation: the towns are much farther from the array than the rod spacing, so the waves reaching either town have equal amplitudes and effectively parallel propagation directions.
Let the horizontal displacement from rod 1 to rod 2 be \(\mathbf d\), with magnitude \(d\). Define the electrical phase difference by \[ \delta=\phi_2-\phi_1, \] where the source oscillations are proportional to \(\cos(\omega t+\phi_j)\). Thus positive \(\delta\) means that rod 2 leads rod 1.
For a distant receiver in direction \(\hat{\mathbf n}\), the path lengths satisfy \[ r_2-r_1\simeq-\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d. \] Consequently, the phase difference between the received waves is \[ \Delta(\hat{\mathbf n}) =\delta-k(r_2-r_1) =\delta+k\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d, \qquad k=\frac{2\pi}{\lambda}. \]
If either rod alone produces intensity \(I_0\) at that receiver, superposition gives \[ I=2I_0(1+\cos\Delta) =4I_0\cos^2\!\left(\frac{\Delta}{2}\right). \] A maximum therefore requires \(\Delta=2m\pi\), whereas a null requires \(\Delta=(2n+1)\pi\).
For a maximum at A and a null at B, \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d=2m\pi, \] \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=(2n+1)\pi. \] Subtracting eliminates the adjustable electrical phase: \[ k(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d =\text{an odd multiple of }\pi. \] Thus \[ \left|(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d\right| \geq\frac{\lambda}{2}. \]
Since the angle between the two unit vectors is \(\alpha\), \[ \left|\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\right| =\sqrt{2-2\cos\alpha} =2\sin\frac{\alpha}{2}. \] The magnitude of a scalar product cannot exceed the product of the vector magnitudes, so \[ 2d\sin\frac{\alpha}{2}\geq\frac{\lambda}{2}. \] It follows that \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \]
Equality is attained when \(\mathbf d\) is parallel to \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\). Moreover, \[ (\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B) \cdot(\hat{\mathbf n}_A+\hat{\mathbf n}_B)=0. \] Because the sum points along the internal angular bisector, the required rod-to-rod line is perpendicular to that bisector.
Choose the direction from rod 1 to rod 2 along \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\). At the minimum spacing, \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d_{\min}\sin\frac{\alpha}{2} =\frac{\lambda}{4}, \qquad \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=-\frac{\lambda}{4}. \] Hence the received phase differences are \[ \Delta_A=\delta+\frac{\pi}{2}, \qquad \Delta_B=\delta-\frac{\pi}{2}. \]
For maximum reception at A, choose \[ \boxed{\delta=-\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] Then \(\Delta_A=0\) and \(\Delta_B=-\pi\), as required.
For maximum reception at B, choose \[ \boxed{\delta=+\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] Then \(\Delta_B=0\) and \(\Delta_A=\pi\). Switching between the two operating modes therefore requires a \(180^\circ\) change in the relative electrical phase.
b)
The angular separation of the towns is \[ \alpha=157^\circ-72^\circ=85^\circ. \] Using \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), the wavelength is \[ \lambda=\frac{c}{f} =\frac{3.00\times10^8}{27\times10^6} \simeq11.1\ \mathrm m. \] Therefore, \[ d_{\min} =\frac{11.1}{4\sin42.5^\circ}\ \mathrm m \simeq4.11\ \mathrm m, \] or approximately \[ \boxed{d_{\min}=4.1\ \mathrm m}. \]
The internal bisector has bearing \[ \frac{72^\circ+157^\circ}{2}=114.5^\circ. \] The perpendicular rod-to-rod line consequently has bearing \[ 114.5^\circ-90^\circ=24.5^\circ, \] with the opposite direction at \(204.5^\circ\).
Label the southwestern rod 1 and the northeastern rod 2. The projections toward the towns are \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d\cos(72^\circ-24.5^\circ) =d\sin42.5^\circ=\frac{\lambda}{4}, \] \[ \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d =d\cos(157^\circ-24.5^\circ) =-\frac{\lambda}{4}. \] Thus the phase settings are:
| Desired reception | Phase of northeastern rod relative to southwestern rod |
|---|---|
| Koper maximum; Buje zero | Lags by \(90^\circ\) |
| Buje maximum; Koper zero | Leads by \(90^\circ\) |
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1985 · Theorieaufgabe 1
Antennenanordnung für eine Funkverbindung
Ein junger Funkamateur unterhält eine Funkverbindung mit zwei Mädchen, die in zwei Städten wohnen. Er richtet eine Antennenanordnung so aus, dass das Mädchen in Stadt B kein Signal empfängt, wenn das Mädchen in Stadt A ein maximales Signal empfängt, und umgekehrt. Die Anordnung besteht aus zwei vertikalen Stabantennen, die mit gleicher Intensität gleichmäßig in alle Richtungen der horizontalen Ebene abstrahlen.
a) Bestimmen Sie die Parameter der Anordnung, d. h. den Abstand zwischen den Stäben, ihre Ausrichtung und die Phasenverschiebung zwischen den den Stäben zugeführten elektrischen Signalen, so, dass der Abstand zwischen den Stäben minimal ist.
b) Bestimmen Sie die numerische Lösung, wenn der Junge eine Funkstation besitzt, die bei 27 MHz sendet, und die Antennenanordnung in Portorož aufbaut. Anhand der Karte hat er festgestellt, dass die Winkel zwischen der Nordrichtung und den Richtungen nach A (Koper) bzw. nach B (der Kleinstadt Buje in Istrien) \(72^\circ\) bzw. \(157^\circ\) betragen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
a) Es sei \(\alpha\) der Winkelabstand der Städte, von der Antennenanordnung aus gesehen, und \(\lambda\) die Wellenlänge. Der minimale Abstand beträgt \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \] Die Verbindungslinie der Stäbe muss senkrecht auf der inneren Winkelhalbierenden der beiden Richtungen zu den Städten stehen. Bezeichnen wir die Stäbe so, dass Stab 2 von Stab 1 aus in Richtung \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) liegt, wobei die Einheitsvektoren zu den Städten zeigen. Die Phase von Stab 2 muss der von Stab 1 um \(90^\circ\) nacheilen, damit A ein maximales Signal und B kein Signal empfängt; für den umgekehrten Fall muss sie um \(90^\circ\) voreilen.
