Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч - страница 1

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 

СВ. Соколов, Л.Д. Писаренко, В.О. Журба

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ ТА ОСНОВИ ТЕХНІКИ НВЧ

 

Навчальний посібник

 

За загальною редакцією Г.С. Воробйова

 

 

 

 

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Суми

Сумський державний університет 2011УДК 537.8+621.3.09(075.8) ББК 22.37я7 Т 59

Авторський колектив: С.В. Соколов, кандидат фізико-математичних наук, доцент; Л.Д. Писаренко, доктор фізико-математичних наук, професор; В. О. Журба, кандидат фізико-математичних наук

 

Рецензенти:

О.О. Шматько - доктор фізико-математичних наук, професор (Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна); Г.І. Чурюмов - доктор фізико-математичних наук, професор (Харківський національний університет радіоелектроніки); В.В. Старостєнко - доктор фізико-математичних наук, доцент (Таврійський національний університет ім. В.І. Вернадського)

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямами підготовки "Мікро- та наноелектроніка " та "Електронні пристрої та системи" (лист № 1/11-149 від 11 січня 2011 року)

Теорія електромагнітного поля і основи техніки НВЧ: навч. Т 59    посіб. / С.В. Соколов, Л.Д. Писаренко, В.О. Журба; за заг. ред. Г.С. Воробйова. - Суми : Сумський державний університет, 2011. - 393 с. ISBN 978-966-657-339-4

У навчальному посібнику викладено теорію електромагнітного поля та основи техніки НВЧ для студентів денної та заочної форм навчання за напрямами підготовки "Електронні пристрої та системи", "Мікро- та наноелектроніка". Наведені основні методи і приклади розв'язання задач з теорії поля, типові лабораторні роботи, тести для перевірки знань студентів і інший довідковий матеріал.ISBN 978-966-657-339-4


УДК 537.8+621.3.09(075.8) ББК 22.37я7

 

© Соколов С.В., Писаренко Л.Д.,

Журба В.О., 2011

© Сумський державний університет, 2011ЗМІСТ

 

ВСТУП ................................................................................... 8

РОЗДІЛ 1 ОСНОВНІ РІВНЯННЯ І ЗАКОНИ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ                      12

1.1  Загальна характеристика електромагнітного поля ..12

1.2  Рівняння Максвелла та їх фізичний зміст................ 22

1.3  Рівняння безперервності, Лапласа і Пуассона 26

1.4  Рівняння енергетичного балансу електромагнітного
поля (теорема Умова-Пойнтінга) 29

1.5  Закони зміни векторів електромагнітного поля на
границі поділу двох середовищ (граничні умови)
........ 33

1.6  Приклади використання основних рівнянь і законів

при описі електромагнітних полів........ 39

Запитання для самоперевірки ... 49

РОЗДІЛ 2 ЧАСТКОВІ ВИДИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО

ПОЛЯ 51

2.1  Загальні властивості і рівняння квазістатичних,
квазістаціонарних і стаціонарних полів
......................... 51

2.2  Електростатичне поле            56

2.3  Електричне поле постійного струму            60

2.4  Магнітне поле постійного струму    64

2.5  Аналогія між стаціонарними полями 67

2.6  Електрична ємність, власна і взаємна індуктивність,

енергія стаціонарних полів 70

2.7 Приклади аналізу стаціонарних і квазістаціонарних
полів у найпростіших компонентах електричних кіл....
76
Запитання для самоперевірки         90РОЗДІЛ 3 ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛЬОВІ ПРОЦЕСИ 92

3.1  Хвильові функції та рівняння................................... 92

3.2  Параметри плоскої хвилі в однорідному
середовищі
........................................................................ 99

3.3  Поляризація, відбиття і переломлення
електромагнітних хвиль
................................................ 108

3.4  Спрямовані електромагнітні хвилі......................... 114

3.5  Випромінювання електромагнітних хвиль........... 126

3.6  Приклади аналізу хвильових процесів.................. 132

Запитання для самоперевірки....................................... 142

РОЗДІЛ 4 ОСНОВИ ТЕХНІКИ НВЧ ТА ЇЇ

ЗАСТОСУВАННЯ                                            144

4.1  Загальні відомості про лінії передачі...................... 147

4.2  Багатозв'язні лінії передачі...................................... 151

4.3  Однозв'язні лінії передачі........................................ 155

4.4  Хвилеводи повільних хвиль (сповільнювальні
системи)
........................................................................... 172

