Электродинамика. Распространение радиоволн

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСГРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН Программы, контрольные вопросы и методические указания к вьmолнению контрольных работ .N'2 Санкт-Петербург 2006 1, 2 Составители: д-р физ.- мат. наук, проф. Д. В. Благовещенский, канд. техн. наук, доц. Л. А. Федорова Рецензент канд. техн. наук, доц. О. С. Астратов Издание содержит программы разделов курсов: «Электродинамика» и «Распространение радиоволн», которые могут сочетаться в различных комби­ нациях в зависимости от номера специальности. Программа предусматривает изучение основных понятий, положений и закономерностей электродинамики и распространения радиоволн. Даны контрольные вопросы и методические ука­ зания к самостоятельной работе и выполнению контрольных заданий. Предназначены для студентов заочного факультета радиотехнических спе­ циальностей. Подготовлены кафедрой антенн и эксплуатации радиоэлектронной аппа­ ратуры и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом Санкт­ Петербургского государственного университета аэрокосмического приборост­ роения. Редактор А. В. Семенчук Компьютерная верстка Н. С. Степановой Подписано х печати 30.05.06. Формат 60х84 !/16. Уел. nеч. л. 1,39. Уч. -изд. л. 1,5. Тираж 100 эю. Заказ Х. 2 ~ Бумага офсетнах. Печать офсетная. Редакционно-издательский отдел Отдел электронных публикаций и библиографии Отдел оперативной полиграфии ГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, © 67 ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», 2006 - - -- 1. - - -- -- - -- -- - ... . .............._,_" ,,.... _. , ЦЕЛЬ ДИСЦИПЛИН И ИХ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ Методические указания составлены в помощь студентам, изучаю­ щим в соответствии с выбранной специальностью следующие дисцип­ лины: 1) для специальности 200700 «Электродинамика и распростране­ 2) для специальности 201300 «Электродинамика и ние радиоволн» техника сверхвысоких частот». Данные дисЦИПJIИНЫ объединяют проблемы, основанные на свойствах и особенностях электромагнитного поля. Главной задачей является раскрытие физического содержания электромагнитных процессов в раз­ личных средах, структуры полей и поведения волновых явлений. Осо­ бая роль отводится уравнениям Максвелла, которые наиболее полно описывают всю совокупиость электромаrнитных явлений в макроско­ пических масшrабах. Изучение дисциплин должно способствовать усвоеm~ю физической сущноСПI волновых процессов, причин и источников излучения волн, методов решения задач определения полей на заданных расстояниях. Особую роль играет то обстоятельство, как волны ведут себя в различ­ ных однородных и неоднородных средах, на границе раздела сред, как они преломляются и отражаются. Дано представление о различных на­ правляющих структурах, что крайне важно в вопросах теХШIКИ СВЧ, о замедляющих структурах, на которых построены многие элементы ра­ диоэлектроники, о резонаторах, широко используемых в различных ра­ диосистемах. Дисциплины рассматривают закономерности распространения радио­ волн в околоземном пространстве, в нижней и верхней атмосфере. С физической точки зрения рассмаrриваются различные явления - рас­ сеяние, дифракцих, рефракция и т. д. Важная роль отводится поведению радиоволн в условиях воздействия на них различного рода препятствий. 3 2. ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИН И ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ При изучении дисциплин в соответствии с учебным планом студент должен знать: основные положения электродинамики, которая яШIЯется фунда­ - ментом для грамотной формулировки и решения задач распростране­ ния радиоволн; - теорию электромагнитного поля, которая расширяет общеобразо­ вательную подготовку и способствует формированию у студентов ос­ нов профессионального мировоззрения; - принцилы работы различных электромагнитных и электрических устройств, к числу которых могут быть отнесены широко используе­ мые на практике электромагнитные элементы автоматики, электричес­ кие машины, мапштные и электрические элементы вычислительной техники,электроНЕU»е,радиотехнические,криогеНЕU»е,сверхпроводя~е, голографические и другие устройства. Кроме этого, студент должен уметь: - спроектировать и рассчитать электромагнитные и электрические устройства на заданные условия работы; - произвести обоснованный выбор на конкретной радиолинии рабо­ чего диапазона частот; - выполнить расчет всех необходимых энергетических параметров в радиоканале; -оценить характер воздействия препятствий на условия приема сиг­ налов. В процессе усвоения вЬШiеуказанных дисциплин студент также дол­ жен приобрести практическое умение обоснованно выбирать и проекти­ ровать элементы фидерного тракта, устройства согласования тракта для решения поставленной задачи; получить навыки лабораторных исследо­ ваний характеристик излучения антенн и согласования тракта, а также проверкиработоспособности фидерных систем в период эксплуатации. 3. ВЗАИМОСВЯЗЬ ДИСЦИПЛИН Для усвоения материалов дисциплин «Электродинамика и распрост­ ранение радиоволю>, «Электродинамика и техника СВЧ» студент дол­ жен быть подготовлен по следующим дисциплинам: 4 физика (разделы «Элеiсrричество и маrnетизм», «Теория электро­ маrнитиоrо поля»); высшая математика (разделы «Векторный анализ и теория поля», «Уравнения математической физики с частными производными», осо­ бенно решения уравнений Лапласа, Пуассона, Гельмгольца, «Дифферен­ циальное и интегральное исчисление», «Теория рядов», «Специальные функции», «Матричное исчисление>>); основы теории цепей» (разделы «Длинные ЛИНИИ», «Колебательные контуры», «ФильтрЫ>>). Основная форма изучения указанных дисциплин- самостоятельная работа над учебным материалом. Каждый раздел кроме программы содержит контрольные вопросы, контрольные задания и мqодические указания к самостоятельной ра­ боте и выполнению контрольных работ. В каждой теме раздела указы­ вается рекомендуемая при изучении литература под номером, соответ­ ствующим номеру в общем списке литературы. При изучении перечисленных дисциплин в семестре предусматрива­ ется: курс лекций в объеме, предусмотренном учебным планом, для - обычной и ускоренной форм обучения в течение семестра (для иного­ родних студеJПОв читается установочный курс леКций перед экзаме­ ном); - выполнение четырех лабораторных работ; выполнение двух письменных контрольных работ для обычной формы обучения и одной работы для ускоренной формы; -объединенный зачет по контрольным и лабораторным работам; - зачет или эюамен в соответствии с учебным планом по изучаемой в семестре дисциплине. Экзаменационные билеты могут вКЛЮЧIПЬ все вопросы, приведеи­ ные в программах разделов изучаемых дисциплин. Рекомендуе.мu литература Основная 1. Вольман В. И, Пименов Ю. В. Техническая электродинамика. М. : Связь, 1971.487 с. 2. Баскаков С. И. Основы электродинамики: Учеб. пособие. М.: радио, 1973. 248 с. Сов. 5 3. Никольский В. В. Электродинамика и распространение радиоволн. 1973. 607 с. 4. Грудинекая Г. П. Распространение радиоволн: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1975.280 с. М.: Наука, Дополнительная 5. Техническая электродинамика и антенны. Электродинамика: Учеб . пособие 1 Ю. Н. Данилов, В. Н. Красюк, Б. Т. Никитин, Л. А. Федоро­ ва; ЛИАП. Л., 1991 . 165 с. 6. Федоров Н.Н. Основы электродинамики. М.: Высш. шк., 1988. 399 с. 7. Черенкова Е. Л., Чернышев О. В. Распространение радиоволн . М.: Радио и связь, 1984. 