-
b) Der Winkelabstand beträgt \(85^\circ\), woraus sich \[ \boxed{d_{\min}\approx4.1\ \mathrm m} \] ergibt. Die Verbindungslinie der Stäbe hat die Richtungswinkel \[ \boxed{24.5^\circ\ \text{und}\ 204.5^\circ} \] im Uhrzeigersinn von Norden aus gemessen. Die Phase des nordöstlichen Stabes muss der des südwestlichen Stabes um \(90^\circ\) nacheilen, damit in Koper maximaler Empfang und in Buje kein Empfang vorliegt; eine Umkehrung der Phasenbeziehung vertauscht die beiden Fälle.
Lösung
a)
Die Signale der Stäbe sind kohärent, haben dieselbe Frequenz und übereinstimmende vertikale Polarisationen. Wir verwenden die Fernfeldnäherung: Die Städte sind viel weiter von der Anordnung entfernt, als der Stababstand beträgt, sodass die in der jeweiligen Stadt eintreffenden Wellen gleiche Amplituden und praktisch parallele Ausbreitungsrichtungen haben.
Der horizontale Verschiebungsvektor von Stab 1 zu Stab 2 sei \(\mathbf d\) mit dem Betrag \(d\). Wir definieren die elektrische Phasendifferenz durch \[ \delta=\phi_2-\phi_1, \] wobei die Schwingungen der Quellen proportional zu \(\cos(\omega t+\phi_j)\) sind. Ein positives \(\delta\) bedeutet somit, dass die Phase von Stab 2 der von Stab 1 voreilt.
Für einen weit entfernten Empfänger in Richtung \(\hat{\mathbf n}\) erfüllen die Weglängen die Beziehung \[ r_2-r_1\simeq-\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d. \] Folglich beträgt die Phasendifferenz zwischen den empfangenen Wellen \[ \Delta(\hat{\mathbf n}) =\delta-k(r_2-r_1) =\delta+k\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d, \qquad k=\frac{2\pi}{\lambda}. \]
Wenn jeder Stab für sich an diesem Empfänger die Intensität \(I_0\) erzeugt, ergibt die Überlagerung \[ I=2I_0(1+\cos\Delta) =4I_0\cos^2\!\left(\frac{\Delta}{2}\right). \] Ein Maximum erfordert daher \(\Delta=2m\pi\), während vollständige Auslöschung \(\Delta=(2n+1)\pi\) erfordert.
Für ein Maximum bei A und vollständige Auslöschung bei B gilt \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d=2m\pi, \] \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=(2n+1)\pi. \] Durch Subtraktion wird die einstellbare elektrische Phase eliminiert: \[ k(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d =\text{ein ungeradzahliges Vielfaches von }\pi. \] Somit gilt \[ \left|(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d\right| \geq\frac{\lambda}{2}. \]
Da der Winkel zwischen den beiden Einheitsvektoren \(\alpha\) beträgt, gilt \[ \left|\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\right| =\sqrt{2-2\cos\alpha} =2\sin\frac{\alpha}{2}. \] Der Betrag eines Skalarprodukts kann das Produkt der Vektorbeträge nicht überschreiten, also gilt \[ 2d\sin\frac{\alpha}{2}\geq\frac{\lambda}{2}. \] Daraus folgt \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \]
Gleichheit wird erreicht, wenn \(\mathbf d\) parallel zu \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) ist. Außerdem gilt \[ (\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B) \cdot(\hat{\mathbf n}_A+\hat{\mathbf n}_B)=0. \] Da die Summe entlang der inneren Winkelhalbierenden zeigt, steht die gesuchte Verbindungslinie der Stäbe senkrecht auf dieser Winkelhalbierenden.
Wir wählen die Richtung von Stab 1 zu Stab 2 entlang \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\). Beim minimalen Abstand gilt \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d_{\min}\sin\frac{\alpha}{2} =\frac{\lambda}{4}, \qquad \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=-\frac{\lambda}{4}. \] Die Phasendifferenzen der empfangenen Wellen betragen daher \[ \Delta_A=\delta+\frac{\pi}{2}, \qquad \Delta_B=\delta-\frac{\pi}{2}. \]
Für maximalen Empfang bei A wählen wir \[ \boxed{\delta=-\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] Dann gilt wie gefordert \(\Delta_A=0\) und \(\Delta_B=-\pi\).
Für maximalen Empfang bei B wählen wir \[ \boxed{\delta=+\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] Dann gilt \(\Delta_B=0\) und \(\Delta_A=\pi\). Das Umschalten zwischen den beiden Betriebsarten erfordert daher eine Änderung der relativen elektrischen Phase um \(180^\circ\).
b)
Der Winkelabstand der Städte beträgt \[ \alpha=157^\circ-72^\circ=85^\circ. \] Mit \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) beträgt die Wellenlänge \[ \lambda=\frac{c}{f} =\frac{3.00\times10^8}{27\times10^6} \simeq11.1\ \mathrm m. \] Damit ergibt sich \[ d_{\min} =\frac{11.1}{4\sin42.5^\circ}\ \mathrm m \simeq4.11\ \mathrm m, \] oder näherungsweise \[ \boxed{d_{\min}=4.1\ \mathrm m}. \]
Die innere Winkelhalbierende hat den Richtungswinkel \[ \frac{72^\circ+157^\circ}{2}=114.5^\circ. \] Die dazu senkrechte Verbindungslinie der Stäbe hat folglich den Richtungswinkel \[ 114.5^\circ-90^\circ=24.5^\circ, \] wobei die entgegengesetzte Richtung bei \(204.5^\circ\) liegt.
Wir bezeichnen den südwestlichen Stab mit 1 und den nordöstlichen Stab mit 2. Die Projektionen in Richtung der Städte betragen \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d\cos(72^\circ-24.5^\circ) =d\sin42.5^\circ=\frac{\lambda}{4}, \] \[ \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d =d\cos(157^\circ-24.5^\circ) =-\frac{\lambda}{4}. \] Somit lauten die Phaseneinstellungen:
| Gewünschter Empfang | Phase des nordöstlichen Stabes relativ zum südwestlichen Stab |
|---|---|
| Koper maximal; Buje null | Eilt um \(90^\circ\) nach |
| Buje maximal; Koper null | Eilt um \(90^\circ\) vor |
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1985 · Teori sorusu 1
Bir radyo bağlantısı için anten dizisi
Genç bir radyo amatörü, iki ayrı kasabada yaşayan iki kızla radyo bağlantısı kurmaktadır. Anten dizisini, A kasabasında yaşayan kız en güçlü sinyali alırken B kasabasında yaşayan kız hiç sinyal almayacak ve bunun tersi de mümkün olacak şekilde yerleştirir. Dizi, yatay düzlemde her yönde düzgün olarak ve eşit şiddette yayın yapan iki düşey çubuk antenden oluşmaktadır.
