Электродинамика и распространение радиоволн юдин. Электродинамика и распространение радиоволн

Транскрипт

1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра радиотехники ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Институт радиоэлектроники Специальность подготовки дипломированного специалиста: радиотехника Направление подготовки бакалавра: радиотехника Санкт-Петербург Издательство СЗТУ 009

2 Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК Электродинамика и распространение радиоволн: учебнометодический комплекс / сост. Л.Я. Родос, Д.А. Чистяков. СПб.: Изд-во СЗТУ, с. Учебно-методический комплекс (УМК) разработан в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования. В УМК рассмотрены вопросы теории электромагнитного поля, основные методы решения прикладных задач электродинамики применительно к распространению электромагнитных волн в направляющих системах и радиоволн на естественных трассах. УМК предназначен для студентов специальности, изучающих дисциплину «Электродинамика и распространение радиоволн», и бакалавров техники и технологии по направлению, изучающих эту же дисциплину. Рассмотрено на заседании кафедры радиотехники г., одобрено методической комиссией института радиоэлектроники г. Рецензенты: кафедра радиотехники СЗТУ (зав. кафедрой Г.И. Худяков, д-р техн. наук, проф.); В.С. Калашников, д-р техн. наук, проф., гл. науч. сотр. ВНИИРА. Составители: Л.Я. Родос, канд. техн. наук, доц.; Д.А. Чистяков, канд. техн. наук, доц. Северо-Западный государственный заочный технический университет, 008 Родос Л.Я., Чистяков Д.А., 008

3 1. Информация о дисциплине 1.1. Предисловие Электродинамика и распространение радиоволн (ЭД и РРВ) относится к дисциплинам общепрофессионального цикла. Ее объем по государственному образовательному стандарту (ГОСу) составляет 170 часов. Она включает в себя две взаимосвязанные части: часть 1 - собственно электродинамику (теоретическую электродинамику) и часть - распространение радиоволн (прикладную электродинамику). Данная дисциплина является базовой для современной радиотехники. Целью изучения дисциплины является приобретение студентами теоретических знаний и навыков решения задач в области теории электромагнитного поля, особенностей взаимодействия электромагнитных волн с различными физическими средами, распространения радиоволн вдоль направляющих систем и на естественных трассах. Задачи изучения дисциплины усвоение основных положений электродинамики и особенностей распространения радиоволн. В результате изучения дисциплины студент должен овладеть знаниями по дисциплине, формируемыми на нескольких уровнях: Иметь представление: о философской трактовке понятия «электромагнитное поле», об истории развития учения об электромагнетизме, о взаимосвязи электрических, магнитных и оптических явлений, о векторном характере электромагнитных и оптических полей, о диапазонах радиоволн, использующихся в технике, основных особенностях распространения радиоволн на естественных трассах. Знать: уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах, физический смысл всех слагаемых, входящих в эти уравнения; механизмы влияния Земли и атмосферы Земли на распространение радиоволн различных диапазонов. 3

4 Уметь: преобразовывать уравнения Максвелла в уравнения электро- и магнитостатики, стационарных электрических и магнитных полей, в волновые уравнения для векторов электромагнитного поля, векторного и скалярного потенциалов; формулировать задачу (выбрать модель) для расчета параметров конкретной радиолинии. Получить навыки: решения задач электродинамики методами: разделения переменных, запаздывающих потенциалов, скалярного и векторного интегралов Кирхгофа; выбора типа, размеров и расчета параметров направляющих систем (линий передачи электромагнитной энергии); расчета характеристик излучения элементарных излучателей и реальных антенн; выбора модели и определения характера и степени влияния трассы распространения радиоволн на характеристики конкретной радиотехнической системы. Изучение дисциплины «Электродинамика и распространение радиоволн» требует освоения ряда предшествующих дисциплин. К ним относятся: математика (ряды, дифференциальное и интегральное исчисление, векторная теория поля, решение дифференциальных уравнений); физика (электричество и магнетизм, электродинамика); информатика (методы алгоритмизации, численные методы решения). В свою очередь, курс ЭД и РРВ лежит в основе всех дисциплин, определяющих профессиональную подготовку специалиста в области радиотехники: основы теории цепей, радиотехнические цепи и сигналы, устройства СВЧ и антенны, устройства приема и обработки сигналов, устройства генерирования и формирования сигналов, радиотехнические системы и др. Содержание, объем и порядок изучения материалов курса «Электродинамика и распространение радиоволн» в соответствии с требованиями ГОСа изложены в «Рабочей программе», представленной в рубрике «Информационные ресурсы». Там же представлен «Тематический план», содержащий информацию о видах отчетности по темам. 4

5 1.. Содержание дисциплины и виды учебной работы Содержание дисциплины В соответствии с ГОСом в курсе «Электродинамика и распространение радиоволн» должны изучаться следующие дидактические единицы: интегральные и дифференциальные уравнения электромагнетизма; полная система уравнений Максвелла, граничные условия; энергия электромагнитного поля; теорема Умова-Пойнтинга; граничные задачи электродинамики; аналитические и численные методы решения граничных задач; электромагнитные волны в различных средах; электродинамические потенциалы; электромагнитные волны в направляющих системах; электромагнитные колебания в объемных резонаторах; возбуждение электромагнитных полей заданными источниками; излучение электромагнитных волн в свободное пространство; теорема запаздывающих потенциалов; распространение электромагнитных волн вблизи поверхности Земли; тропосферное распространение радиоволн; распространение радиоволн в условиях пересеченной местности и при наличии препятствий; модели и методы расчета радиотрасс Объем дисциплины и виды учебной работы Всего часов Вид учебной работы Форма обучения Очная Очнозаочная Заочная Общая трудоемкость дисциплины (ОТД) 170 Работа под руководством преподавателя (РпРП) В том числе аудиторные занятия: Лекции Практические занятия (ПЗ) Лабораторные работы (ЛР) Количество часов работы с использованием ДОТ Самостоятельная работа студента

6 Промежуточный контроль, количество Контрольная работа - Зачет Вид итогового контроля (экзамен), количество Перечень видов учебной работы студента, текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации - две контрольные работы (для очно-заочной и заочной форм обучения); -тесты (тренировочные по темам, рубежные по разделам дисциплины, вопросы для самопроверки и т.п.); - один зачет (по лабораторным работам части 1- электродинамика); -два экзамена.. Рабочие учебные материалы.1. Рабочая программа (170 час.) Часть 1 - электродинамика.1.1. Раздел 1. Интегральные и дифференциальные уравнения электромагнетизма Основные понятия и определения (4 час.) [ 1 ], с Основные понятия и определения, материальность электромагнитного поля, векторы электромагнитного поля, классификация сред в электродинамике. Уравнения Максвелла - фундаментальные уравнения электродинамики (1 час.) [ 1 ], с Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах и их физический смысл. Уравнение непрерывности электрического тока. Сторонние электрические и магнитные токи и заряды. Полная система уравнений ЭМП в симметричной и несимметричной формах. Уравнения Максвелла при гармони- 6

7 ческой зависимости электромагнитных процессов от времени. Комплексная диэлектрическая проницаемость сред. Принцип перестановочной двойственности уравнений Максвелла. Энергетические характеристики ЭМП (6 час.) [ 1 ], с Баланс энергии в ЭМП: локализация, движение и превращения энергии. Энергетические характеристики при гармонической зависимости электромагнитных процессов от времени. Электромагнитные волны - форма существования ЭМП (6 час.) [ 1 ], с Волновые уравнения для векторов ЭМП. Электродинамические потенциалы. Волновые уравнения для электродинамических потенциалов. Волновые уравнения в комплексной форме. Частные виды уравнений ЭМП (4 час.) [ 3 ], с Электростатическое поле: система зарядов, диполь, емкость, проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Стационарное поле: система токов, магнитный диполь, индуктивность. Квазистационарное поле: от уравнений Максвелла к теории цепей..1.. Раздел. Граничные задачи электродинамики Основные методы решения задач электродинамики (8 час.) [ 1 ], с. 1-7 Внутренние и внешние задачи электродинамики. Краевые условия и условие излучения. Единственность решения задач электродинамики. Принцип суперпозиции решений, теорема взаимности, теорема эквивалентности. Строгие методы решения: запаздывающих потенциалов, разделения переменных, Кирхгофа. Приближенные методы решения: геометрической и волновой оптики, краевых волн, геометрической теории дифракции, моделирования. 7

