Рекомендуем

Электродинамика и распространение радиоволнПетров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн
Колебания и волны  в природе и технике. Компьютеризированный курсКаганов В.И. Колебания и волны в природе и технике. Компьютеризированный курс
Электромагнитные поля и волныСедов В.М., Гайнутдинов Т.А. Электромагнитные поля и волны

Книга

Электродинамика и распространение радиоволн. Часть 1 – «Электродинамика»

Учебное пособие для вузов
2017 г.
296 стр.
Тираж 500 экз.
Формат 60х90/16 (145x215 мм)
Исполнение: в мягкой обложке
ISBN 978-5-9912-0520-7
ББК 32.88
УДК 538.3 (075.8)
Гриф УМО
Рекомендовано УМО по образованию в области Инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (квалификация «бакалавр»)
Аннотация

Систематически и подробно рассмотрено решение уравнений электродинамики в дифференциальной форме как решение волнового уравнения или уравнения Гельмгольца для векторных потенциалов в задачах возбуждения электромагнитных полей различными источниками в неограниченном однородном пространстве. Подробно разобраны параметры полей сферической, цилиндрической и плоской волн, поверхностной волны. Изложены основные теоремы и принципы электродинамики; основы теории открытых и закрытых направляющих систем и объёмных резонаторов; рассмотрены электромагнитно-волновые явления, возникающие при отражении плоской волны от плоской поверхности раздела сред, и явления рассеяния и дифракции электромагнитного поля, соответствующие прикладным задачам радиотехники. Особое внимание уделено физической интерпретации явлений электромагнетизма. Все разделы книги снабжены контрольными вопросами.

Для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» и «Радиотехника» (квалификация «бакалавр»).

Оглавление

Оглавление

Предисловие

Введение
В.1. Определения
В.2. О точке наблюдения. О математическом моделировании
В.3. Об истории электромагнетизма
Раздел 1. Система уравнений электродинамики

1.1. Электрический заряд. Плотности заряда
1.2. Закон Гаусса. Обобщенный закон Гаусса. Вектор электрической индукции Материальное уравнение диэлектрической среды
1.3. Третье уравнение Максвелла (УМ-3)
1.4. Плотности тока. Ток. Закон сохранения электрического заряда
1.4.1. Плотность объемного тока. Ток
1.4.2. Закон сохранения электрического заряда
1.4.3. Плотности поверхностного и линейного токов
1.5. Векторы магнитного поля. Закон замкнутости силовых линий магнитного поля. Четвертое уравнение Максвелла (УМ-4). Закон Ампера в магнитостатике
1.5.1. Вектор магнитной индукции
1.5.2. Вектор напряженности магнитного поля. Обобщенный закон Ампера в магнитостатике
1.5.3. Магнитная проницаемость вещества
1.6. Закон полного тока Ампера (УМ-1)
1.7. Обобщенный законЭМ индукции Фарадея–Максвелла (УМ-2)
1.8. Закон Ома в дифференциальной форме. Обобщенный закон Ома
1.9. Закон Джоуля–Ленца. Источники ЭМ Поля
1.10. Нелинейные среды. Частотная дисперсия среды
1.11. Система уравнений Максвелла. Система уравнений электродинамики
1.11.1. УМ для произвольной среды
1.11.2. Полная система уравнений электродинамики
1.12. Векторный и скалярный потенциалы. Волновое уравнение
1.12.1. Электрические векторный и скалярный потенциалы
1.12.2. Волновое уравнение
1.13. Уравнения электродинамики в комплексной форме
1.13.1. Метод комплексных амплитуд (КА)
1.13.2. УМ в комплексной форме. Комплексная форма уравнений электродинамики
1.13.3. Комплексная диэлектрическая проницаемость вещества
1.14. Уравнение баланса мощностей для комплексных амплитуд векторов поля
1.14.1. Энергетические характеристики в теории цепей
1.14.2. Энергетические характеристики ЭМ поля
1.14.3. Уравнение баланса мощностей для линейной изотропной среды, не имеющей гистерезиса
1.15. Классификация сред. Математические модели
1.16. Тангенс угла электрических потерь
1.17. Комплексная амплитуда электрического векторного потенциала. Уравнение Гельмгольца
1.17.1. Уравнение Гельмгольца
1.17.2. Комплексные амплитуды векторов напряженностей
1.18. Коэффициенты распространения, фазы и затухания
1.19. УравненияМаксвелла для векторов ЭМполя, возбуждаемого фиктивными магнитными зарядами и токами. Принцип перестановочной двойственности
1.19.1. Уравнения Максвелла для векторов ЭМ поля, возбуждаемого фиктивными сторонними магнитными зарядами и токами
1.19.2. Принцип перестановочной двойственности
1.19.3. Обозначения плотностей поверхностных и линейных фиктивных сторонних магнитных зарядов и токов
1.20. Векторы напряженностей поля, возбуждаемого сторонними электрическими и фиктивными магнитными токами и зарядами
Контрольные вопросы