a) Çubuklar arasındaki uzaklık en küçük olacak şekilde dizinin parametrelerini, yani çubuklar arasındaki uzaklığı, dizinin yönelimini ve çubuklara uygulanan elektriksel sinyaller arasındaki faz farkını bulunuz.
b) Gencin 27 MHz frekansında yayın yapan bir radyo istasyonu varsa ve anten dizisini Portorož'da kuruyorsa sayısal çözümü bulunuz. Genç, haritayı kullanarak kuzey ile A (Koper) ve B (Istria'daki küçük Buje kasabası) doğrultuları arasındaki açıların sırasıyla \(72^\circ\) ve \(157^\circ\) olduğunu bulmuştur.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
a) Diziden bakıldığında kasabalar arasındaki açısal ayrım \(\alpha\), dalga boyu ise \(\lambda\) olsun. En küçük aralık \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \] Çubukları birleştiren doğru, iki kasaba doğrultusunun iç açıortayına dik olmalıdır. Birim vektörler kasabalara doğru yönelmiş olmak üzere, çubukları, 2 numaralı çubuk 1 numaralı çubuğa göre \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) yönünde bulunacak şekilde numaralandırın. A'nın en güçlü sinyali alması ve B'nin hiç sinyal almaması için 2 numaralı çubuğun fazı 1 numaralı çubuğun fazından \(90^\circ\) geride olmalıdır; tersi için ise \(90^\circ\) ileride olmalıdır.
-
b) Açısal ayrım \(85^\circ\) olduğundan \[ \boxed{d_{\min}\approx4.1\ \mathrm m}. \] Çubukları birleştiren doğrunun kuzeyden saat yönünde ölçülen yön açıları \[ \boxed{24.5^\circ\ \text{ve}\ 204.5^\circ} \] olur. Koper'de en güçlü sinyalin alınması ve Buje'de hiç sinyal alınmaması için kuzeydoğudaki çubuğun fazı, güneybatıdaki çubuğun fazından \(90^\circ\) geride olmalıdır; faz ilişkisini tersine çevirmek bu iki durumu yer değiştirir.
Çözüm
a)
Çubuklardan gelen sinyaller eşevrelidir, frekansları aynıdır ve düşey kutuplanmaları birbiriyle uyumludur. Uzak alan yaklaşımını kullanıyoruz: Kasabaların diziye olan uzaklıkları çubuklar arasındaki aralıktan çok daha büyük olduğundan, her bir kasabaya ulaşan dalgaların genlikleri eşittir ve yayılma yönleri pratik olarak paraleldir.
1 numaralı çubuktan 2 numaralı çubuğa yatay yer değiştirme vektörü \(\mathbf d\), büyüklüğü ise \(d\) olsun. Elektriksel faz farkını \[ \delta=\phi_2-\phi_1, \] olarak tanımlayalım; burada kaynak salınımları \(\cos(\omega t+\phi_j)\) ile orantılıdır. Dolayısıyla pozitif \(\delta\), 2 numaralı çubuğun fazının 1 numaralı çubuğun fazından ileride olduğu anlamına gelir.
\(\hat{\mathbf n}\) yönündeki uzak bir alıcı için yol uzunlukları \[ r_2-r_1\simeq-\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d \] bağıntısını sağlar. Buna göre, alınan dalgalar arasındaki faz farkı \[ \Delta(\hat{\mathbf n}) =\delta-k(r_2-r_1) =\delta+k\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d, \qquad k=\frac{2\pi}{\lambda} \] olur.
Çubuklardan herhangi biri tek başına bu alıcıda \(I_0\) şiddeti oluşturuyorsa, süperpozisyon ilkesi \[ I=2I_0(1+\cos\Delta) =4I_0\cos^2\!\left(\frac{\Delta}{2}\right) \] sonucunu verir. Dolayısıyla maksimum için \(\Delta=2m\pi\), sıfır şiddet için ise \(\Delta=(2n+1)\pi\) gerekir.
A'da maksimum, B'de ise sıfır şiddet için \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d=2m\pi, \] \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=(2n+1)\pi. \] İki denklemi birbirinden çıkarmak, ayarlanabilir elektriksel faz farkını ortadan kaldırır: \[ k(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d =\text{bir tek tam sayı ile çarpılmış }\pi. \] Dolayısıyla \[ \left|(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d\right| \geq\frac{\lambda}{2}. \]
İki birim vektör arasındaki açı \(\alpha\) olduğundan, \[ \left|\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\right| =\sqrt{2-2\cos\alpha} =2\sin\frac{\alpha}{2}. \] Bir skaler çarpımın mutlak değeri, vektörlerin büyüklüklerinin çarpımını aşamaz; bu nedenle \[ 2d\sin\frac{\alpha}{2}\geq\frac{\lambda}{2}. \] Buradan \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}} \] elde edilir.
Eşitlik, \(\mathbf d\) vektörü \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) vektörüne paralel olduğunda sağlanır. Ayrıca, \[ (\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B) \cdot(\hat{\mathbf n}_A+\hat{\mathbf n}_B)=0. \] Toplam vektör iç açıortay boyunca yöneldiğinden, çubukları birleştiren doğrunun bu açıortaya dik olması gerekir.
1 numaralı çubuktan 2 numaralı çubuğa olan yönü \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) boyunca seçelim. En küçük aralıkta, \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d_{\min}\sin\frac{\alpha}{2} =\frac{\lambda}{4}, \qquad \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=-\frac{\lambda}{4}. \] Böylece alınan dalgaların faz farkları \[ \Delta_A=\delta+\frac{\pi}{2}, \qquad \Delta_B=\delta-\frac{\pi}{2} \] olur.
A'da en güçlü sinyalin alınması için \[ \boxed{\delta=-\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}} \] seçilir. Bu durumda, gerektiği gibi \(\Delta_A=0\) ve \(\Delta_B=-\pi\) olur.