8 Плоские электромагнитные волны (ЭМВ) (10 час.) [ 1 ], с. 7-4 Общие свойства волновых процессов. Плоские однородные электромагнитные волны в однородной безграничной изотропной среде. Волны в диэлектрике, полупроводнике и проводнике. Сферические ЭМВ в безграничных однородных средах. Излучение ЭМВ (1 час.) [ 1 ], с Виды элементарных излучателей. Излучение системы заданных токов. Элементарный электрический излучатель: составляющие векторов ЭМП, функция направленности, мощность и сопротивление излучения. Элементарный магнитный излучатель. Элемент Гюйгенса. Плоские ЭМВ в неоднородной среде (10 час.) [ 3 ], с Электромагнитные волны и оптические лучи. Граничные условия для векторов электромагнитного поля. Отражение и преломление электромагнитных волн на плоской границе раздела сред. Законы Снеллиуса и формулы Френеля. Понятия углов Брюстера, полного внутреннего отражения, поверхностного эффекта Раздел 3. ЭМВ в направляющих системах. Электромагнитные колебания в объемных резонаторах. Направляемые ЭМВ и направляющие системы. Волноводы (16 час.) [ 1 ], с Общие сведения о направляющих системах и направляемых волнах. Полые металлические волноводы: прямоугольный, круглый. Структура электромагнитного поля, основные типы волн, фазовая и групповая скорости, длина волны в волноводе, характеристическое сопротивление, затухание электромаг- 8

9 нитных волн, возбуждение и связь волноводов, выбор размеров волновода для работы на заданном типе волн. Коаксиальные и двухпроводные линии передачи (4 час.) [ 3 ], с. 4-9 Особенности волн типа Т и основные параметры Т волны в коаксиальной и двухпроводной линии передачи. Фазовая постоянная, фазовая скорость, групповая скорость, длина волны в линии, волновое сопротивление. Диапазон одномодовой работы коаксиальной линии. Объемные резонаторы (8 час.) [ 3 ], с Отрезок направляющей структуры как резонатор. Общая теория объемных резонаторов на основе прямоугольного, цилиндрического и коаксиального волноводов. Собственная частота и добротность резонаторов. Возбуждение резонаторов. Часть распространение радиоволн.1.4. Раздел 4. Распространение ЭМВ вблизи поверхности Земли. Влияние препятствий. Основные понятия и определения (4 час.) , с. 4-7 Основные понятия и определения в теории РРВ. Роль и место вопросов распространения радиоволн в подготовке радиоинженеров. История развития теории РРВ. Классификация радиоволн по диапазонам частот и способам распространения на естественных трассах. Распространение радиоволн в свободном пространстве (10 час.) , с Электромагнитное поле изотропного и направленного излучателей в свободном пространстве. Уравнения идеальной радиосвязи для излучателей 9

10 различного типа. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля в свободном пространстве. Существенная и минимальная области пространства при распространении радиоволн. Потери передачи при распространении радиоволн в свободном пространстве. Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн (18 час.) , с Электрические параметры земной поверхности. Постановка и общее решение задачи дифракции радиоволн вокруг однородной сферической Земной поверхности. Анализ общего решения задачи: влияние электрических параметров поверхности Земли и расстояния между корреспондирующими пунктами на величину и поведение множителя ослабления в пространстве. Расстояние прямой видимости и расчёт множителя ослабления в зоне прямой видимости. Интерференционные формулы. Пределы применимости интерференционных формул. Расчёт множителя ослабления в зонах тени и полутени. Отражение радиоволн от поверхности Земли, существенная и минимальная области отражающей поверхности. Учёт влияния кривизны Земной поверхности при отражении радиоволн. Влияние неоднородности электрических параметров Земной поверхности на распространение радиоволн вдоль неё. Влияние неровностей поверхности Земли на распространение радиоволн. Критерий Релея. Общие сведения о распространении радиоволн вблизи статистически неровных поверхностей Раздел 5. Влияние атмосферы Земли на распространение радиоволн. Влияние тропосферы Земли на распространение радиоволн (10 час.) , с Состав и строение атмосферы Земли. Электромагнитные параметры тропосферы, стратосферы и ионосферы. Рефракция радиоволн в тропосфере и ионосфере. Уравнение траектории волны и радиус кривизны луча. Виды рефракции радиоволн в тропосфере. Эквивалентный радиус Земли. Процесс образования и параметры тропосферных волноводов. 10

11 Влияние ионосферы Земли на распространение радиоволн (8 час.) , с Траектория радиоволн в ионосфере. Отражение радиоволн от ионосферы. Критическая и максимальная частоты. Фазовая и групповая скорости распространения радиоволн в ионосфере. Влияние магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере. Рассеяние и поглощение радиоволн в тропосфере и ионосфере. Методы экспериментального исследования тропосферы и ионосферы Раздел 6. Модели и методы расчета радиотрасс. Радиолинии различного назначения. Диапазоны применяемых частот (8 час.) , с Линии радиовещания, телевидения, радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоуправления и телеметрии. Назначение радиолиний, диапазоны применяемых частот и особенности распространения радиоволн этих диапазонов на трассе радиолинии. Методы расчета различных радиолиний , с Методики расчёта радиолиний различного назначения и различных диапазонов радиоволн. 11

12 .. Тематический план дисциплины..1. Тематический план дисциплины для студентов очной формы обучения п/ п Наименование разделов и тем Количество часов по очной форме обучения Виды занятий (часы) лекции ПЗ (С) ЛР аудит. ДОТ аудит. ДОТ аудит. ДОТ Самостоятельная работа Тесты Виды контроля Контрольные работы Рефераты ЛР Курсовая работа ВСЕГО Раздел 1. Интегральные и дифференциальные уравнения электромагнетизма 1.1 Основные понятия и определения 3 1. Уравнения Максвелла фундаментальные уравнения электродинамики Энергетические характеристики электромагнитного поля (ЭМП) Электромагнитные волны форма существования ЭМП Частные виды уравнений ЭМП 7 Раздел. Граничные задачи электродинамики 8.1 Основные методы решения задач электродинамики 9. Плоские электромагнитные волны (ЭМВ) в однородной среде 10.3 Сферические ЭМВ в безграничных средах. Излучение ЭМВ Плоские ЭМВ в неоднородной среде 1 Раздел 3. ЭМВ в направляющих системах. Электромагнитные колебания в объемных резонаторах Направляемые ЭМВ и направляющие системы. Волноводы Коаксиальные и двухпроводные линии передачи Объемные резонаторы Раздел 4. Распространение 4 ЭМВ вблизи поверхности Земли. Влияние препятствий Основные понятия и определения