Раздел 2. Электромагнитное поле в неограниченном пространстве
2.1. Математические модели излучателей
2.1.1. Область стороннего тока
2.1.2. Определения
2.1.3. Математическая модель прямолинейного тонкого вибратора
2.1.4. Распределение плотности линейного тока8
2.1.5. Математическая модель рамки электрического тока
2.2. Решение неоднородного уравнения Гельмгольца
2.2.1. Решение уравнения Гельмгольца для электрического векторного потенциала Функция источника (Грина)
2.2.2. Решение уравнения Гельмгольца для магнитного векторного потенциала
2.3. Векторы напряженностей ЭМ поля
2.4. Поле прямолинейных излучателей в зоне излучения
2.4.1. Составляющие векторов напряженностей поля. Разность хода лучей
2.4.2. Характеристическое сопротивление неограниченного пространства
2.5. Характеристика направленности излучателя
2.6. Сферическая волна. Параметры ЭМ поля
2.6.1. Вектор Пойнтинга. Продольное направление. Мгновенные значения Eθ и HΛ
2.6.2. Волновая функция. Фронт волны. Сферическая волна. Фазовая скорость волны
2.6.3. Параметры ЭМ поля в среде с тепловыми потерями
2.7. Параметры ЭМ поля в реальных диэлектрике и проводнике
2.7.1. Реальный диэлектрик
2.7.2. Реальный проводник
2.8. Элементарный электрический вибратор
2.8.1. Определения. Распределения плотностей тока и заряда вдоль вибратора
2.8.2. Составляющие векторов напряженностей ЭМ поля. Зоны
2.8.3. Характеристика и диаграмма направленности
2.8.4. Силовые линии электрического и магнитного полей
2.8.5. Мощность излучения. Сопротивление излучения
2.9. Поле рамки электрического тока. Элементарная рамка электрического тока
2.9.1. Векторные потенциалы
2.9.2. Поле внутри элементарной рамки
2.9.3. Поле снаружи элементарной рамки при R >> a
2.9.4. Поле в ближней зоне элементарной рамки
2.9.5. Поле в дальней зоне элементарной рамки
2.10. Поле элементарного магнитного вибратора
2.11. Поле элементарной магнитной рамки
2.12. Электрическая и магнитная волны
2.13. Поверхностная и цилиндрическая волны
2.13.1. Поверхностная волна
2.13.2. Цилиндрическая волна
2.14. Поле бесконечного плоского листа тока. Плоская волна
2.14.1. Поверхностная (медленная) волна
2.14.2. Плоская волна
2.15. Поле плоского листа электрического и фиктивного магнитного тока
2.15.1. Векторы напряженностей ЭМ поля, возбуждаемого электрическими токами
2.15.2. Векторы напряженностей ЭМ поля, возбуждаемого магнитными токами
2.15.3. Векторы напряженностей полного поля
2.16. Характеристика направленности прямоугольного плоского листа
2.17. Элементарный поверхостный излучатель (элемент Гюйгенса)
2.18. Линейная и вращающаяся поляризации поля
Контрольные вопросы