B'de en güçlü sinyalin alınması için \[ \boxed{\delta=+\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}} \] seçilir. Bu durumda \(\Delta_B=0\) ve \(\Delta_A=\pi\) olur. Dolayısıyla iki çalışma modu arasında geçiş yapmak, bağıl elektriksel fazda \(180^\circ\) değişiklik gerektirir.
b)
Kasabalar arasındaki açısal ayrım \[ \alpha=157^\circ-72^\circ=85^\circ \] olur. \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) kullanıldığında dalga boyu \[ \lambda=\frac{c}{f} =\frac{3.00\times10^8}{27\times10^6} \simeq11.1\ \mathrm m \] bulunur. Dolayısıyla, \[ d_{\min} =\frac{11.1}{4\sin42.5^\circ}\ \mathrm m \simeq4.11\ \mathrm m, \] ya da yaklaşık olarak \[ \boxed{d_{\min}=4.1\ \mathrm m}. \]
İç açıortayın yön açısı \[ \frac{72^\circ+157^\circ}{2}=114.5^\circ \] olur. Buna dik olan, çubukları birleştiren doğrunun yön açısı dolayısıyla \[ 114.5^\circ-90^\circ=24.5^\circ, \] olup zıt yönün açısı \(204.5^\circ\)'dir.
Güneybatıdaki çubuğu 1, kuzeydoğudaki çubuğu 2 olarak numaralandıralım. Kasabalar yönündeki izdüşümler \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d\cos(72^\circ-24.5^\circ) =d\sin42.5^\circ=\frac{\lambda}{4}, \] \[ \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d =d\cos(157^\circ-24.5^\circ) =-\frac{\lambda}{4} \] olur. Dolayısıyla faz ayarları şöyledir:
| İstenen sinyal alımı | Kuzeydoğudaki çubuğun güneybatıdaki çubuğa göre fazı |
|---|---|
| Koper'de maksimum; Buje'de sıfır | \(90^\circ\) geride |
| Buje'de maksimum; Koper'de sıfır | \(90^\circ\) ileride |
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1985 · Problema teórico 1
Conjunto de antenas para un enlace de radio
Un joven radioaficionado mantiene un enlace de radio con dos chicas que viven en dos localidades. Coloca un conjunto de antenas de modo que, cuando la chica que vive en la localidad A recibe una señal máxima, la chica que vive en la localidad B no recibe señal, y viceversa. El conjunto está formado por dos antenas de varilla verticales que transmiten con igual intensidad y de manera uniforme en todas las direcciones del plano horizontal.
a) Determine los parámetros del conjunto, es decir, la distancia entre las varillas, su orientación y el desfase entre las señales eléctricas suministradas a las varillas, de modo que la distancia entre estas sea mínima.
b) Obtenga la solución numérica si el joven dispone de una estación de radio que transmite a 27 MHz e instala el conjunto de antenas en Portorož. Utilizando el mapa, ha determinado que los ángulos entre el norte y las direcciones de A (Koper) y B (la pequeña localidad de Buje, en Istria) son \(72^\circ\) y \(157^\circ\), respectivamente.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
a) Sea \(\alpha\) la separación angular entre las localidades vistas desde el conjunto de antenas, y sea \(\lambda\) la longitud de onda. La separación mínima es \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \] La recta que une las varillas debe ser perpendicular a la bisectriz interior de las dos direcciones hacia las localidades. Numere las varillas de modo que la varilla 2 se encuentre en la dirección de \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) desde la varilla 1, donde los vectores unitarios apuntan hacia las localidades. La varilla 2 debe estar retrasada \(90^\circ\) respecto a la varilla 1 para que A reciba un máximo y B una señal nula; debe estar adelantada \(90^\circ\) para que ocurra lo contrario.
-
b) La separación angular es \(85^\circ\), lo que da \[ \boxed{d_{\min}\approx4.1\ \mathrm m}. \] La recta que une las varillas tiene los acimutes \[ \boxed{24.5^\circ\ \text{y}\ 204.5^\circ} \] medidos en sentido horario desde el norte. La varilla situada al noreste debe estar retrasada \(90^\circ\) respecto a la situada al suroeste para obtener una recepción máxima en Koper y nula en Buje; al invertir la relación de fase se intercambian ambas situaciones.
Solución
a)
Las señales de las varillas son coherentes, tienen la misma frecuencia y presentan la misma polarización vertical. Utilizamos la aproximación de campo lejano: las localidades están mucho más lejos del conjunto de antenas que la separación entre las varillas, de modo que las ondas que llegan a cualquiera de las localidades tienen amplitudes iguales y direcciones de propagación prácticamente paralelas.
Sea \(\mathbf d\) el desplazamiento horizontal desde la varilla 1 hasta la varilla 2, de módulo \(d\). Definimos la diferencia de fase eléctrica mediante \[ \delta=\phi_2-\phi_1, \] donde las oscilaciones de las fuentes son proporcionales a \(\cos(\omega t+\phi_j)\). Por tanto, un valor positivo de \(\delta\) significa que la varilla 2 está adelantada respecto a la varilla 1.
Para un receptor lejano situado en la dirección \(\hat{\mathbf n}\), las longitudes de los trayectos satisfacen \[ r_2-r_1\simeq-\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d. \] En consecuencia, la diferencia de fase entre las ondas recibidas es \[ \Delta(\hat{\mathbf n}) =\delta-k(r_2-r_1) =\delta+k\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d, \qquad k=\frac{2\pi}{\lambda}. \]
Si cualquiera de las varillas por sí sola produce una intensidad \(I_0\) en ese receptor, la superposición da \[ I=2I_0(1+\cos\Delta) =4I_0\cos^2\!\left(\frac{\Delta}{2}\right). \] Por tanto, un máximo requiere \(\Delta=2m\pi\), mientras que una señal nula requiere \(\Delta=(2n+1)\pi\).
Para obtener un máximo en A y una señal nula en B, \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d=2m\pi, \] \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=(2n+1)\pi. \] Al restar, se elimina la fase eléctrica ajustable: \[ k(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d =\text{un múltiplo impar de }\pi. \] Así, \[ \left|(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d\right| \geq\frac{\lambda}{2}. \]
Como el ángulo entre los dos vectores unitarios es \(\alpha\), \[ \left|\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\right| =\sqrt{2-2\cos\alpha} =2\sin\frac{\alpha}{2}. \] El valor absoluto de un producto escalar no puede superar el producto de los módulos de los vectores, por lo que \[ 2d\sin\frac{\alpha}{2}\geq\frac{\lambda}{2}. \] Se deduce que \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \]
La igualdad se alcanza cuando \(\mathbf d\) es paralelo a \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\). Además, \[ (\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B) \cdot(\hat{\mathbf n}_A+\hat{\mathbf n}_B)=0. \] Como la suma apunta a lo largo de la bisectriz interior del ángulo, la recta que une las varillas debe ser perpendicular a dicha bisectriz.