13 18 4. Распространение радиоволн в свободном пространстве Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн 0 Раздел 5. Влияние атмосферы Земли на распространение радиоволн Влияние тропосферы Земли на распространение радиоволн 5. Влияние ионосферы Земли на распространение радиоволн 3 Раздел 6. Модели и методы расчета радиотрасс Радиолинии различного назначения. Диапазоны применяемых частот 5 6. Методы расчета различных радиолиний Тематический план дисциплины для студентов очно-заочной формы обучения п/ п Наименование разделов и тем Количество часов по дневной форме Виды занятий (часы) Лекции ПЗ ЛР Аудиторн. ДОТ Аудиторн. ДОТ Аудиторн. ДОТ Самост. работа Тесты Виды контроля Контр. работы ПЗ ЛР Курс. работы Всего Раздел 1. Интегральные и дифференциальные уравнения электромагне- 1 тизма Основные понятия и определения Уравнения Максвелла - фундаментальные уравнения электродинамики Энергетические характеристики электромагнитного поля (ЭМП) Электромагнитные волны -форма существования ЭМП Частные виды уравнений ЭМП 4 7 Раздел. Граничные задачи электродинамики Основные методы решения задач электродинамики Плоские электромагнитные волны (ЭМВ) в однородной среде Сферические ЭМВ в безграничных однородных средах. Излучение ЭМВ Плоские ЭМВ в неоднородной среде

14 1 Раздел 3. ЭМВ в направляющих системах. Электромагнитные колебания в объемных резонаторах Направляемые электромагнитные волны и направляющие системы. Волноводы Коаксиальные и двухпроводные линии передачи Объемные резонаторы Раздел 4. Распространение электромагнитных волн вблизи поверхности Земли. Влияние препятствий Основные понятия и определения Распространение радиоволн в свободном пространстве Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн Раздел 5. Влияние атмосферы Земли на распространение радиоволн Влияние тропосферы Земли на распространение радиоволн Влияние ионосферы Земли на распространение радиоволн Раздел 6. Модели и методы расчета радиотрасс Радиолинии различного назначения. Диапазоны применяемых частот Методы расчета различных радиолиний Тематический план дисциплины для студентов заочной формы обучения п/ п Наименование разделов и тем Количество часов по очной форме обучения Виды занятий (часы) лекции ПЗ (С) ЛР аудит. ДОТ аудит. ДОТ аудит. ДОТ Самостоятельная работа Тесты Виды контроля Контрольные работы Рефераты ЛР Курсовая работа ВСЕГО Раздел 1. Интегральные и дифференциальные уравнения электромагнетизма 1.1 Основные понятия и определения 3 1. Уравнения Максвелла фундаментальные уравнения электродинамики Энергетические характеристики электромагнитного поля (ЭМП)

15 5 1.4 Электромагнитные волны форма существования ЭМП Частные виды уравнений ЭМП Раздел. Граничные задачи электродинамики Основные методы решения задач электродинамики 9. Плоские электромагнитные волны (ЭМВ) в однородной среде Сферические ЭМВ в безграничных средах. Излучение ЭМВ Плоские ЭМВ в неоднородной среде Раздел 3. ЭМВ в направляющих 3 системах. Электромаг- нитные колебания в объемных резонаторах Направляемые ЭМВ и направляющие системы. Волново- ды Коаксиальные и двухпроводные линии передачи Объемные резонаторы Раздел 4. Распространение 4 ЭМВ вблизи поверхности Земли. Влияние препятствий Основные понятия и определения Распространение радиоволн в свободном пространстве Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн Раздел 5. Влияние атмосферы 5 Земли на распространение радиоволн Влияние тропосферы Земли на распространение радиоволн 5. Влияние ионосферы Земли на распространение радиоволн 3 Раздел 6. Модели и методы расчета радиотрасс Радиолинии различного назначения. Диапазоны применяемых частот 5 6. Методы расчета различных радиолиний

16 .3. Структурно-логическая схема дисциплины Электродинамика и распространение радиоволн Раздел 1 Интегральные и дифференциальные уравне- Раздел Граничные задачи электро- Раздел 3 Электромагнитные волны в направляющих Раздел 4 Распространение электромагнитных волн вблизи Раздел 5 Влияние атмосферы Земли на распространение Раздел 6 Модели и методы расчета ра- Основные понятии и определе- Уравнения Максвелла- фундаментальные Основные методы решения задач электроди- Направляемые электромагнитные волны и Основные понятия и определе- Влияние тропосферы Земли на распространение Радиолинии различного назначения. Диапа- Энергетические характеристики элек- Плоские электромагнитные волны Сферические электромагнитные волны в безгра- Коаксиальные и двухпроводные линии передачи Распространение радиоволн в свободном про- Влияние ионосферы Земли на распространение Методы расчета различных ра- Электромагнитные волны форма су- Плоские электромагнитные вол- Объемные резонаторы Влияние поверхности Земли на распространение Распространение радиоволн в космическом Частные виды уравнений электромаг-

17 .4. Временной график изучения дисциплины (для студентов, занимающихся с применением ДОТ) Название раздела (темы) Продолжительность изучения раздела (темы) 1 Раздел 1. Интегральные и дифференциальные 7 дн. уравнения электродинамики Раздел. Граничные задачи электродинамики 9 дн. 3 Раздел 3. Электромагнитные волны в направляющих системах. Электромагнитные колебания в объемных резонаторах 7 дн. 4 Раздел 4. Распространение электромагнитных 7 дн. волн вблизи поверхности Земли 5 Раздел 5. Влияние атмосферы Земли на распространение 4 дн. радиоволн 6 Раздел 6. Модели и методы расчета радиотрасс 4 дн. 7 Контрольная работа 1 дн. 8 Контрольная работа дн. ИТОГО.5. Практический блок.5.1. Практические занятия Практические занятия (очная форма обучения) 4 дн. Номер и наименование темы Тема.3 Сферические ЭМВ в безграничных средах. Излучение ЭМВ Тема 3.1 Направляемые ЭМВ и направляющие системы. Волноводы Тема 4. Распространение радиоволн в свободном пространстве Решение задач на излучение ЭМВ элементарными электрическим и магнитным диполями Определение размеров волноводов и характеристик ЭМП в прямоугольном и круглом волноводах Определение параметров линий радиосвязи в свободном (космическом) пространстве Наименование тем практических занятий Количество часов Тема 4.3 Влияние по- Расчет напряженности ЭМП на ра-

18 верхности Земли на распространение радиоволн диолиниях, проходящих вблизи поверхности Земли Практические занятия (заочная и очно-заочная формы обучения). Практические занятия для студентов указанных форм обучения учебными рабочими планами не предусмотрены..5.. Лабораторные работы Лабораторные работы (очная форма обучения) Номер и наименование раздела (темы) Раздел. Граничные задачи электродинамики Тема.. Плоские электромагнитные волны Тема.4. Плоские ЭМВ в неоднородной среде Раздел 3. ЭМВ в направляющих системах. Электромагнитные колебания в объемных резонаторах Тема 3.1. Направляемые ЭМВ и направляющие системы Тема 3.3. Объемные резонаторы Наименование лабораторной работы Исследование поляризации электромагнитного поля Исследование отражения и преломления плоских ЭМВ на плоской границе раздела двух однородных диэлектрических сред Исследование основной волны в полом прямоугольном металлическом волноводе Исследование электромагнитного поля в цилиндрическом объемном резонаторе Количество часов

19 Раздел 4. Распространение ЭМВ вблизи поверхности Земли Тема 4.. Распространение радиоволн в свободном пространстве Тема 4.3. Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн Исследование области пространства, оказывающей существенное влияние на распространение радиоволн в однородной среде Исследование влияния поверхности Земли на распространение радиоволн 4 4 Лабораторные работы (очно-заочная форма обучения) Номер и наименование раздела (темы) Раздел. Граничные задачи электродинамики Тема.. Плоские электромагнитные волны Тема.4. Плоские ЭМВ в неоднородной среде Раздел 3. ЭМВ в направляющих системах. Электромагнитные колебания в объемных резонаторах Тема 3.1. Направляемые ЭМВ и направляющие системы Тема 3.3. Объемные резонаторы Наименование лабораторной работы Исследование поляризации электромагнитного поля Исследование отражения и преломления плоских ЭМВ на плоской границе раздела двух однородных диэлектрических сред Исследование основной волны в полом прямоугольном металлическом волноводе Исследование электромагнитного поля в цилиндрическом объемном резонаторе Количество часов