4.5  Об'ємні резонатори................................................... 185

4.6  Основні відомості про антени................................. 198

 

4.6.1  Класифікація й основні характеристики антен 198

4.6.2  Основні типи антен і їх властивості     201

 

4.7  Короткі відомості про пристрої НВЧ для формування електромагнітних полів і вимірювання їх параметрів.211

4.8  Особливості квазіоптичних пристроїв міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль.... 218

4.9  Основні принципи побудови телекомунікаційних

систем зв'язку НВЧ-діапазону....................................... 236

Запитання для самоперевірки         246РОЗДІЛ 5 МЕТОДИ І ПРИКЛАДИ РОЗВ'ЯЗАННЯ

ЗАДАЧ ІЗ ТЕОРІЇ ПОЛЯ   248

5.1  Загальна характеристика методів розв'язання

задач 248

5.2  Методи, що ґрунтуються на теоремі Гауса і законі
повного струму в інтегральній формі з використанням
властивості накладення полів     255

5.3  Інтегрування рівнянь Пуассона і Лапласа для
одновимірних полів........ 257

5.4  Інтегрування рівнянь Лапласа і Гельмгольца
методом розділення змінних (методом Фур'є)
............ 258

5.5  Метод дзеркальних зображень................................ 268

5.6  Конформне перетворення (відображення)

плоскопаралельних полів.............................................. 272

5.7 Приклади розв'язання задач.................................... 274

Запитання для самоперевірки....................................... 316

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ     318

ДОДАТОК А 323

ДОДАТОК Б....................................................................... 342

ДОДАТОК В 364ПЕРЕДМОВА

 

Видані раніше підручники і посібники з електромаг­нітних полів і хвиль, наприклад [1-3], як і ті, що з'явилися останніми роками [4-7], в основному орієнтовані на підго­товку фахівців електричного і електроенергетичного про­філів, що визначає структуру їх побудови, що ґрунтується на переході від окремих видів полів (електростатичного, електричного і магнітного полів постійного струму) до за­гальних рівнянь електромагнітних полів. На наш погляд, заснований на багаторічному досвіді викладання теорії по­ля студентам напрямку підготовки «Електроніка» більш кращим є фундаментальний підхід, який базується на ви­користанні рівнянь Максвелла для опису як стаціонарних (окремий випадок), так і змінних (загальні хвильові проце­си) електромагнітних полів. Такий підхід у комбінації із прикладними аспектами електромагнітних процесів у кон­кретних пристроях дозволяє майбутньому фахівцю опти­мально адаптуватися в галузі розроблення електронних приладів і систем на базі мікро- і нанотехнологій.

Даний навчальний посібник є розширеним і доповне­ним практичними питаннями варіантом посібника «Елект­ромагнітні поля і хвилі», який надруковано у «Ризоцентрі» СумДУ у 2002 році [8]. Він призначений для організації роботи студентів з вивчення курсу «Теорія поля», який на­лежить до базових дисциплін, що закладають основи по­дальшої професійної підготовки фахівців і магістрів. У свою чергу, вивчення даного курсу студенти розпочинають після освоєння розділу «Електрика і магнетизм» курсу за­гальної фізики [9-10] і відповідних розділів курсу вищої математики [11]. Тому основні поняття, що належать до електромагнітного поля, студентам до початку вивчення курсу відомі. У курсі «Теорія поля» ці знання розширю­ються і поглиблюються стосовно до методів теоретичногоаналізу та експериментального дослідження явищ в електромагнітних полях, з якими в будь-якому елек­тронному приладі, у тому або іншому вигляді, відбувається електромагнітна взаємодія заряджених часток, що здій­снюється шляхом обміну квантами електромагнітного поля - фотонами. Фотони мають властивості як частинки, так і хвилі. Закони випромінювання і поглинання фотонів зарядженими частинками вивчаються у квантовій електро­динаміці.