Elijamos la dirección desde la varilla 1 hasta la varilla 2 en el sentido de \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\). Para la separación mínima, \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d_{\min}\sin\frac{\alpha}{2} =\frac{\lambda}{4}, \qquad \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=-\frac{\lambda}{4}. \] Por tanto, las diferencias de fase de las ondas recibidas son \[ \Delta_A=\delta+\frac{\pi}{2}, \qquad \Delta_B=\delta-\frac{\pi}{2}. \]
Para obtener una recepción máxima en A, elegimos \[ \boxed{\delta=-\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] Entonces \(\Delta_A=0\) y \(\Delta_B=-\pi\), como se requiere.
Para obtener una recepción máxima en B, elegimos \[ \boxed{\delta=+\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] Entonces \(\Delta_B=0\) y \(\Delta_A=\pi\). Por tanto, pasar de un modo de funcionamiento al otro requiere un cambio de \(180^\circ\) en la fase eléctrica relativa.
b)
La separación angular entre las localidades es \[ \alpha=157^\circ-72^\circ=85^\circ. \] Utilizando \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), la longitud de onda es \[ \lambda=\frac{c}{f} =\frac{3.00\times10^8}{27\times10^6} \simeq11.1\ \mathrm m. \] Por tanto, \[ d_{\min} =\frac{11.1}{4\sin42.5^\circ}\ \mathrm m \simeq4.11\ \mathrm m, \] o, aproximadamente, \[ \boxed{d_{\min}=4.1\ \mathrm m}. \]
La bisectriz interior tiene el acimut \[ \frac{72^\circ+157^\circ}{2}=114.5^\circ. \] En consecuencia, la recta perpendicular que une las varillas tiene el acimut \[ 114.5^\circ-90^\circ=24.5^\circ, \] con la dirección opuesta a \(204.5^\circ\).
Numeremos la varilla situada al suroeste como 1 y la situada al noreste como 2. Las proyecciones hacia las localidades son \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d\cos(72^\circ-24.5^\circ) =d\sin42.5^\circ=\frac{\lambda}{4}, \] \[ \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d =d\cos(157^\circ-24.5^\circ) =-\frac{\lambda}{4}. \] Así, los ajustes de fase son:
| Recepción deseada | Fase de la varilla situada al noreste respecto a la situada al suroeste |
|---|---|
| Máxima en Koper; nula en Buje | Retrasada \(90^\circ\) |
| Máxima en Buje; nula en Koper | Adelantada \(90^\circ\) |
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1985 · 理论题 1
无线电通信天线阵列
一位年轻的业余无线电爱好者与住在两个城镇的两位女孩保持无线电通信。他布置了一个天线阵列,使得住在 A 镇的女孩接收到最强信号时,住在 B 镇的女孩接收不到信号,反之亦然。该阵列由两根竖直的杆状天线组成,两根天线以相同的强度在水平面内向各个方向均匀辐射。
a) 求该阵列的参数,即两根天线之间的距离、阵列的取向以及馈入两根天线的电信号之间的相位差,使两根天线之间的距离最小。
b) 如果这位男孩拥有一台发射频率为 27 MHz 的无线电台,并在波尔托罗日搭建该天线阵列,求数值解。他通过地图查得,正北方向与 A 镇(科佩尔)方向及 B 镇(伊斯特拉半岛上的小镇布耶)方向之间的夹角分别为 \(72^\circ\) 和 \(157^\circ\)。
题目译自官方英文原文。
答案
-
a) 设从阵列处观察,两镇方向之间的夹角为 \(\alpha\),波长为 \(\lambda\)。最小间距为 \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \] 两根天线的连线必须垂直于两镇方向夹角的内角平分线。将两根天线编号,使天线 2 位于从天线 1 沿 \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) 方向的位置,其中两个单位矢量分别指向两镇。要使 A 镇接收到最强信号而 B 镇接收不到信号,天线 2 的相位必须比天线 1 滞后 \(90^\circ\);要实现相反的情况,其相位必须超前 \(90^\circ\)。
-
b) 两镇方向之间的夹角为 \(85^\circ\),由此得到 \[ \boxed{d_{\min}\approx4.1\ \mathrm m}. \] 两根天线连线的方位角为 \[ \boxed{24.5^\circ\ \text{和}\ 204.5^\circ} \] 方位角从正北方向起沿顺时针方向测量。要使科佩尔接收到最强信号而布耶接收不到信号,东北侧天线的相位必须比西南侧天线滞后 \(90^\circ\);将相位关系反转,即可使两地的接收情况互换。
解答
a)
两根天线发出的信号是相干的,频率相同,且均为相同的竖直偏振。我们采用远场近似:两镇到阵列的距离远大于天线间距,因此到达任一城镇的两列波具有相同的振幅,传播方向可视为平行。
设从天线 1 到天线 2 的水平位移为 \(\mathbf d\),其大小为 \(d\)。将电信号的相位差定义为 \[ \delta=\phi_2-\phi_1, \] 其中波源的振荡与 \(\cos(\omega t+\phi_j)\) 成正比。因此,\(\delta\) 为正表示天线 2 的相位超前于天线 1。
对于位于 \(\hat{\mathbf n}\) 方向的远处接收器,传播路径长度满足 \[ r_2-r_1\simeq-\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d. \] 因此,接收到的两列波之间的相位差为 \[ \Delta(\hat{\mathbf n}) =\delta-k(r_2-r_1) =\delta+k\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d, \qquad k=\frac{2\pi}{\lambda}. \]
若任一根天线单独在该接收器处产生的强度为 \(I_0\),则叠加后有 \[ I=2I_0(1+\cos\Delta) =4I_0\cos^2\!\left(\frac{\Delta}{2}\right). \] 因此,强度最大要求 \(\Delta=2m\pi\),而强度为零要求 \(\Delta=(2n+1)\pi\)。
要使 A 处强度最大、B 处强度为零,需满足 \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d=2m\pi, \] \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=(2n+1)\pi. \] 两式相减,消去可调的电信号相位差: \[ k(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d =\text{奇数倍的 }\pi. \] 因此 \[ \left|(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d\right| \geq\frac{\lambda}{2}. \]
由于两个单位矢量之间的夹角为 \(\alpha\), \[ \left|\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\right| =\sqrt{2-2\cos\alpha} =2\sin\frac{\alpha}{2}. \] 标量积的绝对值不可能超过两个矢量模长的乘积,因此 \[ 2d\sin\frac{\alpha}{2}\geq\frac{\lambda}{2}. \] 由此可得 \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \]
当 \(\mathbf d\) 平行于 \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) 时,等号成立。此外, \[ (\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B) \cdot(\hat{\mathbf n}_A+\hat{\mathbf n}_B)=0. \] 由于两矢量之和沿着内角平分线方向,所需的两根天线连线垂直于该角平分线。
选取从天线 1 到天线 2 的方向为 \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) 的方向。在最小间距下, \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d_{\min}\sin\frac{\alpha}{2} =\frac{\lambda}{4}, \qquad \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=-\frac{\lambda}{4}. \] 因此,接收波的相位差为 \[ \Delta_A=\delta+\frac{\pi}{2}, \qquad \Delta_B=\delta-\frac{\pi}{2}. \]