20 Раздел 4. Распространение ЭМВ вблизи поверхности Земли Тема 4.. Распространение радиоволн в свободном пространстве Тема 4.3. Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн Исследование области пространства, оказывающей существенное влияние на распространение радиоволн в однородной среде Исследование влияния поверхности Земли на распространение радиоволн 4 4 Лабораторные работы (заочная форма обучения) Номер и наименование раздела (темы) Раздел. Граничные задачи электродинамики Тема.. Плоские электромагнитные волны Тема.4. Плоские ЭМВ в неоднородной среде Раздел 3. ЭМВ в направляющих системах. Электромагнитные колебания в объемных резонаторах Тема 3.1. Направляемые ЭМВ и направляющие системы Тема 3.3. Объемные резонаторы Наименование лабораторной работы Исследование поляризации электромагнитного поля Исследование отражения и преломления плоских ЭМВ на плоской границе раздела двух однородных диэлектрических сред Исследование основной волны в полом прямоугольном металлическом волноводе Исследование электромагнитного поля в цилиндрическом объемном резонаторе Количество часов 4

21 Раздел 4. Распространение ЭМВ вблизи поверхности Земли Тема 4.. Распространение радиоволн в свободном пространстве Тема 4.3. Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн Исследование области пространства, оказывающей существенное влияние на распространение радиоволн в однородной среде Исследование влияния поверхности Земли на распространение радиоволн.6. Балльно-рейтинговая система оценки знаний при использовании ДОТ Дисциплина Электродинамика и распространение радиоволн, как указывалось выше, состоит из двух частей. Изучение первой части курса (электродинамики) осуществляется в пятом семестре и заканчивается сдачей экзамена. Первая часть курса содержит три раздела (двенадцать тем), при изучении которых необходимо выполнить первую контрольную работу, состоящую из двух задач. Каждая тема в опорном конспекте заканчивается перечнем вопросов для самопроверки, которые следует рассматривать в качестве тренировочных тестов с открытым заданием. После изучения каждой темы необходимо ответить на вопросы тренировочных тестов текущего (промежуточного) контроля, содержащего пять вопросов. Изучение каждого раздела заканчивается ответом на вопросы теста рубежного контроля, содержащего десять вопросов. Номера соответствующих тестов приведены в тематическом плане. Определение рейтинг-баллов производится следующим образом: - за правильный ответ на вопрос теста рубежного контроля - балла; - за правильно решенную задачу - 0 баллов. При успешной работе с материалами первой части курса студент может получить х10х3 +0х =100 баллов. Преодоление порога в 70 баллов, а также выполнение цикла лабораторных работ по разделам и 3 в период экзаменационной сессии и получение за- 5

22 чета по лабораторным работам, обеспечивает допуск к экзамену. Изучение второй части курса осуществляется в шестом семестре и заканчивается экзаменом. Вторая часть курса состоит из трех разделов (семи тем), при изучении которых необходимо выполнить вторую контрольную работу, состоящую из двух задач. Каждая тема в опорном конспекте заканчивается вопросами для самопроверки, которые следует рассматривать в качестве тренировочных тестов с открытым заданием. После изучения каждой темы необходимо ответить на вопросы тренировочного теста текущего (промежуточного) контроля, состоящего из пяти вопросов. Изучение каждого раздела заканчивается ответом на вопросы теста рубежного контроля, содержащего десять вопросов. Номера соответствующих тестов приведены в тематическом плане. Определение рейтинг-баллов при изучении второй части курса производится так же, как и первой части. При успешной работе с материалами второй части курса студент может получить х10х3 + 0х =100 баллов. Преодоление порога в 75 баллов и выполнение цикла лабораторных работ в период экзаменационной сессии обеспечивает допуск к экзамену. 3. Информационные ресурсы дисциплины 3.1. Библиографический список Основной: 1. Калашников, В.С. Электродинамика и распространение радиоволн (электродинамика): письм. лекции / В.С. Калашников, Л.Я. Родос. СПб.: Издво СЗТУ, Родос, Л.Я. Электродинамика и распространение радиоволн (распространение радиоволн): учеб.- метод. комплекс: учеб.пособие / Л.Я. Родос. - СПб.: Изд-во СЗТУ, Красюк, Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для вузов/ Н.П. Красюк, Н.Д. Дымович.- М.: Высш. шк., Дополнительный: 6

23 4. Петров, Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. для вузов/ Б.М. Петров. -е изд., испр. М.: Горячая линия Телеком, Красюк, Н.П. Распространение УКВ в неоднородной тропосфере: учеб. пособие / Н.П. Красюк, Л.Я. Родос. Л.: СЗПИ, Чистяков, Д. А. Законы и уравнения электродинамики как следствия уравнений Максвелла: конспект лекций/ Д.А. Чистяков. СПб.: СЗПИ, Чистяков, Д.А. Основы электродинамики в задачах с решениями: писм. лекции/ Д.А. Чистяков. СПб.: СЗПИ, Чистяков, Д.А. Уравнения Максвелла физические аксиомы электродинамики: письм. лекции / Д.А. Чистяков. СПб.: СЗПИ, В электронной библиотеке СЗТУ по адресу имеются источники из библиографического списка под номерами: 1;; Опорный конспект (сценарий учебного процесса) Дисциплина Электродинамика и распространение радиоволн, как указывалось выше, является фундаментальной дисциплиной и целиком базируется на курсах физики и высшей математики. В связи с этим, приступая к ее изучению, необходимо восстановить в памяти основные сведения из второй части курса общей физики (электричество и магнетизм) и следующих разделов высшей математики: уравнения математической физики, векторный анализ, теория поля. Основной целью дисциплины является изучение уравнений Максвелла, их физического смысла и применение этих уравнений для решения прикладных задач радиофизики и радиотехники. Методика и последовательность изучения дисциплины соответствуют перечню тем тематического плана. Материал каждой темы насыщен математическими соотношениями, физическая интерпретация которых зачастую достаточно сложна, поэтому изучение материала требует серьезной, вдумчивой работы. 7

24 3..1. Основные понятия и определения в электродинамике Основные понятия и определения изложены в на страницах При изучении данного раздела необходимо уяснить назначение дисциплины при подготовке радиоинженеров, место и задачи ее в системе современных представлений естествознания, обратив особое внимание на материальность электромагнитного поля. Необходимо усвоить, что электромагнитное поле во всех своих проявлениях полностью характеризуется двумя основными и четырьмя дополнительными векторами. Электромагнитное поле существует и рассматривается в различных средах, которые классифицируются по характеру зависимости их электромагнитных параметров от времени, пространственных координат, величины и направления векторов электромагнитного поля, существующего в данной среде. Все математические соотношения данного курса записываются в единицах "СИ". Вопросы для самопроверки 1. Каковы основные особенности электромагнитного поля, подтверждающие его материальность?. В чем заключается физический смысл векторов, характеризующих электромагнитное поле? 3. Какой вид имеют материальные уравнения для векторов электромагнитного поля? 4. Какие классификации сред, применяются в электродинамике? 3... Уравнения Максвелла - фундаментальные уравнения электродинамики Содержание данного раздела представлено в на страницах Необходимо обратить внимание на то, что уравнения Максвелла являются результатом обобщения большого числа физических законов, представляют собой фундаментальные зависимости макроскопической электродинамики, позволяющие получить все основные соотношения теории электромагнит- 8