Закономірності перебігу електромагнітних явищ у різ­них середовищах і системах (без урахування квантових ефектів) є предметом вивчення класичної теорії поля і при­кладної електродинаміки (техніки НВЧ), яка наочно ілюс­трує застосування основних рівнянь при розрахунках прак­тичних систем електроніки і техніки, принцип роботи яких полягає у використанні властивостей електромагнітних полів і хвиль.

Навчальний посібник розрахований на студентів на­прямків підготовки «Електронні пристрої і системи», «Мікро- і наноелектроніка», може бути використаний аспі­рантами і інженерами спеціальностей «Фізична електро­ніка», «Фізика приладів елементів і систем» та інших на­прямків підготовки фахівців, пов'язаних із розроблення і застосуванням електрофізичного обладнання.

Автори висловлюють глибоку подяку рецензентам: професору кафедри фізики НВЧ Харківського національ­ного університету імені В.Н. Каразіна Шматько О.О., про­фесору кафедри фізичних основ електронної техніки Хар­ківського національного університету радіоелектроніки Чурюмову Г. І., завідувачу кафедри радіофізики і електро­ніки Таврійського національного університету ім. В. І. Вернадського Старостєнко В. В. за критичні заува­ження, поради і рекомендації щодо матеріалу рукопису, які дозволили поліпшити зміст навчального посібника.ВСТУП

 

Історично вперше термін «електрика» був уведений у 1600 році англійським вченим У. Гільбертом. У 1748 році американський вчений В. Франклін формулює закон збе­реження заряду, а у 1785 році французький учений Ш. Кулон сформулював закон, який названий на його честь. Вплив струму на магнітну стрілку вивчався датсь­ким ученим Х. Ерстедом у 1819 році, а взаємодія струмів -французьким ученим А. Ампером у 1820 році (вводяться поняття: електричний струм, сила струму, електрична на­пруга). У 1831 році англійським вченим М. Фарадеєм сформульований закон електромагнітної індукції, а у 1873 році його співвітчизником Д. Максвеллом введене поняття струмів зміщення і сформульовані рівняння змінного елек­тромагнітного поля, які мають його ім'я. Теоретичні робо­ти Максвелла свідчили про існування електромагнітних хвиль і про матеріальність електромагнітного поля, що ек­спериментально було доведено німецьким ученим Г. Герцом (1887 р.) і російським ученим П. Лебедєвим

(1899 р.).

Властивості електромагнітного поля суттєво залежать від характеру його зміни в часі. Часто зміни електромагні­тних полів відбуваються у дуже широких межах. Для зруч­ності весь спектр електромагнітних коливань умовно мож­на розбити на окремі діапазони (рис. 1), у кожному з яких електромагнітне поле має певні особливості поширення і взаємодії із речовиною.

Повний перелік діапазонів електромагнітних хвиль які найбільш широко застосовуються, і їх розшифрування на­ведено в таблиці 4.1 (див. розділ 4).

Діапазон дуже високих частот (ДВЧ) (рис. 1) назива­ють діапазоном метрових хвиль = 10 -1 м), ультрависо­ких    частот    (УВЧ)    -    дециметровим діапазоном(1 = 10 -1 дм), надвисоких частот (НВЧ) - сантиметровим (1 = 10 -1 см), край високих частот (КВЧ) - міліметровим (1 = 10 -1 мм), гіпервисоких частот (ГВЧ) - субміліметро­вим (1 = 1 - 0,1 мм). Частота коливань поля f визначаєть­ся за формулою

f = c /1,

 

де c - швидкість світла; 1 - довжина хвилі.

Оптичний

Радіодіапазон            НВЧ-діапазон діапазон
-------------------------------------------------------------

І ДВЧ   УВЧ І НВЧ І КВЧ     ГВЧ І

І (МВ)   (ДМВ)|(СМВ)|(ММВ) (СММВ)|

l , м             10        1        10 -1      10 -2      10 -3        10 -4

мІ 1 І 1 І 1 І 1 І 1 І 1 »

107      10 8       10 9      10 10     10 11     10 12        f Гц

 

Рисунок 1 - Основна ділянка спектра електромагнітних коливань

 

Із рис. 1 випливає, що електромагнітні поля присутні у широкому спектрі частотного діапазону. При цьому особ­ливо виділяють сантиметрові хвилі (діапазон НВЧ), оскільки фізичні явища в приладах і пристроях, характерні для цього діапазону, зберігаються у міліметровому, деци­метровому і частково у субміліметровому діапазонах. То­му надалі термін НВЧ буде застосовуватися (за відсутності застереження) до всіх перелічених вище діапазонів, позна­чених на рис. 1.Електромагнітні коливання НВЧ характеризуються низкою важливих фізичних властивостей, які базуються на теорії електромагнетизму і хвильових явищ.