要使 A 处接收到最强信号,选取 \[ \boxed{\delta=-\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] 此时 \(\Delta_A=0\),\(\Delta_B=-\pi\),符合要求。
要使 B 处接收到最强信号,选取 \[ \boxed{\delta=+\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] 此时 \(\Delta_B=0\),\(\Delta_A=\pi\)。因此,在两种工作模式之间切换,需要将电信号的相对相位改变 \(180^\circ\)。
b)
两镇方向之间的夹角为 \[ \alpha=157^\circ-72^\circ=85^\circ. \] 取 \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\),波长为 \[ \lambda=\frac{c}{f} =\frac{3.00\times10^8}{27\times10^6} \simeq11.1\ \mathrm m. \] 因此, \[ d_{\min} =\frac{11.1}{4\sin42.5^\circ}\ \mathrm m \simeq4.11\ \mathrm m, \] 即近似为 \[ \boxed{d_{\min}=4.1\ \mathrm m}. \]
内角平分线的方位角为 \[ \frac{72^\circ+157^\circ}{2}=114.5^\circ. \] 因此,与之垂直的两根天线连线的方位角为 \[ 114.5^\circ-90^\circ=24.5^\circ, \] 其反方向的方位角为 \(204.5^\circ\)。
将西南侧天线编号为 1,东北侧天线编号为 2。位移在两镇方向上的投影为 \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d\cos(72^\circ-24.5^\circ) =d\sin42.5^\circ=\frac{\lambda}{4}, \] \[ \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d =d\cos(157^\circ-24.5^\circ) =-\frac{\lambda}{4}. \] 因此,相位设置如下:
| 所需的接收情况 | 东北侧天线相对于西南侧天线的相位 |
|---|---|
| 科佩尔最强;布耶为零 | 滞后 \(90^\circ\) |
| 布耶最强;科佩尔为零 | 超前 \(90^\circ\) |
解答已与官方解答核对。
IPhO 1985 · Теоретическая задача 1
Антенная решётка для радиосвязи
Юный радиолюбитель поддерживает радиосвязь с двумя девушками, живущими в двух городах. Он располагает антенную решётку так, чтобы, когда девушка, живущая в городе A, принимает сигнал максимальной интенсивности, девушка, живущая в городе B, не принимает сигнала, и наоборот. Решётка состоит из двух вертикальных штыревых антенн, излучающих с одинаковой интенсивностью равномерно во всех направлениях в горизонтальной плоскости.
a) Найдите параметры решётки, то есть расстояние между штырями, её ориентацию и сдвиг фаз между электрическими сигналами, подаваемыми на штыри, при которых расстояние между штырями минимально.
b) Найдите численное решение, если у юноши есть радиостанция, работающая на частоте 27 МГц, и он устанавливает антенную решётку в Портороже. По карте он определил, что углы между направлением на север и направлениями на A (Копер) и на B (небольшой город Буе в Истрии) равны соответственно \(72^\circ\) и \(157^\circ\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
a) Пусть \(\alpha\) — угол между направлениями на города из места расположения решётки, а \(\lambda\) — длина волны. Минимальное расстояние равно \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \] Прямая, соединяющая штыри, должна быть перпендикулярна биссектрисе внутреннего угла между направлениями на два города. Пронумеруем штыри так, чтобы штырь 2 находился относительно штыря 1 в направлении \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\), где единичные векторы направлены к городам. Для получения максимума сигнала в A и нулевого сигнала в B колебания штыря 2 должны отставать по фазе от колебаний штыря 1 на \(90^\circ\); для обратного случая они должны опережать их по фазе на \(90^\circ\).
-
b) Угол между направлениями равен \(85^\circ\), откуда \[ \boxed{d_{\min}\approx4.1\ \mathrm m}. \] Прямая, соединяющая штыри, имеет азимуты \[ \boxed{24.5^\circ\ \text{и}\ 204.5^\circ} \] отсчитываемые по часовой стрелке от направления на север. Для максимального приёма в Копере и нулевого приёма в Буе колебания северо-восточного штыря должны отставать по фазе от колебаний юго-западного штыря на \(90^\circ\); изменение знака разности фаз меняет эти условия приёма местами.
Решение
a)
Сигналы от штырей когерентны, имеют одинаковую частоту и одинаковую вертикальную поляризацию. Используем приближение дальней зоны: расстояния от решётки до городов намного больше расстояния между штырями, поэтому волны, приходящие в каждый из городов, имеют равные амплитуды и практически параллельные направления распространения.
Обозначим горизонтальный вектор перемещения от штыря 1 к штырю 2 через \(\mathbf d\), а его модуль — через \(d\). Определим разность фаз электрических сигналов как \[ \delta=\phi_2-\phi_1, \] где колебания источников пропорциональны \(\cos(\omega t+\phi_j)\). Таким образом, положительное значение \(\delta\) означает, что колебания штыря 2 опережают по фазе колебания штыря 1.
Для удалённого приёмника в направлении \(\hat{\mathbf n}\) длины путей удовлетворяют соотношению \[ r_2-r_1\simeq-\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d. \] Следовательно, разность фаз принимаемых волн равна \[ \Delta(\hat{\mathbf n}) =\delta-k(r_2-r_1) =\delta+k\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d, \qquad k=\frac{2\pi}{\lambda}. \]
Если каждый штырь по отдельности создаёт в месте расположения этого приёмника интенсивность \(I_0\), то по принципу суперпозиции \[ I=2I_0(1+\cos\Delta) =4I_0\cos^2\!\left(\frac{\Delta}{2}\right). \] Поэтому условие максимума имеет вид \(\Delta=2m\pi\), а условие нулевого сигнала — \(\Delta=(2n+1)\pi\).
Для максимума в A и нулевого сигнала в B \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d=2m\pi, \] \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=(2n+1)\pi. \] Вычитание исключает регулируемую разность фаз электрических сигналов: \[ k(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d =\text{нечётное кратное }\pi. \] Таким образом, \[ \left|(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d\right| \geq\frac{\lambda}{2}. \]
Поскольку угол между двумя единичными векторами равен \(\alpha\), \[ \left|\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\right| =\sqrt{2-2\cos\alpha} =2\sin\frac{\alpha}{2}. \] Модуль скалярного произведения не может превышать произведение модулей векторов, поэтому \[ 2d\sin\frac{\alpha}{2}\geq\frac{\lambda}{2}. \] Отсюда следует, что \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \]
Равенство достигается, когда \(\mathbf d\) параллелен \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\). Кроме того, \[ (\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B) \cdot(\hat{\mathbf n}_A+\hat{\mathbf n}_B)=0. \] Поскольку сумма направлена вдоль биссектрисы внутреннего угла, искомая прямая, соединяющая штыри, перпендикулярна этой биссектрисе.
Выберем направление от штыря 1 к штырю 2 вдоль \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\). При минимальном расстоянии \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d_{\min}\sin\frac{\alpha}{2} =\frac{\lambda}{4}, \qquad \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=-\frac{\lambda}{4}. \] Следовательно, разности фаз принимаемых волн равны \[ \Delta_A=\delta+\frac{\pi}{2}, \qquad \Delta_B=\delta-\frac{\pi}{2}. \]
Для максимального приёма в A выберем \[ \boxed{\delta=-\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] Тогда \(\Delta_A=0\) и \(\Delta_B=-\pi\), как и требуется.
Для максимального приёма в B выберем \[ \boxed{\delta=+\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] Тогда \(\Delta_B=0\) и \(\Delta_A=\pi\). Таким образом, для переключения между двумя режимами работы необходимо изменить разность фаз электрических сигналов на \(180^\circ\).
b)
Угол между направлениями на города равен \[ \alpha=157^\circ-72^\circ=85^\circ. \] Используя \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), получаем длину волны \[ \lambda=\frac{c}{f} =\frac{3.00\times10^8}{27\times10^6} \simeq11.1\ \mathrm m. \] Следовательно, \[ d_{\min} =\frac{11.1}{4\sin42.5^\circ}\ \mathrm m \simeq4.11\ \mathrm m, \] или приближённо \[ \boxed{d_{\min}=4.1\ \mathrm m}. \]
Биссектриса внутреннего угла имеет азимут \[ \frac{72^\circ+157^\circ}{2}=114.5^\circ. \] Следовательно, перпендикулярная ей прямая, соединяющая штыри, имеет азимут \[ 114.5^\circ-90^\circ=24.5^\circ, \] а противоположное направление имеет азимут \(204.5^\circ\).
Обозначим юго-западный штырь номером 1, а северо-восточный — номером 2. Проекции на направления к городам равны \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d\cos(72^\circ-24.5^\circ) =d\sin42.5^\circ=\frac{\lambda}{4}, \] \[ \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d =d\cos(157^\circ-24.5^\circ) =-\frac{\lambda}{4}. \] Таким образом, требуются следующие настройки фаз:
| Требуемый приём | Фаза колебаний северо-восточного штыря относительно юго-западного |
|---|---|
| Максимум в Копере; нулевой сигнал в Буе | Отставание на \(90^\circ\) |
| Максимум в Буе; нулевой сигнал в Копере | Опережение на \(90^\circ\) |
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1985 · مسألة نظرية 1
مصفوفة هوائيات لوصلة راديوية
يقيم شاب من هواة الراديو وصلة راديوية مع فتاتين تعيشان في بلدتين. ويضع مصفوفة هوائيات بحيث تتلقى الفتاة التي تعيش في البلدة A إشارة عظمى، في حين لا تتلقى الفتاة التي تعيش في البلدة B أي إشارة، والعكس صحيح. تتكون المصفوفة من هوائيين قضيبيين رأسيين يرسلان بشدتين متساويتين وبانتظام في جميع الاتجاهات في المستوى الأفقي.
a) أوجد معلمات المصفوفة، أي المسافة بين القضيبين، واتجاهها، وفرق الطور بين الإشارتين الكهربائيتين المغذيتين للقضيبين، بحيث تكون المسافة بين القضيبين أصغر ما يمكن.
b) أوجد الحل العددي إذا كان لدى الشاب محطة راديوية ترسل بتردد 27 MHz، وكان يقيم مصفوفة الهوائيات في بورتوروج. وقد وجد باستخدام الخريطة أن الزاويتين بين اتجاه الشمال واتجاه كل من A (كوبر) وB (بلدة بويه الصغيرة في إستريا) هما \(72^\circ\) و\(157^\circ\)، على الترتيب.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
a) لتكن \(\alpha\) الزاوية الفاصلة بين اتجاهي البلدتين كما تُرى من المصفوفة، ولتكن \(\lambda\) الطول الموجي. تكون المسافة الدنيا بين القضيبين \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \] يجب أن يكون الخط الواصل بين القضيبين عموديًا على المنصف الداخلي للزاوية بين اتجاهي البلدتين. رقّم القضيبين بحيث يقع القضيب 2 في اتجاه \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\) انطلاقًا من القضيب 1، حيث يشير متجها الوحدة نحو البلدتين. يجب أن يتأخر القضيب 2 عن القضيب 1 في الطور بمقدار \(90^\circ\) لكي تتلقى A إشارة عظمى وتنعدم الإشارة عند B؛ ويجب أن يتقدم في الطور بمقدار \(90^\circ\) لتحقيق العكس.
-
b) الزاوية الفاصلة هي \(85^\circ\)، ومن ثم \[ \boxed{d_{\min}\approx4.1\ \mathrm m}. \] سمتا الخط الواصل بين القضيبين هما \[ \boxed{24.5^\circ\ \text{و}\ 204.5^\circ} \] مقيسان في اتجاه عقارب الساعة انطلاقًا من الشمال. يجب أن يتأخر القضيب الشمالي الشرقي في الطور عن القضيب الجنوبي الغربي بمقدار \(90^\circ\) للحصول على استقبال أعظمي في كوبر وانعدام الاستقبال في بويه؛ وعكس علاقة الطور يبادل بين الحالتين.
الحل
a)
الإشارتان الصادرتان عن القضيبين مترابطتان، ولهما التردد نفسه واستقطابان رأسيان متطابقان. نستخدم تقريب المجال البعيد: فبعد البلدتين عن المصفوفة أكبر بكثير من المسافة بين القضيبين، ولذلك تكون للموجات الواصلة إلى أي من البلدتين سعتان متساويتان واتجاها انتشار متوازيان عمليًا.
لتكن الإزاحة الأفقية من القضيب 1 إلى القضيب 2 هي \(\mathbf d\)، ومقدارها \(d\). نعرّف فرق الطور الكهربائي بالعلاقة \[ \delta=\phi_2-\phi_1, \] حيث تتناسب اهتزازات المصدرين مع \(\cos(\omega t+\phi_j)\). ومن ثم فإن كون \(\delta\) موجبًا يعني أن القضيب 2 يتقدم في الطور على القضيب 1.
بالنسبة إلى مستقبل بعيد في الاتجاه \(\hat{\mathbf n}\)، يحقق طولا المسارين العلاقة \[ r_2-r_1\simeq-\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d. \] وبالتالي، يكون فرق الطور بين الموجتين المستقبَلتين \[ \Delta(\hat{\mathbf n}) =\delta-k(r_2-r_1) =\delta+k\hat{\mathbf n}\cdot\mathbf d, \qquad k=\frac{2\pi}{\lambda}. \]
إذا كان كل قضيب بمفرده يولّد شدة \(I_0\) عند ذلك المستقبل، فإن مبدأ التراكب يعطي \[ I=2I_0(1+\cos\Delta) =4I_0\cos^2\!\left(\frac{\Delta}{2}\right). \] ولذلك تتطلب الشدة العظمى أن يكون \(\Delta=2m\pi\)، في حين يتطلب انعدام الشدة أن يكون \(\Delta=(2n+1)\pi\).
للحصول على شدة عظمى عند A وشدة معدومة عند B، \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d=2m\pi, \] \[ \delta+k\hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=(2n+1)\pi. \] بطرح المعادلتين يُحذف فرق الطور الكهربائي القابل للضبط: \[ k(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d =\text{مضاعف فردي للعدد }\pi. \] إذن \[ \left|(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B)\cdot\mathbf d\right| \geq\frac{\lambda}{2}. \]
بما أن الزاوية بين متجهي الوحدة هي \(\alpha\)، فإن \[ \left|\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\right| =\sqrt{2-2\cos\alpha} =2\sin\frac{\alpha}{2}. \] لا يمكن أن تتجاوز القيمة المطلقة للجداء القياسي حاصل ضرب مقداري المتجهين، ولذلك \[ 2d\sin\frac{\alpha}{2}\geq\frac{\lambda}{2}. \] ويترتب على ذلك أن \[ \boxed{d_{\min}=\frac{\lambda}{4\sin(\alpha/2)}}. \]
تتحقق المساواة عندما يكون \(\mathbf d\) موازيًا للمتجه \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\). وعلاوة على ذلك، \[ (\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B) \cdot(\hat{\mathbf n}_A+\hat{\mathbf n}_B)=0. \] ولأن متجه المجموع يتجه على امتداد المنصف الداخلي للزاوية، فإن الخط المطلوب الواصل بين القضيبين يكون عموديًا على ذلك المنصف.
اختر الاتجاه من القضيب 1 إلى القضيب 2 في اتجاه \(\hat{\mathbf n}_A-\hat{\mathbf n}_B\). عند المسافة الدنيا، \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d_{\min}\sin\frac{\alpha}{2} =\frac{\lambda}{4}, \qquad \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d=-\frac{\lambda}{4}. \] ومن ثم يكون فرقا الطور عند الاستقبال \[ \Delta_A=\delta+\frac{\pi}{2}, \qquad \Delta_B=\delta-\frac{\pi}{2}. \]
للحصول على استقبال أعظمي عند A، اختر \[ \boxed{\delta=-\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] عندئذ يكون \(\Delta_A=0\) و\(\Delta_B=-\pi\)، كما هو مطلوب.
للحصول على استقبال أعظمي عند B، اختر \[ \boxed{\delta=+\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}}. \] عندئذ يكون \(\Delta_B=0\) و\(\Delta_A=\pi\). ولذلك يتطلب التبديل بين نمطي التشغيل تغييرًا مقداره \(180^\circ\) في فرق الطور الكهربائي.
b)
الزاوية الفاصلة بين اتجاهي البلدتين هي \[ \alpha=157^\circ-72^\circ=85^\circ. \] باستخدام \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)، يكون الطول الموجي \[ \lambda=\frac{c}{f} =\frac{3.00\times10^8}{27\times10^6} \simeq11.1\ \mathrm m. \] لذلك، \[ d_{\min} =\frac{11.1}{4\sin42.5^\circ}\ \mathrm m \simeq4.11\ \mathrm m, \] أو تقريبًا \[ \boxed{d_{\min}=4.1\ \mathrm m}. \]
سمت المنصف الداخلي هو \[ \frac{72^\circ+157^\circ}{2}=114.5^\circ. \] وبالتالي يكون سمت الخط الواصل بين القضيبين والعمودي على المنصف \[ 114.5^\circ-90^\circ=24.5^\circ, \] ويكون الاتجاه المعاكس عند \(204.5^\circ\).
سمِّ القضيب الجنوبي الغربي 1 والقضيب الشمالي الشرقي 2. يكون الإسقاطان في اتجاه البلدتين \[ \hat{\mathbf n}_A\cdot\mathbf d =d\cos(72^\circ-24.5^\circ) =d\sin42.5^\circ=\frac{\lambda}{4}, \] \[ \hat{\mathbf n}_B\cdot\mathbf d =d\cos(157^\circ-24.5^\circ) =-\frac{\lambda}{4}. \] إذن تكون إعدادات الطور كما يلي:
| الاستقبال المطلوب | طور القضيب الشمالي الشرقي بالنسبة إلى القضيب الجنوبي الغربي |
|---|---|
| أعظمي في كوبر؛ معدوم في بويه | يتأخر بمقدار \(90^\circ\) |
| أعظمي في بويه؛ معدوم في كوبر | يتقدم بمقدار \(90^\circ\) |
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.