25 ного поля. Следует уяснить, что источниками электромагнитного поля являются электрически заряженные частицы либо движущиеся, либо находящиеся в покое. В практических приложениях часто используется гармоническая зависимость от времени величин, входящих в уравнения Максвелла, поэтому для их представления удобно применять символический метод. Вопросы для самопроверки 1. Какие экспериментальные законы лежат в основе уравнений Максвелла?. В чем состоит физический смысл тока смещения? 3. Каков физический смысл уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной формах? 4. В чем заключается разница между симметричной и несимметричной формами записи уравнений Максвелла? Энергетические характеристики ЭМП Содержание данного раздела изложено в на страницах Электромагнитное поле как вид материи обладает определенной энергией. Для него справедлив закон сохранения. Аналитическим представлением этого закона является уравнение баланса электромагнитной энергии - теорема Умова - Пойнтинга. Вопросы для самопроверки 1. Какие энергетические составляющие могут входить в уравнение баланса энергии электромагнитного поля?. Запишите выражение для вектора Пойнтинга в случае гармонических во времени полей Электромагнитные волны - форма существования ЭМП Содержание данного раздела приведено в на страницах Из уравнений Максвелла следует, что электромагнитное поле может су- 9

26 ществовать в виде электромагнитных волн. Адекватными соотношениями, описывающими волновой характер электромагнитного поля, являются волновые уравнения - дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка, которые могут быть получены непосредственно из уравнений Максвелла - дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка. Для решения различного рода прикладных задач используются обычно волновые уравнения для векторов поля и волновые уравнения для электродинамических потенциалов. При гармонической зависимости электродинамических процессов от времени форма записи и решение волновых уравнений существенно упрощаются. Вопросы для самопроверки 1. Какие виды волновых уравнений используются для решения задач электродинамики?. В чем заключается смысл калибровочного соотношения? 3. В чем состоит отличие уравнений Даламбера и Гельмгольца от обобщенного волнового уравнения? 4. Имеется ли разница между векторным потенциалом и вектором Герца в случае гармонического электромагнитного поля? Частные виды уравнений ЭМП Содержание данного раздела приведено в на cтраницах Уравнения стационарных и статических полей получаются как частные случаи из уравнений электродинамики - уравнений Максвелла при условии, что источники электромагнитного поля либо стационарны (не зависят от времени), либо, кроме того, еще и неподвижны (статичны). Стационарные и статические поля материальны; для них выполняется закон сохранения и превращения энергии, но они не носят волнового характера и в уравнениях, описывающих их поведение, не содержится временной зависимости (например, уравнения Пуассона и Лапласа). Вопросы для самопроверки 10

27 1. При каких условиях система уравнений Максвелла распадается на системы уравнений электро- и магнитостатики?. В чем состоит отличие стационарных и статических полей? 3. Чем определяется величина энергии электростатического поля? 4. Запишите уравнения второго порядка в частных производных для статических и стационарных полей. 5. Какие методы используются для решения задач электростатики? Основные методы решения задач электродинамики Содержание данного раздела изложено в на страницах 1 7. При освоении настоящего раздела необходимо изучить особенности формулировки и решения внутренних и внешних задач электродинамики, обратив особое внимание на формулировку условий единственности решения электродинамических задач для ограниченных и безграничных объемов пространства, основные принципы и теоремы, используемые при построении решений практических задач. Изучить строгие и приближенные методы решения, учитывая, что результаты решения любыми строгими методами совпадают, в то время как результаты решения задачи, полученные различными приближенными методами, отличаются друг от друга. Вопросы для самопроверки 1. Как формулируются внутренние и внешние задачи электродинамики?. В чем состоит роль условия излучения при решении внешних задач? 3. Как формулируется теорема единственности решения задач электродинамики? 4. При каких условиях справедлив принцип суперпозиции решений? 5. Для каких сред выполняется теорема взаимности и в чем заключается ее сущность? 6. Какова роль теоремы эквивалентности для внешних задач электродинамики? 7. Что лежит в основе решения задач методом запаздывающих потен- 11

28 циалов? 8. При каких условиях метод Кирхгофа может рассматриваться как строгий метод решения? 9. Сформулируйте условия применимости методов геометрической и волновой оптики. 10. В чем состоит сущность методов краевых волн и геометрической теории дифракции? 11. В чем состоит сущность метода электродинамического моделирования? Плоские электромагнитные волны (ЭМВ) Содержание раздела представлено в на страницах 7 4. В данном разделе необходимо обратить внимание на то, что для характеристики любого волнового процесса вводятся понятия фазового и амплитудного волновых фронтов. В общем случае фазовые фронты могут иметь произвольную форму, однако основными являются: плоская, цилиндрическая и сферическая. Для характеристики векторных волновых процессов кроме амплитуды, фазы и частоты колебаний, вводится понятие поляризации. Необходимо изучить все существующие разновидности поляризации электромагнитных волн. Здесь же следует рассмотреть решение уравнений Гельмгольца для векторов электромагнитного поля в виде плоских волн, обратив внимание на различные математические формы записи выражений, взаимную ориентацию векторов напряженностей электрического и магнитного полей и вектора Пойнтинга, а также на связь между ними и электромагнитными параметрами среды. Следует изучить особенности распространения плоской волны в диэлектрике, полупроводнике и проводнике, обратив внимание на специфику распространения плоской волны в средах с проводимостью (экспоненциальное убывание амплитуды, появление фазового сдвига и дисперсии). Вопросы для самопроверки 1. В чем заключается отличие волновых процессов от колебательных процессов в радиотехнических цепях? 1

29 . Какая дополнительная характеристика вводится для описания векторных волновых процессов? 3. Какие виды поляризации принято рассматривать в задачах электродинамики? 4. Каковы основные свойства плоской волны? 5. Какой характер носит волновое число в различных средах? 6. В чем заключаются особенности распространения плоской волны в средах с проводимостью? 7. Какова природа явления дисперсии при распространении плоской волны в полупроводящей среде? 8. К чему приводит нелинейность и анизотропия среды при распространении плоской волны? Сферические ЭМВ в безграничных однородных средах. Излучение ЭМВ Содержание данного раздела приведено в на страницах При изучении настоящего раздела необходимо уяснить постановку задачи об излучении электромагнитных волн, а также то, что излучение создается только электрическими зарядами, движущимися с ускорением. Необходимо усвоить цель введения понятия элементарного излучателя, виды моделей элементарных излучателей и методы расчета их характеристик. Следует обратить внимание на особенности распределения электромагнитного поля элементарного излучателя в пространстве в зависимости от расстояния и угловых координат, усвоить особенности поведения вектора Пойнтинга. Необходимо также знать основные технические характеристики излучателей, такие как диаграмма направленности, мощность и сопротивление излучения, коэффициент направленного действия. Вопросы для самопроверки 1. Какова цель введения понятия элементарного излучателя? 13

30 . Как формулируется задача излучения электромагнитных волн? 3. Какой метод решения используется для расчета излучения элементарного электрического диполя? 4. Назовите характерные зоны пространства и критерии разделения, в которых принято рассматривать поле излучения. 5. Охарактеризуйте энергетические свойства поля, излученного элементарным излучателем. 6. Какие характеристики свойственны элементарному излучателю как антенне? 7. Какие модели используются для описания элементарного магнитного излучателя? 8. Сравните излучающую способность элементарных электрического и магнитного излучателей. 9. Какой вид имеет диаграмма направленности элемента Гюйгенса? Плоские ЭМВ в неоднородной среде Содержание данного раздела представлено в на страницах При изучении настоящего раздела студент должен уяснить постановку задачи об отражении и преломлении плоской электромагнитной волны на плоской границе раздела сред и физику явлений, имеющих место на границе раздела. Необходимо знать методику получения соотношений для векторов электромагнитного поля на границе раздела, обратив внимание на области использования граничных условий. Следует также изучить содержание и смысл таких понятий как угол полного внутреннего отражения, угол Брюстера, поверхностный эффект. Вопросы для самопроверки 1. В чем заключается физика отражения, и преломления плоской волны на границе раздела сред?. Как формулируется электродинамическая задача на отражение и пре- 14

31 ломление плоской волны на границе раздела сред? 3. В чем состоит смысл введения граничных условий? 4. Как определяется поляризация электромагнитной волны, падающей на границу раздела сред? 5. В чем заключается физический смысл явления полной поляризации? 6. Что понимается под толщиной скин-слоя? 7. Изобразите поведение модуля, и фазы коэффициента отражения при падении плоской волны на границу раздела в функции от угла падения Направляемые ЭМВ и направляющие системы. Волноводы Содержание данного раздела приведено в на страницах В данном разделе следует изучить существующие виды направляющих систем, типы и основные особенности электромагнитных волн, распространяющихся в них, рассмотреть решение волнового уравнения для прямоугольного и круглого волноводов. Необходимо уяснить основные параметры, характеризующие работу волновода: критическая длина волны, длина волны в волноводе, фазовая и групповая скорости, характеристическое сопротивление волновода. Необходимо знать и уметь изобразить графически структуру основных типов колебаний в прямоугольном и круглом волноводе, а также уметь выбрать размеры волновода для работы на заданном типе колебаний. Следует также иметь представление о распределении токов на стенках волновода и системах возбуждения и связи волноводов. Вопросы для самопроверки 1. Назовите существующие в настоящее время типы направляющих систем.. В чем заключается отличие электрических, магнитных и поперечных электромагнитных волн в линиях передачи? 3. Какие типы волн могут распространяться в волноводах, коаксиальных и проводных линиях передачи? 4. Сформулируйте постановку задачи о распространении электромаг- 15

32 нитных волн в волноводе. 5. Какие граничные условия используются при решении волнового уравнения в полом металлическом волноводе? 6. В каких пределах могут изменяться фазовая и групповая скорости электромагнитных волн в волноводе? 7. Какой тип колебаний принято называть основным? 8. Исходя из каких условий, производится выбор размеров поперечного сечения волновода? 9. Сформулируйте требования к устройствам возбуждения электромагнитных колебаний в волноводе Коаксиальные и двухпроводные линии передачи Содержание раздела представлено в на cтраницах 4 9. В данном разделе необходимо изучить основные понятия, относящиеся к поперечным электромагнитным волнам, обратить внимание на особенности распределения электромагнитной волны вдоль линии передачи и в ее поперечных сечениях. Следует также уметь записать выражения для основных параметров, характеризующих данные линии передачи: волнового сопротивления, погонной емкости и индуктивности, коэффициента ослабления, величины переносимой мощности. Вопросы для самопроверки 1. Сформулируйте основные свойства поперечной волны в линиях передачи.. Изобразите картину силовых линий электромагнитной волны в плоскости поперечного сечения коаксиальной и двухпроводной линий передачи. 3. Запишите выражения для основных параметров рассматриваемых линий передачи Объемные резонаторы Содержание данного раздела представлено в на страницах При изучении данного раздела необходимо уяснить назначение и конст- 16

33 руктивные особенности различных видов объемных резонаторов. Ознакомиться с методом решения волнового уравнения для объемного резонатора, построенного на базе прямоугольного волновода, типами и структурой простейших видов колебаний в нем, а также с методами расчета основных параметров резонатора. Следует знать основные типы колебаний в цилиндрических объемных резонаторах, способы определения собственной резонансной частоты, добротности и размеров резонатора, способы возбуждения. Вопросы для самопроверки 1. Какие типы объемных резонаторов используются в технике сверхвысоких частот?. Какие типы колебаний могут существовать в объемных резонаторах? 3. Как определяется добротность объемного резонатора? 4. Из каких соображений определяются размеры объемных резонаторов, построенных на основе прямоугольного и круглого волноводов? 5. Какие системы возбуждения резонаторов используются на практике? Основные понятия и определения в теории РРВ Содержание данного раздела представлено в на странице 4. В данном разделе, необходимо обратить внимание на роль российских ученых в разработке теории и развитии техники систем радиовещания, радиосвязи, телевидения, радиолокации. Следует помнить, что в настоящее время во всем мире принята десятичная система деления частотного диапазона волн на поддиапазоны. Необходимо иметь представление об особенностях распространения радиоволн этих поддиапазонов. Вопросы для самопроверки 1. На какие поддиапазоны разделяют весь диапазон радиоволн?. Каковы особенности распространения радиоволн различных поддиапазонов? 17

34 Распространение радиоволн в свободном пространстве Содержание данного раздела представлено в на страницах В этом разделе следует обратить внимание на энергетические соотношения при распространении радиоволн ненаправленного и направленного излучателей в свободном пространстве. Необходимо уметь вывести и проанализировать уравнение идеальной радиосвязи; используя принцип Гюйгенса-Френеля, построить зоны Френеля и определить существенную и минимальную области пространства, оказывающие влияние на распространение радиоволн. Необходимо также обратить внимание на то, что даже при распространении радиоволн в свободном пространстве имеет место ослабление потока энергии электромагнитного поля с расстоянием. Следует уметь объяснить физику этого явления и записать математическое выражение для потерь передачи в свободном пространстве. Вопросы для самопроверки 1. Как определить плотность потока энергии и напряженность поля ненаправленного и направленного излучателей в свободном пространстве?. Как формулируется принцип Гюйгенса-Френеля? 3. Как строятся зоны Френеля при РРВ в свободном пространстве? 4. Из каких соображений определяют существенную и минимальную области, влияющие на РРВ в свободном пространстве? 5. Как объяснить процесс ослабления электромагнитного поля в свободном пространстве? Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн Содержание данного раздела представлено в на страницах В данном разделе необходимо усвоить, что поверхность Земли оказывает существенное влияние на РРВ. Это влияние учитывается введением множителя ослабления поля свободного пространства, который вычисляется, исходя из конкретного вида радиотрассы. Нужно знать электромагнитные параметры 18

35 основных разновидностей земной поверхности. Для определения множителя ослабления необходимо решить сложную задачу дифракции радиоволн вокруг реальной поверхности Земли. Следует иметь в виду, что в настоящее время эта задача, даже в самой строгой постановке, не учитывает неровностей поверхности Земли и решается для гладкой сферической поверхности. Получаемые, даже при такой постановке задачи, выражения, являются чрезвычайно сложными и расчёты множителя ослабления возможны только с применением ЭВМ, поэтому в инженерной практике, для некоторых радиотрасс, применяют приближённые методы решения, базирующиеся на интерференционных формулах в освещённой области и одночленной дифракционной формуле в области глубокой тени. Для учёта влияния реального распределения параметров Земли вдоль радиотрассы и неровностей её поверхности также применяют приближённые методы. Следует обратить внимание на явления: береговой рефракции (искривление траекторий электромагнитной волны); эффект усиления величины электромагнитного поля за счёт препятствий; на скачкообразное изменение величины электромагнитного поля при переходе через границу участков трассы с различными электромагнитными параметрами. Неровности на поверхности Земли распределены случайным образом, что приводит к необходимости применения методов математической статистики при исследовании процессов распространения радиоволн над подобными неровными поверхностями. Вопросы для самопроверки 1. Как учитывают влияние поверхности Земли на РРВ?. Какими электромагнитными параметрами характеризуют поверхность Земли? 3. Как формулируют задачу дифракции радиоволн вокруг поверхности Земли? 4. Какие характерные области пространства принято выделять при изу- 19

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие... 8 Глава 1. Основы электромагнетизма... 9 1.1. Электромагнитное поле...9 1.2. Плотность тока проводимости...12 1.3. Закон сохранения заряда...14 1.4. Закон Гаусса...15 1.5. Закон

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» «УТВЕРЖДАЮ» Директор ИРЭ Мирошникова И.Н. подпись

Электродинамика 1. Математические методы электродинамики. Элементы векторного и тензорного исчисления (краткая сводка основных формул и понятий). Специальные функции математической физики. 2. Основные

Бакалавры ФИЗИКА И ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ (для студентов факультета ИБМ) 3 СЕМЕСТР Модуль 1 Таблица 1 Виды аудиторных занятий и самостоятельной работы Сроки проведения или выполнения, недели Трудоёмкость, часы

3 1 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Система уравнений электродинамики (уравнений Максвелла) описывает наиболее общие законы электромагнитного поля Эти законы связывают между собой электрические

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение................................................................ 5 Список принятых обозначений и сокращений.................................. 7 Принятые обозначения...............................................

1. Цели и задачи освоения учебной дисциплины 1.1. Цель дисциплины Курс Электродинамика и распространен радиоволн является курсом направления 10400.6 "Радиотехника" и знакомит студентов с физическими основами

ЭЛЕКТРОСТАТИКА 1. Два рода электрических зарядов, их свойства. Способы зарядки тел. Наименьший неделимый электрический заряд. Единица электрического заряда. Закон сохранения электрических зарядов. Электростатика.

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» «Утверждаю» Декан факультета компьютерного проектирования Будник

Волгоградский государственный университет Физико-технический институт Кафедра лазерной физики УТВЕРЖДЕНО УЧЕНЫМ СОВЕТОМ Протокол от 2014 г. Директор физико-технического института К.М. Фирсов 2014 г. РЕКОМЕНДОВАНО

Электромагнитные волны Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы

Некоммерческое акционерное общество АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И СВЯЗИ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКА Утверждено Декан Медеуов У.И. «2» 06 2012г. ПРОГРАММА КУРСА (Syllabus)

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие... 6 Как пользоваться книгой... 9 Методические указания к решению задач... 12 Обозначения физических величин... 14 Введение... 16 1. Электростатика и постоянный ток... 18 1.1. Электростатическое

ГЛАВА 5 Плоские волны Излучатель электромагнитной волны создает вокруг себя фронт этих волн На больших расстояниях от излучателя волну можно считать сферической Но на очень больших расстояниях от излучателя

Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ... 3 1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И УРАВНЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ... 6 1.1. Характеристики электромагнитного поля и среды... 6 1.2. Интегральные уравнения электромагнитного

I..3 Основные свойства электромагнитных волн. 1. Поперечность и ортогональность векторов E r и H r Система уравнений Максвелла позволяет корректно описать возникновение и распространение электромагнитных

5. ВОЛНЫ В ВОЛНОВОДАХ Линиями передачи электромагнитной энергии на сверхвысоких частотах служат так называемые волноводы в виде металлических труб с разнообразными конфигурациями поперечного сечения. В

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Вопросы для программированного теоретического коллоквиума по физике для студентов

Теория линий передачи Распространение электромагнитной энергии по направляющим системам Направляющая система это линия, способная передавать электромагнитную энергию в заданном направлении. Таким канализирующим

ВАРИАНТЫ ПИСЬМЕННОГО ЭКЗАМЕНА ПО ФИЗИКЕ ЗА ВТОРОЙ СЕМЕСТР. МОДУЛЬ: «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА» ВАРИАНТ. Покажите, как, используя силу Лоренца и основное уравнение динамики для релятивистской заряженной частицы,

1 Аннотация рабочей программы дисциплины Электричество и магнетизм (наименование дисциплины) Направление подготовки 03.03.02 физика Профиль подготовки «Фундаментальная физика», «Физика атомного ядра и

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" Институт

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра теоретической физики

БИЛЕТЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО РАЗДЕЛУ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ОСЕННИЙ СЕМЕСТР 2014 года (1 поток, лектор доцент Кокшаров Ю.А.) Билет N 1. 1. Электромагнитное взаимодействие и его место среди других

Дисциплина ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ 1. Цель и задачи учебной дисциплины Место дисциплины в структуре основной профессиональной образовательной программы Дисциплина «Теоретические основы электротехники»

ГОУ ВПО РОССИЙСКО-АРМЯНСКИЙ (СЛАВЯНСКИЙ) УНИВЕРСИТЕТ Составлен в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по направлению 210700.62 и Положением

ГОУ ВПО РОССИЙСКО-АРМЯНСКИЙ (СЛАВЯНСКИЙ) УНИВЕРСИТЕТ Составлен в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по направлению 10100 и Положением «Об

Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск 68 www.a.ru/scece/rudy/ УДК 537.87+6.37 Решение задачи рассеяния на протяженных цилиндрических телах различного сечения Гиголо А. И. * Кузнецов Г. Ю. ** Московский

Направление подготовки 11.03.04 Электроника и наноэлектроника Профиль подготовки «Промышленная электроника» РПД Б1.В.ОД.10 «Высокочастотные электронные устройства» Приложение З РПД Б1.В.ОД.10 Филиал федерального

10201.65 Геофизические методы поисков и разведки месторождеий полезных 10202.65 Геофизические методы исследования скважин очная 1 2 1. Цели и задачи дисциплины: Целью преподавания теории поля для студентов

68 Лекция 6. Электромагнитные волны. План лекции:. Образование электромагнитных волн. Уравнение плоской электромагнитной волны (ЭМВ). 2. Энергия ЭМВ. Вектор Умова-Пойтинга. 3. Излучение ЭМВ. Шкала ЭМВ.

W09 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ. ПОЛЯРИТОНЫ. Перейдем к рассмотрению особенностей электромагнитных волн в различных средах. Всем известные уравнения Максвелла будем использовать в виде 1 B div D 0 rot E t (1)

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «Практикум по физике» В методических указаниях к каждой лабораторной работе приводится список контрольных

Процесс образования электромагнитных волн Волновое уравнение для электромагнитных волн Электромагнитная волна процесс распространения электромагнитного поля в пространстве с конечной скоростью. Закрытый

2 3 1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Дисциплина «Физика. Электричество и магнетизм» для специальности 1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент» обеспечивает базовую подготовку по физике

«Отлично» «Хорошо» «Удовл.» Зачтено Неудовлетворительно / незачет КАЛЕНДАРНЫЙ РЕЙТИНГ-ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ ФИЗИКА 2 ОЦЕНКИ Лекции 48 час. КАЛЕНДАРНЫЙ РЕЙТИНГ-ПЛАН по А+ 96 100 «Физика 2» Практ. 32 час. А 90

Подготовка к ЕГЭ по физике (4 месяца) Перечень лекций, тестов и заданий. Дата начала Дата завершения Блок 0 Введение В.1 Скалярные и векторные величины. В.2 Сложение и вычитание векторов. В.3 Умножение

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Кафедра вычислительной физики ОЦЕНОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.2 СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА Открытие тока смещения позволило Максвеллу создать единую теорию электрических и магнитных явлений. Эта теория не только объясняла все известные в то время экспериментальные

Контрольные вопросы к разделам РАЗДЕЛ 1. УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ 1. Чем определяется связь между источниками и возбуждаемыми ими электромагнитными полями? 2. Какой

Тема: Лекция 40 Предсказание и открытие электромагнитных волн. Опыты Герца. Излучение э/м волн. Скорость их распространения. Перенос энергии э/м волной. Шкала электромагнитных волн. В 1864 году великий

1 Аннотация рабочей программы дисциплины Электродинамика (наименование дисциплины) Направление подготовки 03.03.02 физика Профиль подготовки «Фундаментальная физика», «Физика атомного ядра и частиц» Квалификация

1 Основы математической теории анализа и синтеза зеркальных антенн В широко известной литературе по анализу антенных систем зеркального типа, включая монографии , предложен ряд моделей и сформированных

Электромагнитные волны. 1. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны.. Основные свойства электромагнитных волн. 3. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнинга. 4. Излучение диполя. 1.

ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ЛЕКЦИИ 1-2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ (Для студентов элитного технического отделения ЭТО-2) Содержание лекции Уравнения Максвелла Волновое уравнение для электромагнитного поля Свойства электромагнитных

Экзаменационные билеты «Электричество и магнетизм» (2013 г.) Лектор: проф. В.А.Алешкевич Билет 1. 1. Электромагнитное взаимодействие и его место среди других взаимодействий в природе. Электрический заряд.

ФИЗИКА для студентов кафедр ИУ3, ИУ4, ИУ5, ИУ6, ИУ7, РК 6, РЛ6, МТ4, МТ8, МТ11, СМ13 3 СЕМЕСТР Модуль 1 Таблица 1 Виды аудиторных занятий и самостоятельной работы Сроки проведения или выполнения, недели

Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов Специальностей «Радиотехника» и «Радиотехнические системы» учреждений, обеспечивающих получение высшего образования

Минск «Бестпринт»

УДК 537.87 ББК 32.86-01

Рецензенты:

Кафедра радиофизики БГУ.

Воропаев Ю.П. доктор технических наук, профессор Военной Академии Р.Б.

К93 Кураев А.А.

Электродинамика и распространение радиоволн / А.А. Кураев, Т. Л. Попкова, А. К. Синицын. –Мн.: Бестпринт. 2004-357с.

ISBN 985-6722-89-6

Излагаются основы теории электромагнетизма. Рассматриваются процессы излучения, отражения и преломления волн, дифракция, распространение волн в волноводах различной конфигурации, включая нерегулярные структуры, в тропосфере и ионосфере, электромагнитные колебания в резонаторах, процессы в интегральных схемах СВЧ. Излагается теория возбуждения регулярных и нерегулярных волноводов и резонаторов с учетом потерь в стенках. Описываются в виде законов сохранения особенности взаимодействия заряженных частиц с полями, имеющими пространственно-временную симметрию. Обсуждаются машинно-ориентированные методы оптимизации и синтеза электродинамических систем.

Книга предназначена для студентов, магистрантов и аспирантов радиотехнических специальностей.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последнее десятилетие существенно расширилась область использования электромагнитных волн сверхвысоких частот (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ). Наряду с традиционными направлениями применения волн СВЧ и КВЧ диапазонов – наземные и космические телекоммуникационные системы, радиолокация, телеметрия, радионавигация, телевидение, появились новые области: медицина (диагностика и терапия), промышленность и сельское хозяйство (системы СВЧ обработки и синтеза материалов, продуктов и т.д.), информатика (тактовые частоты процессоров достигли СВЧ и КВЧ диапазонов), термоядерный синтез (нагрев термоядерной плазмы в КВЧ диапазоне), системы ПРО и ПВО нового поколения. Одновременно расширился круг электродинамических задач и методов их решения. Возникли задачи синтеза конфигураций (профилей) электродинамических систем, что потребовало создания теории произвольно-нерегулярных электродинамических систем с некоординатными границами, развития адекватных методов решения соответствующих граничных задач электродинамики. Повысились требования к точности и сходимости методов. Оказалось, что некоторые традиционно входящие в учебники решения не вполне корректны и соответствующие разделы должны быть заменены и изложены на основе современных достижений электродинамики (в частности, теория возбуждения электродинамических систем с омическими потерями). Кроме того, в истекшее десятилетие приобрели важное значение вычислительные методы, опирающиеся на использование современных ЭВМ. Применение вычислительного эксперимента, методов оптимизации лежит в основе современных разработок и проектирования радиоэлектронной аппаратуры СВЧ и КВЧ. В этой связи немаловажное значение приобретают математические модели систем и устройств СВЧ – их точность и адекватность, удобная для применения вычислительных методов форма становятся необходимыми критериями их оценки. Методы решения краевых задач электродинамики также должны быть машинноориентированными.

Между тем, за последнее десятилетие учебная литература по электродинамике и распространению радиоволн не издавалась и все перечисленные достижения в этой области, новые направления, а также и определенная переориентация приоритетов остались вне доступной для студентов литературе. Предлагаемое читателю учебное пособие восполняет в определенной степени сложившийся информационный дефицит в указанной области.

Учебное пособие «Электродинамика и распространение радиоволн» соответствует типовой программе одноименного курса, утвержденной Министерством образования Республики Беларусь 24 июня 2001г. (регистрационный № ТД-164/тип).

Учебное пособие написано на основе лекций по курсам «Электродинамика и распространение радиоволн», «Электромагнитные поля и волны»,

«Основы информационных технологий», читаемых авторами в течение ряда лет студентам БГУИР, и предназначено для широкого ряда специальностей: 39.01.01 «Радиотехника», 39.01.03 «Радиоинформатика», 31.04.02 «Радиофизика», 39.01.02 «Радиоэлектронные системы», 95.02.31 «Телекоммуникационные системы», 36.04.01 «Электронно-оптическое аппаратостроение», 36.04.02 «Промышленная электроника», 02.05.01 «Математика», 02.05.03 «Математика. Физика», 31.03.03 «Прикладная математика», 02.05.02 «Физика», 02.05.04 «Физика. Дополнительные специальности», 38.01.03 «Электронные приборы», 53.01.02 «Автоматизированные системы обработки информации».

Авторы придерживались концепции максимально возможного баланса двух сторон описания электромагнитных явлений – математического и физического. Необходимость первого очевидна: задачи электродинамики составляют неотъемлемую часть математической физики и являются фундаментом расчета и проектирования систем и устройств СВЧ. Физическое же описание электромагнитных явлений формирует специфическое «электродинамическое мышление», определяющее творческий подход в решении исследовательских и инженерных задач в области радиоэлектроники и радиоинформатики СВЧ и КВЧ. Для улучшения восприятия физической картины электромагнитных полей и волн в книге принято их описание с помощью потенциалов Герца, которые, после определенных доказательств, позволяют изобразить геометрическую структуру волн целиком, без покомпонентного синтеза.

В книге проведена градация материала по сложности: специальные главы, содержащие более сложный материал и громоздкие выкладки, помечены звездочкой. Эти главы необходимы для углубленного изучения материала студентами и аспирантами, ведущими научные исследования в области электромагнитной теории и техники СВЧ и КВЧ. Это также должно помочь преподавателям оптимальным образом формировать свои курсы лекций. Некоторые второстепенные вопросы, подробно представленные в старой литературе, изложены конспективно. В списке литературы наряду с традиционными учебниками даны специальные монографии, а также прекрасные труды основоположников электродинамики сороковых-пятидесятых лет прошлого века. Они дают хороший материал для организации на высоком уровне самостоятельной работы студентов.

Авторы выражают благодарность профессору кафедры радиотехники Военной академии Республики Беларусь, доктору технических наук Воропаеву Юрию Павловичу и коллективу кафедры радиофизики Белорусского государственного университета за полезные замечания, которые были учтены при доработке текста рукописи учебного пособия.

А.А. Кураев, Т.Л. Попкова, А.К. Синицын

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

Под электромагнитным полем (ЭМП) следует понимать среду, про- странственно-временное состояние которой полностью определяется (задается) четырьмя векторами:

E (х,y,z,t) – вектор напряженности электрического поляB м .

Будем рассматривать ЭМП в объеме V с граничной поверхностьюS , на которой происходит скачок свойств среды.

Во всех внутренних точках V , т.е. точках, не принадлежащих S, векторы поля непрерывны вместе с первой и второй производными по координатам, а также конечны. Эти векторы удовлетворяют четырем уравнениям Максвелла (УМ):

ρ - объемная плотность электрического заряда K .

УМ являются фундаментальными законами для ЭМП в макроскопическом приближении, и в настоящее время не существует более общих законов, следствиями которых они бы являлись.

Теория Максвелла содержит ряд постулатов, не следующих из какихлибо опытов, но ее предсказания привели к открытию ЭМП и до сих пор нет опытов или приборов, опровергающих теорию Максвелла.