У діапазоні НВЧ довжина хвилі стає порівнянною із розмірами елементів ланцюгів. Енергія швидкозмінних струмів у провідниках інтенсивно випромінюється у навколишній простір у вигляді електромагнітних хвиль. Якщо провідники є елементами антен, то випромінювання електромагнітної енергії в навколишній простір корисно і використовується для передавання інформації. У радіотех­нічних системах за рахунок випромінювання відбувається збільшення втрат енергії і виникають небажані, як прави­ло, неконтрольовані зв'язки між елементами. Отже, при переході до діапазону НВЧ конструкції елементів і схем повинні бути змінені так, щоб втрати енергії за рахунок випромінювань зводилися до мінімуму.

Хвилі НВЧ, особливо діапазону 100 МГц - 10 ГГц, майже безперешкодно проникають крізь атмосферу і іоно­сферу. Існування «вікон прозорості» у діапазоні НВЧ ро­бить можливим використання їх для вивчення світового простору радіоастрономічними методами, для розвитку космічних досліджень, обміну інформацією між Землею і космічним обладнанням.

Діапазон НВЧ має велику інформаційну ємність, що дозволяє здійснювати багатоканальний телефонний і теле­візійний зв'язок. Освоєння діапазону НВЧ спричинило пе­регляд усіх основних уявлень про поширення, методи ре­зонансного виділення і каналізації електромагнітних хвиль. Системи із зосередженими параметрами на НВЧ за­міняються системами із розподіленими параметрами (по­рожніми хвилеводами, об'ємними резонаторами); зміню­ються також і методи розрахунків. Аналіз електродинаміч­них систем НВЧ базується на математичному апараті, який використовує рівняння Максвелла або похідні від них ди­ференціальні рівняння. Це дає можливість вивчати розпо­ділені у просторі змінні електричні і магнітні поля, врахо­вуючи їх хвильовий характер.

Навчальний посібник складається з п'яти розділів і трьох додатків. Перші три розділи присвячені висвітлен­ню основ теорії електромагнітного поля, включаючи рів­няння Максвелла, хвильові рівняння, рівняння стаціонар­них і квазістаціонарних полів, теорію плоских і спрямова­них електромагнітних хвиль, принципи випромінювання полів. Наступні два розділи мають прикладний характер. У них розглядаються основні типи спрямовувальних систем і резонаторів (включаючи квазіоптичні), антен, викладені короткі відомості про пристрої для формування електро­магнітних полів і вимірювання їх параметрів, а також на­ведені основні методи і приклади розв'язання задач із «Те­орії поля».

Практично всі розділи посібника мають приклади, що ілюструють фізичні процеси, які відбуваються в електро­магнітних полях, а також запитання для самоконтролю.

Методика викладання, а також ступінь деталізації ма­теріалів і математичних викладів обрані таким чином, щоб студенти могли самостійно поглибити свої знання з викла­дених тематик. У додаток винесені обов'язковий перелік завдань для закріплення студентами теоретичного матеріа­лу, методичні вказівки до виконання типових лаборатор­них робіт, тестові питання та інші довідкові дані. Перелік рекомендованої літератури містить підручники і навчальні посібники з курсу «Теорія поля», а також літературні дже­рела за суміжними питаннями, пов'язаними із прикладною електродинамікою і технікою НВЧ, що допоможе студен­там і фахівцям у даній галузі отримати додаткову інфор­мацію практичного плану.РОЗДІЛ 1 ОСНОВНІ РІВНЯННЯ І ЗАКОНИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ

 

 

1.1 Загальна характеристика електромагнітного поля

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 


Похожие статьи

Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч