Электродинамика и распространение радиоволн
Систематически и подробно рассмотрены основные уравнения и положения электродинамики, изучаются возбуждаемые электромагнитные (ЭМ) поля в неограниченном однородном пространстве, теория направляющих систем, граничные задачи о возбуждении или возможности существования ЭМ волн в направляющих системах и в объемных резонаторах, явления рассеяния и дифракции волн, соответствующие прикладным задачам радиотехники; изложены основные положения геометрической оптики, понятия о нелинейных средах и о распространении ЭМ волн в неоднородных и анизотропных средах; рассмотрено влияние поверхности Земли, тропосферы и ионосферы на распространение ЭМ волн различных диапазонов. Особое внимание уделено физической интерпретации явлений электромагнетизма, имеется 378 иллюстраций. Даны примеры расчетов и сформулированы 132 контрольные задачи. Для студентов радиотехнических специальностей.
Основные обозначения и сокращения 4
Глава 1 Система уравнений электродинамики 12
1.1.Плотности зарядов и токов 12 1.2.Векторы электромагнитного поля. Материальные уравнения 19 1.3.Основные уравнения электродинамики 29 1.4.Основные законы теории электрических цепей 34 1.5.Источники электромагнитного поля 39 1.6.Уравнение баланса мощностей в электромагнитном поле 43 1.7.Примеры применения уравнения баланса мощностей 47 1.8.Основные уравнения электродинамики в комплексной форме 51 1.9.Уравнение баланса мощностей для комплексных амплитуд векторов поля 57 1.10.Фиктивные магнитные заряды и токи 60 1.11.Граничные условия на поверхностях раздела реальных сред 61 1.12.Граничные условия на поверхности идеально проводящего тела 65 1.13.Векторные и скалярные потенциалы. Волновые уравнения 68 1.14.Уравнение Гельмгольца 71 1.15.Уравнения электростатики, магнитостатики, стационарных и квазистационарных токов 74 Задачи 75
Глава 2. Возбуждение электромагнитного поля в неограниченном пространстве 78
2.1.Модель неограниченного однородного пространства. Общая характеристика задач 78 2.2.Математические модели излучателей 79 2.3.Прямолинейные излучатели. Общие выражения составляющих векторов поля 87 2.4.Поле прямолинейных излучателей в зоне излучения 91 2.5.Сферическая волна 95 2.6.Элементарный электрический вибратор 101 2.7.Рамка электрического тока 109 2.8.Элементарный магнитный вибратор. Элементарная магнитная рамка 114 2.9.Бесконечная прямолинейная нить тока. Поверхностная волна, цилиндрическая волна 116 2.10.Поверхностный излучатель 126 2.11.Излучение поверхности прямоугольной формы с равномерным распределением стороннего поля. Элементарный поверхностный излучатель 129 2.12.Плоский лист тока. Плоская волна 132 2.13.Вращающаяся поляризация поля 134 2.14.Электростатические поля. Поле стационарного тока 138 Задачи 140
Глава 3. Теоремы электродинамики 143
3.1. Лемма Лоренца 143 3.2.Теоремы единственности решений уравнений Максвелла. Условия излучения 145 3.3Принцип эквивалентности 148 3.4Принцип Гюйгенса и интеграл Кирхгофа 155 3.5Теорема взаимности 157 Задачи 160
Глава 4. Отражение электромагнитных волн 162
4.1.Падение плоской волны на плоскую границу раздела двух сред 162 4.2.Полное преломление, полное отражение 167 4.3.Импедансные граничные условия 172 4.4.Сопротивление плоского проводника при поверхностном эффекте 174 4.5.Метод зеркальных изображений 176 Задачи 183 Глава 5. Основы общей теории направляющих систем 184 5.1.Определения 184 5.2.Граничные задачи для электрических и магнитных волн 185 5.3.Мощность, переносимая полем через поперечное сечение направляющей системы 190 5.4.Коэффициенты затухания векторов поля 191
Глава 6. Электромагнитные волны в закрытых направляющих системах 197 6.1.Граничная задача о возбуждении прямоугольного волновода 197 6.2.Свойства электрических и магнитных волн в прямоугольном волноводе 205 6.3.Волна основного типа в прямоугольном волноводе 209 6.4.Физические соображения о возбуждении типов волн 215 6.5.Мощности. Коэффициент затухания типов волн в прямоугольном волноводе 219 6.6.Круглый волновод 225 6.7.Эллиптический волновод 234 6.8.Волноводы П- и Н-образного сечения 236 6.9.Коаксиальная линия 239 Задачи 246
Глава 7. Электромагнитные волны в открытых направляющих системах 247 7.1.Симметричные линии 247 7.2.Возбуждение поверхностных волн над слоем диэлектрика на металле 252 7.3.Диэлектрическая пластина 263 7.4.Круглый диэлектрический волновод 266 7.5.Однопроводная линия поверхностной волны 278 7.6.Сопротивление прямолинейного цилиндрического провода. Поверхностный эффект 281 7.7.Понятие о квазиоптических направляющих системах 285 7.8.Понятие об оптических волноводах 287 7.9.Полосковые волноводы 289 7.10.Возбуждение поверхностных волн над ребристой структурой. Периодические структуры 293 7.11.Спиральный волновод 299 Задачи 306
Глава 8. Электромагнитное поле в резонаторах 308 8.1.Определения 308 8.2.Добротность 311 8.3.Возбуждение прямоугольного резонатора 314 8.4.Собственные колебания цилиндрического резонатора 322 8.5.Собственные колебания в коаксиальном резонаторе. Резонаторы на основе отрезков направляющих систем с Т-волной 327 8.6.Эквивалентные параметры объемных резонаторов. Резонаторы с укорачивающей емкостью 330 8.7.Тороидальный и магнетронный резонаторы 332 8.8.Диэлектрические резонаторы 334 8.9.Понятие об открытых (квазиоптических) резонаторах 336 Задачи 340
Глава 9. Дифракция электромагнитных волн 342 9.1.Характеристика задач дифракции 342 9.2.Эффективная площадь рассеяния объекта 344 9.3.Рассеяние электромагнитного поля цилиндром 346 9.4.Дифракция электромагнитного поля на цилиндре и шаре 351 9.5.Дифракция электромагнитного поля на клине и полуплоскости 352 9.6.Дифракция Френеля. Область пространства, существенная при распространении радиоволн 362 9.7. Рассеяние поля плоской периодической решеткой 370 Задачи 376
Глава 10. Распространение электромагнитных волн в анизотропных средах. Нелинейные среды 377 10.1.Анизотропные среды 377 10.2.Свойства феррита 378 10.3.Свойства плазмы 384 10.4.Перестановочная двойственность 391 10.5.Эффект Фарадея 391 10.6.Волны в поперечно намагниченных феррите и плазме 397 10.7.Понятие об ЭМ явлениях в нелинейных средах 402 Задачи 408
Глава 11. Распространение электромагнитных волн в неоднородных средах. Понятия о приближенных методах решения задач электродинамики 410 11.1.Общие сведения 410 11.2.Дифференциальные уравнения для векторов напряженностей полей 412 11.3.Волны в полупространстве с линейно нарастающей диэлектрической проницаемостью 416 11.4.Волны в полупространстве с линейно убывающей диэлектрической проницаемостью 424 11.5.Уравнения геометрической оптики. Локально плоская волна 433 11.6.Общие свойства лучей 440 11.7.Волны в неоднородных средах в приближении геометрической оптики 447 11.8.Понятие о методах физической оптики, геометрической теории дифракции, краевых волн и методе параболического уравнения 450 11.9. Понятие о методе интегрального уравнения 453 Задачи 457
Глава 12. Радиотрассы и их модели. Земная волна 458 12.1.Краткая характеристика радиотрасс 458 12.2.Модель свободного пространства 460 12.3.Множитель влияния среды. Замирания 462 12.4.Модели радиотрасс без учета влияния атмосферы 466 12.5.Поле излучателя, поднятого над земной поверхностью. Первая модель 470 12.6.Поле излучателя, поднятого над шаром. Вторая модель 475 12.7.Поле вертикального электрического вибратора, расположенного вблизи земной поверхности 477 12.8.Поле в зоне тени 483 Задачи 486
Глава 13. Тропосферная волна 487 13.2.Рефракция электромагнитного поля в тропосфере 490 13.1.Диэлектрическая проницаемость и показатель преломления тропосферы 487 13.3.Дальнее тропосферное распространение радиоволн 495 13.4.Затухание радиоволн в тропосфере 500 13.5.Рассеяние и деполяризация поля осадками 501 Задачи 502
Глава 14. Ионосферная волна. Особенности распространения воли ОНЧ-ГВЧ диапазонов 503 14.1.Строение ионосферы 503 14.2.Условия распространения волн в ионосфере 505 14.3.Траектория радиоволн в ионосфере без учета влияния магнитного поля Земли 508 14.4.Радиопрогнозы 511 14.5.Влияние магнитного поля Земли 512 14.6.Затухание радиоволн в ионосфере 514 14.7.Особенности распространения волн ОВЧ-ГВЧ диапазонов 515 14.8.Особенности распространения волн УВЧ и СВЧ диапазонов на космических радиолиниях 516 14.9.Особенности распространения волн ВЧ диапазона 518 14.10.Особенности распространения волн СЧ, НЧ и ОНЧ диапазонов 521 14.11.Помехи радиоприему. Уравнение связи 524 14.12.Особенности распространения волн оптического диапазона 533 14.13.Понятие об электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств 536 Задачи 538
Приложения 539 П.1. Формулы векторного анализа 539 П.2. Свойства 5 -функции 540 П.З. Цилиндрические функции 541 П.4. Решение уравнения Гельмгольца в неограниченном пространстве. Функция Грина 542 П.5. Учебники, учебные пособия и справочники по дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн» 545