Раздел 3. Теоремы и принципы электродинамики
3.1. Граничные условия на поверхностях раздела реальных сред
3.1.1. Граничные условия для нормальных составляющих векторов поля
3.1.2. Граничные условия для касательных составляющих векторов напряженностей полей
3.1.3. Граничные условия на ребре
3.2. Граничные условия на поверхности идеально проводящего тела
3.2.1. Граничные условия для нормальных составляющих векторов индукций и напряженностей поля
3.2.2. Граничные условия для касательных к поверхности составляющих векторов E и H
3.2.3. Поведение силовых линий ЭП и МП у поверхности идеального проводника
3.3. Лемма Лоренца
3.3.1. Дифференциальная форма леммы Лоренца
3.3.2. Лемма Лоренца в интегральной форме
3.3.3. Теорема единственности решений задач электродинамики. Условия излучения
3.3.4. Внутренняя граничная задача ЭД
3.3.5. Внешняя граничная задача ЭД
3.3.6. Условия излучения
3.4. Принцип эквивалентности плотностей поверхностных электрического и магнитного токов и касательных к поверхности составляющих векторов напряженностей поля
3.4.1. Принцип эквивалентных поверхностных токов
3.5. Принцип Гюйгенса и интеграл Кирхгофа
3.5.1. Принцип Гюйгенса-Френеля
3.5.2. Интеграл Кирхгофа
3.6. Теорема взаимности
3.6.1. Математическая формулировка теоремы взаимности
3.6.2. Взаимные сопротивления вибраторов
3.6.3. Взаимность положений элементарных магнитных вибраторов
3.6.4. ЭМ свзязь двух элементарных вибраторов
Контрольные вопросы

Раздел 4. Электромагнитные явления у плоской границы раздела двух сред
4.1. Падение плоской волны на плоскую границу раздела двух сред
4.2. Волновые явления при отражении ЭМ поля от идеально проводящего полупространства, ограниченного плоской поверхностью раздела сред
4.3. Явление полного преломления и полного отражения
4.3.1. Явление полного преломления
4.3.2. Явление полного отражения. Поверхностная волна
4.4. Графики модулей и фаз коэффициентов отражения
4.5. Импедансные граничные условия
4.6. Сопротивление плоского проводника при поверхностном эффекте
4.7. Метод зеркальных изображений
4.7.1. Постановка задачи для нити синфазного магнитного тока
4.7.2. Постановка задачи для нити синфазного электрического тока
4.7.3. Анализ поля в случае, когда нижнее полупространство — идеальный проводник
4.7.4. Токи зеркальных источников
4.7.5. Случай реальной среды в нижнем полупространстве
Контрольные вопросы

Раздел 5. Основы теории направляющих систем
5.1. Определения
5.2. Разделение ЭМ поля на поля волн электрического и магнитного типов. Характеристические сопротивления
5.2.1. Разделение поля в ДСК
5.2.2. Векторная форма представления напряженностей полей E-волн и H-волн
5.2.3. Характеристические сопротивления E- и H-волн
5.3. Граничные задачи для продольных составляющих векторов напряженностей поля
5.3.1. Граничные задачи о возбуждении поля
5.3.2. Граничные задачи о возможности существования полей направляемых волн электрического и магнитного типов
5.3.3. Распространяющиеся направляемые волны. Нераспространяющиеся «волны». Параметры направляющих систем
5.4. Мощность, переносимая полем через поперечное сечение направляющей системы
5.5. Коэффициенты затухания векторов поля
5.5.1. Коэффициент затухания векторов поля в направляющей системе за счет джоулевых потерь в металле
5.5.2. Коэффициент затухания векторов поля за счет тепловых потерь в диэлектрике
5.5.3. Единицы измерения коэффициента затухания
Контрольные вопросы

Раздел 6. Электромагнитные волны в закрытых направляющих системах
6.1. Физические соображения о возбуждении типов волн в волноводе
6.2. Граничная задача о возможности существования поля волн электрического типа в прямоугольном волноводе
6.3. Граничная задача о возможности существования поля волн магнитного типа в прямоугольном волноводе
6.4. Векторы напряжённостей волн электрического и магнитного типов в прямоугольном волноводе
6.4.1. Поле Emn-волн
6.4.2. Поле Hmn-волн
6.4.3. Парциальные волны
6.4.4. Параметры поля Emn- и Hmn-волн
6.5. Волна основного типа в прямоугольном волноводе
6.5.1. Параметры H10-волны
6.5.2. Силовые линии ЭП и МП H10-волны
6.6. Поверхностные токи на внутренних стенках прямоугольного волновода. Щели
6.6.1. Поверхностный электрический ток
6.6.2. Щели
6.7. Физические соображения о построении силовых линий полей Emn-волн и Hmn-волн
6.8. Круглый волновод
6.8.1. Задачи о возможности существования Emn-волн
6.8.2. Граничная задача о возможности существования Hmn-волн
6.8.3. Поперечные составляющие векторов напряженностей
6.8.4. Параметры. Критическая длина волны. Волна основного типа
6.8.5. Структура силовых линий полей
6.9. Коаксиальная линия
6.9.1. Волны типа Emn
6.9.2. Волны типа Hmn
6.9.3. T-волна
6.9.4. Волновое сопротивление
Контрольные вопросы

Раздел 7. Электромагнитные волны в открытых направляющих системах
7.1. Симметричные линии
7.1.1. Антифазная T-волна
7.1.2. Экранированная двухпроводная линия
7.2. Диэлектрическая пластина
7.2.1. Граничная задача о возможности существования поля En-волн
7.2.2. О возможности существования направляемых H0n-волн
7.3. Круглый диэлектрический волновод
7.3.1. Граничная задача о возможности распространения ЭМ волн в направляющей системе
7.3.2. Критические длины волн
7.3.3. Мощность. Коэффициент затухания
7.3.4. Силовые линии полей
7.4. Однопроводная линия поверхностной волны
7.4.1. Постановка и решение граничной задачи
7.4.2. Провод, покрытый слоем диэлектрика
7.5. Сопротивление прямолинейного цилиндрического провода. Поверхностный эффект
7.5.1. Поверхностный эффект
7.5.2. Способ уменьшения сопротивления переменному току
7.6. Понятие о квазиоптических направляющих системах
7.6.1. О параметрах закрытых волноводов
7.6.2. Линзовая линия
7.6.3. Зеркальная линия
7.7. Понятие об оптических волноводах
7.8. Полосковые волноводы
Контрольные вопросы

Раздел 8. Электромагнитные поля в объемных резонаторах
8.1. Параметры. Определения. Добротность
8.1.1. Параметры. Определения
8.1.2. Понятия об устройствах ввода ЭМ энергии в резонатор и вывода её из резонатора
8.1.3. Добротность
8.1.4. Мощность джоулевых потерь в закрытом резонаторе
8.2. Прямоугольный объёмный резонатор
8.2.1. Граничная задача о возможности существования поля электрического типа в прямоугольном резонаторе
8.2.2. Граничная задача о возможности существования поля магнитного типа в прямоугольном резонаторе
8.2.3. Собственные (резонансные) частоты
8.2.4. Основной тип колебаний
8.2.5. Собственная добротность резонатора
8.3. Собственные колебания цилиндрического резонатора
8.3.1. Граничная задача о возможности существования поля колебаний электрического типа
8.3.2. Граничная задача о возможности существования ЭМ поля колебаний магнитного типа
8.3.3. Добротность
8.4. Коаксиальный резонатор. Резонаторы на основе отрезков направляющих систем с T-волной
8.4.1. Граничные задачи о возможности существования полей Emnq- и Hmnq-колебаний
8.4.2. Собственные частоты резонаторов на основе отрезков направляющих систем, в которых существует T-волна
8.5. Эквивалентные параметры объемных резонаторов. Резонаторы с укорачивающей емкостью
8.6. Тороидальный и магнетронный резонаторы
8.6.1. Квазистационарные резонаторы
8.6.2. Магнетронный резонатор
8.7. Диэлектрические резонаторы
8.8. Понятие об открытых (квазиоптических) резонаторах
Контрольные вопросы

Раздел 9. Дифракция электромагнитных волн
9.1. Характеристика задач дифракции
9.2. Эффективная площадь рассеяния объекта. Мощность на входе приемной антенны
9.2.1. Определение эффективной площади рассеяния
9.2.2. Мощность на входе приёмной антенны
9.3. Рассеяние электромагнитного поля цилиндром
9.3.1. Граничная задача для бесконечного кругового цилиндра
9.3.2. Характеристика и диаграмма рассеяния
9.4. Дифракция электромагнитного поля на цилиндре и шаре
9.4.1. Характеристика и диаграмма направленности
9.4.2. О дифракции поля на шаре
9.5. Дифракция Френеля. Область пространства, существенная при распространении радиоволн
9.5.1. Зоны Френеля
9.5.2. Открытые и закрытые трассы
Контрольные вопросы

Основные обозначения и сокращения

Литература