272 с. 8. Благовещенский Д. В. Распространение радиоволн: Учеб. посо­ бие 1 ЛИАП. Л., 1995. 127 с. Методические указания к выполнению лабораторных работ 9. Исследование структуры поля Н 10 и Н20 при различных нагрузках воmювода 1 Сост: Д. В. Благовещенский, Б. Т. Никитин; ГААП. СПб . , 1996.43 1О. с. Исследование поляризационных характеристик электромагнит­ ных волн 1 Сост: В. С. Калашников, Л. А. Федорова; ГУАП. СПб., 2005.22 с. 11. Исследование структуры электромагнитного поля над проводя­ щей плоской поверхностью 1 Сост: Л. А. Федорова, Н. А. Гладкий; ГУАП. СПб., 2003. 32 с. 12. Исследование дисперсии и затухания волн в волноводе 1 Сост: Л. А. Федорова, Н. А. Гладкий; ГУАП. СПб., 2003. 28 с. 13. Исследование nоверхностных волн, расnространяющихся вдоль плоских замедляющих систем 1 Сост: В. С. Калашников; ГУАП. СПб., 2003.32 с. 14. Исследование дифракции элеюромагнитных волн 1Сост: Ю. Н. Да­ нuлов; ЛИАП. СПб., 1988.21 с. Из указанного перечия лабораторных работ студент выполняет в каждом семестре четыре работы по указанию преподавателя. 6 4. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ПРОГРАММ ДИСЦИПЛИН Электродuнll/Нuка Тема 1. Основные уравнения электродинамики Уравнения Максве.JШа в действительной и комrшексной форме. Элек­ тромагнитные свойства сред. Граничные условия. Теорема Умова-Пой­ нтинга. Волновые уравнения. Тема [1. С. 25-86; (2. С. 8-45; 3. С. 149-164]. 2..Плоские электромапnrrные волны Уравнение плоской воЛНЪI. Распространение плоских волн в реаль­ ных средах (диэлектрик. полупроводНИк, проводник). Постоянная рас­ пространения, фазовая и групповая: скорости, волновое сопротивление. Поляризация электромагнитной волны. Отражение плоской волны на границе раздела двух сред. Распространение электромаrниmой волны в подмагниченной ферритовой среде. Эффект Фарадея и КО1Тона-Му­ тона. [1. С. 165-208, 453-465; 2. С. 46-61]. Тема 3. Излучение злектромагниmых волн Решение уравнений электромагнитного поля с помощью электроди­ намических потенциалов и вектора Герца. Поле излучения ДШIОЛЯ Герца. Ближняя, средняя: и дальняя: зоны. Основные характеристики излучения элементарного электрического вибрспора (диаграмма наnравленности, полная излучаемая мощность, сопротивление излучения, КПД). Принцип двойственности. Элементарный магнитный излучатель и его характери­ стики излучения. Тема 4. [1. С. 136-165; 2. С. 206-220; 3. С. 234-280, 136-165]. Направляемые электромагнитные волны и направляющие системы Виды линий передачи электромагнитных колебЗ.ний, волны типа ТЕ и ТМ. Распространение электромагнитных волн в прямоугольных волно­ водах. Структуры полей TEmn и ™тп в волноводах прямоугольного и крутого сечений. Основные типы волн. Волновое сопротивление, фазо­ вая постоянная, коэффициент затухания, длина волны в линиях переда­ чи. [1. с. 239-312; 2. с. 85-163; 3. с. 356-421]. Тема 5. Объемные резонаторы Общие свойства объемных резонаторов. Прямоугольный и цилин­ дрический резонаторы. Типы колебаний, резонансная частота и струк­ тура поля. Возбуждение резонаторов. 3. с. [1. С. 369-392; 2. С. 180-200; 422--442]. 7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Электродина.тника 1. Каково воздействие электрического и магнитного поля на элект­ рический заряд? 2. В чем физический смысл тока проводимости и плотности тока проводимости? 3. 4. 5. 6. 7. Какова дифференциальная форма закона Ома? В чем физический смысл первого уравнения Максвелла В чем физический смысл второго уравнения ? Максвелла ? В чем физический смысл третьего уравнения Максвелла ? В чем физический смысл четвертого уравнения Максвелла ? 8. В чем суть понятия тока смещения? 9. Что можно сказать о явлении электронной поляризации и векторе поляризации? 1О. Записать материальное уравнение для электрического поля. 11. В чем суть явления намагничивания и вектора намагниченности? 12. Записать материальное уравнение для магнитного поля. 13. Что такое анизотропные среды и понятие тензора? 14. В чем суrь поляризационных и сторонних токов? 15. Записать уравнения Макс:веJШа для монохромгrических колебаний. 16. Что такое комШiексная диэлектрическая проницаемость? 17. Что такое уrол диэлектрических потерь? 18. Записать уравнение Гельмгольца, его физический смысл. 19. В чем суrь понятия вектора Пойнтииrа, ero физический смысл? 20. Пояснить теорему Пойнтинrа, баланс энергий. 21. Записать граffi!ЧНые условия для нормальных составляющих маr­ НИ'Пiого поля. 22. Записать граничные условия для нормальных составЛяющих элек­ трического поля. 23. Записать граничные условия для тангенциальных составляющих магнитного поля. 24. Записать граничные условия для тангенциальных составляющих элеюрического поля. 25. Каковы составляющие электрического и магнитного полей на гра­ - идеальный металл? 26. В чем общие свойства волновых процессов? 27. Что такое плоские волны? Фаза волны, фазовая скорость? нице воздух 8 28. В чем смысл затухания плоских волн? 29. Что такое сферические волны? 30. Что такое цилиндрические волны? 3 1. Что такое элементарный электрический вибратор? Определение и принциn работы. 32. В чем суть неоднороДНЪIХ уравнений Максвелла? 33. Что такое элекrрический векторный потенциал электромагнитого поля? 34. Неоднородное уравнение Гельмгольца, в чем его физический смысл? 35. Что такое ближняя и дальняя зоны элементарного электрического излучателя? 36. Какова диаграмма направленности элементарного электрическо- го излучателя? 37. Что такое сопротивление излучения? 38. Что можно сказать о магнитном токе? 39. В чем суть принципа перестановочной двойственности? 40. Что собой представляет щелевой излучатель? 41. Что такое однородная плоская элекrромагнитная волна с линей­ ной поляризацией? 42. Каковы фазовая скорость и постоянная затухания плоских волн? 43. Как ведуr себя плоские электромагнитные волны в хорошо прово­ дящих средах? 44. Что такое плоские электромагнитные волны с вращающейся по­ ляризацией? 45. Плоские электромаmитные волны, распространяющиеся в произ­ вольном направлении. В чем их особенности? 46. Нормальное падение плоской элекrромагнитной волны на идеаль­ но проводящую плоскость. Каковы особенности? 47. Нормальное падение плоской электромагнитной волны на диэлек­ трическое полупространство. В чем суть? 48. Рассмотреть падение плоской элекrромагнитной волны на диэлек­ трик под произвольным углом, общий случай. 49. Рассмотреть падение плоской элекrромагнитной волны на диэлек­ трик под произвольным углом, перпендикулярная поляризация. 50. Рассмотреть падение плоской элекrромаmитной волны на диэлек­ трик под произвольным углом, параллельная поляризация. 51. Что такое уrол Брюстера? 9 52. Пояснить явление полного внуrреннего отражения. 53. Косое падение плоской электромагнитной волны с параJШельной поляризацией на металлическую плоскость. В чем особенности? 54. Косое падение плоской электромагнитной волны с перпендикулярной поляризацией на металлическую плоскость. Каковы особенности? 55. Дать классификацию направляемых волн. 56. Что такое фазовая скорость направляемых волн? 57. Каковы типы направляющих систем? 58. Каковы типы волн в волноводах? 59. Что такое критическая длина волны в волноводе? 60. Связь между продольными и поперечными составляющими поля направляемых волн. 61. Как себя ведут волны типа Е в прямоугольном волноводе? 62. Вычисление критической длины волны и длины волны в волноводе. 63. Что собой представляет ВОJПiа типа Н в прямоугольном волноводе? 64. Что собой представляет волна типа Н10 в прямоугольном волноводе? . 65. Как себя ведут токи на стенках прямоугольного волновода? 66. Что такое излучающие и неизлучающие щели для прямоугольного волновода? 67. 68. В чем состоят основы применения прямоугольных волноводов? Круглый металлический волновод, переход от прямоугольного к круглому волноводу. 69. Что такое волны типов Н1 р Н01 и Е01 в крутлом волноводе? 70. Рассказать о применении круглых волноводов. 71 . В чем суть затухания электромагнитной волны в волноводах? 72. В чем особенности дифракции плоской электромагнитной волны на отверстии в плоском безграничном экране? 73. 74. 75. Каковы свойства и параметры ферритов? В чем суть эффекта Фарадея в ферритовой среде? Распространение электромагнитной волны в неограничеmюй по­ перечно-намагниченной ферритовой среде. Каковы особенности? 76. Какие колебания возможны в объемных резонаторах? 77. Что такое добротность закрытых резонаторов? 10 Распространение радиоволн Тема 1. Общие ВОПРQСЫ распространения радиоволн и линии радиосвязи Свободное распространение радиоволн. Влияние Земли на распрос­ транение радиоволн. Влияние атмосферы на распространение радиоволн. Область, существенная для распространения радиоволн. Применеине принципа Гюйгенса-Френеля. Формула Кирхгофа. Зоны Френеля при отражении. Классификация радиоволн по способу расnространения . Поияти е «множителя ослабления». Принциnы расчета линий радиосвя­ зи . [4. С. 7-38]. Тема 2. Расnространение земных волн Расnространение радиоволн над nлоской nоверхностью Земли nри поднятых приемной и передающей антеннах. Электрические парамет­ ры Земли. ИитерференциоННLIЙ «множитель ослабления». Структура радиоволн в точке приема. Пределы nрименимости отражательной трак­ товки. [4. С. 38-90]. Тема 3. Влияние тропосферы на распространение радиоволн Строение, параметры и коэффициент nреломления троnосферы. Яв­ ление тропосферной рефракции. Виды рефракции. Рас11JЮС1РШ1ение тро­ посферных радиоволн. Сверхрефракция и тропосферные волноводы. Дальнее распространение за счет рассеяния на тропосферных неодно­ родностях. Поглощение радиоволн в тропосфере. [4. С. 91-126]. Тема 4. Влияние ионосферы на распространение радиоволн Состав и строение верхних слоев атмосферы. Механизмы и источ­ ники ионизации. Распределение электронной концентрации с высотой. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере. Максимальная и кри­ тическая частота. Тема [4. С. 127-190]. 5. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов Особенности распространения сверхдлинных и длинных радиоволн. Особенности распространения средних волн. Распространение корот­ ких радиоволн. Распространение УКВ и волн оnтического диапазона. [4. с. 190-218, 251-258]. 11 Тема 6. Распространение радиоволн в космическом пространстве Общие прИIЩИIIЫ исполъзо.вшшя ИСЗ ДIDl осуществления дальней связи. Используемые диапазоны частот. Потери передачи. Искажение сигна­ лов. Доплеравекий сдвиг частот. Задержка сигналов. [4. С. 222-250]. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Распространение радиоволн 1. 2. Каково поведение радиоволны в свободном пространстве? Как определить напряженность поля в точке приема и мощность в приемной антенне? 3. В чем суть зон Френеля? 4. Что собой представляют земные волны, каково их поглощение? 5. Описать физику отражения радиоволн на границе воздух- земля. 6. Каmвы особенности отражения волн от шероховатой поверхности? 7 ~ Дать классификацию распространения земных волн. 8. Каково поле излучателя , поднятого над rшоской Землей? 9. Каково поле излучателя вблизи поверхности Земли? 10. Что таmе дифракция волн вокруг Земли? 11. В чем смысл береговой рефракции? 12. Каковы состав и строение тропосферы? 13. Как себя ведут диэлектрическая проницаемостъ и показатель пре- ' J ломления тропосферы? 14. Что таmе рефракция радиоволн в тропосфере? 15. Какова суть поmощения радиоволн в тропосфере? . 16. Что собой представляют линии связи с дальним тропосферным распространением? 17. Каковы общие свойства ионосферы? 18. Каковы механизмы и источники ионизации в ионосфере? 19. Каковы основные ионизированные области ионосферы? 20. Как себя ведут диэлектрическая проницаемостъ и проводимость ионизированного газа? 21. Каmвы скорости распространения радиоволн в ионизированном газе? 22. Пояснить физику пог.лощения радиоволн в и:онизированном газе. 23. За счет чего существует логлощение и отражение радиоволн ионосфере? 12 в ' ) В чем особенности распространения радиоволн при наличии маг­ 24. нитного поля? 25. Каковы методы исследования ионосферы? 26. В чем особенности распространения коротких, средних и длинных радиоволн? В чем особенности распространения УКВ? 27. 28. , J Из каких соображений выбирается частота космической линии связи? Какие искажения сигналов возможны при космической связи? 29. 5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАПИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОПТРОЛЬНЫХ ЗАДАПИЙ По читаемым дисциплинам в семестре предусмотрено выполнение двух контрольных работ для обычной формы обучения и одной конт­ рольной работы (первой)- для ускоренной формы. Каждая контрольная работа состоит из ряда задач в десяти вариантах. Студенты решают задачи своего варианта в соответствии с последней цифрой шифра. Без выполнения контрольных работ студент не допускается к сдаче зачета или экзамена по читаемой в семестре дисциплине. Контрольные работы должны быть оформлены в соответствии с общими требованиями дЛя заочных вузов и факультета: 1. На обложке тетради контрольной работы необходимо указать: фамилию, имя и отчество; шифр студенческого билета; номер конт­ рольной работы и наименование дисциплины; адрес места жительства. , ) 2. При выполнении каждой задачи контрольной работы необходимо записать общие условия, в которых указать значения параметров, взя­ тых из таблиц в соответствии с шифром, и вид ·поляризации, где это необходимо. 3. Порядок вьшолнения задачи должен идти в указанной последова­ тельности с указанием номеров пунктов. 4. При вьmоде расчетных формул должны быть представлены все преобразования и сделаны соответствующие пояснения. 5. При выводе формул обязательно придерживаться указанных в за­ даниях буквенных обозначений параметров. Если в используемой лите­ ратуре буквенные обозначения параметров другие, их следует изме­ нить на требуемые обозначения. 6. Все буквенные обозначения должны сопровождаться письменны­ ми разъяснениями. 13 7. Когда это необходимо расчеты должны сопровождаться соответ­ ствующими рисунками, вьmолненными аккуратно с помощью чертеж­ ных инструментов. 8. При расчете по сложным формулам необходимо составить табли­ цы, в графы которых должны быть помещены промежуrочные и конеч­ ные цифровые результаrы с указанием размерности. Расчет проводит­ ся с точностью не менее трехзначных цифр. 9. Все формулы, рисунки, графики и табmщы должны иметь собствен­ ную сквозную нумерацию. 1О. В конце работы должен быть прнведен полный список используе­ мой литературы, оформленный по правилам бибmюграфин с указанием названия, авторов, издательства и года издания . Контрольные работы, выполняемые по дисциплине «Электродинамика и РРВ» Контрольная работа J(g Задача 1 1 В однородной среде (диэлектрик с потерями), которая характери­ зуется следующими параметрами: абсолютная маmитная проницае­ мость J.l.a = 41t·l о-7 Гн/м, абсолютная диэлектрическая проницаемость Еа и проводимость cr (табл. 1), распространяется плоская электромаг­ нитная волна с частотой/и начальной амплитудой электрического поля Ет = 1 В/м. Необходимо определить: 1. Расстояние Z, при котором амплитудаэлектрического поля Е умень­ 5 раз, т. е. при вьmолнении условия: ехр (-a.Z) = 0,2. 2. Расстояние Z, при котором набег фазы составит ~Z = 0,751t. 3. Сдвиг фазы c между полями Е и Н и начальную амплитуду (при t = О и Z = О) маmитноrо поля Нт. 4. Величину среднего значения вектора Умова-Пойитнига Пер на рас­ стоянии, рассчитанном в п. 1, т. е. :когда поле Ет = 0,2 В/м. 5. Длину волны в диэлектрике ле. 6. Графически построить мmовенные значения полей Е и Н на рас­ стоянии одной длины волны для момента времени t =О. Задача 2 шается в Плоская лннейно поляризованная электромапштная волна частотой /падает под углом е на плоскую границу раздела: воздух- идеальный 14 диэлектрик. Параметры сред: 1-1 1= 1-12 = IJ.o = 47t ·10-7 Гн/м, € 1 = € 0 = = 10-9 1 36n Ф/м , значения € 2 = Еа 1 Ео приведены в табл. 1, про_води­ = = cr 1 cr2 О. При решении необходимо: мостъ сред 1. Нарисовать направления падающей, отраженной и преломленной электромагнитных волн, а также ориентацию векторов Е и Н при задан­ ной поляризации. Указать углы падения, отражения и преломления. 2. Определить угол преломления еПР' коэффициентъi отражения и прело мления. 3. Определить угол Брюстера. Таблица Вариант l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Задача f, Гц 105 105 105 106 1Q6 Е• fЕ о а, См /м 10~ 2 3 4 5 6 3 ·1o-s 7 6 ·105 ·l0-2 7 10 108 109 1010 6 5 4 3 104 10-з 2 ·10- 3 10-4 о 1(}-1 60 30 45 35 60 3 1 5 · 10~ Вид е, rрад 30 35 45 50 1 nоляризации Ве~сrор Е лежит в плоскости падения Be1cr0p Е перпендикулярен плоскости падения 3 Элементарный электрический излучатель (диполь Герца) длиной/, который возбужден током амплитудой дится в воздушной 1m с частотой f (табл. 2) нахо­ cpene. При решении необходимо: 1. Определить амплитуды векторов напряженности электрическо­ го и магнитного полей на расстоянии 20Л. (в дальней зоне) и под углом 60° к оси диполя. 2. Определить полную мощность излучения Pr... 3. Определить сопротивление излучения Rr.. диполя Герца. 4. Изобразить на рисунке в полярной системе координат нормиро­ ванные диаграммы направленности электрического вибратора в плос­ костях Е иН. 15 Таблица Вариант I•• A 1 2 3 4 5 10 15 20 5 5 6 10 15 20 5 10 7 8 9 10 l, м 5 1 1,5 30 2 50 2,5 15 1 0,5 / , Гц 3·106 15·106 107 5·105 10' 3·105 6·1()6 5-los 107 15·106 Расчетные формулы к контрольной работе }fg К задаче 2 1 1 Посто.иниая распространения у=~- ja, где фазовая постоянная и :коэффициеiП за:rухания Воmювое сопротивление среды W = {& =IW!e.iiPc, ~Е; где Et = (Еа . - j alro) - комплексная диэлектрическая проницаемостъ; аргумент комплексного волнового сопротивления <Ре= дуль ВОJПIОВОГО сопротивления 16 arctg а/~; мо­ Фазовая скорость волны VФ =щ'~; длина волны в среде Л.g =2тr/13. Векторы Е и Н плоской волны, распространяющей си вдоль оси Z, в комплексной форме Е=х Е e-i1Z о т ' в действительной форме Н =У о ( EmliWi)e-aZ cos( rot-13Z -<ре). Среднее значение вектора Пойнтннга К задаче 2 Коэффициент отражения от границы раздела двух сред: -горизонтальная поляризация (вектор Е перпендикулярен плоскости падения) Гr= - W2 cos е- Wt cos е пр w2 cos е+ И) cos enp ' вертикальная поляризация (вектор Е лежит в плоскости падения волны) г= в где W1 и W2 - w2 соsепр ' И) cose+ w2 соsепр И) cose- волновые сопротивления первой и второй среды соответ­ ственно; е, еотр, enp- соотв~тственно, углы падения, отражения и пре­ ломления электромагнитион ВOJDIЫ на границе раздела двух сред. 17 Заi«>ны Снешmуса: Уrол Брюстера: К задаче 3 Составляющие векторов nоля диnоля Герца в сферической системе координат (R, 8, q>): 1 .k} _-jkR(-+ н~ _1".1. ]4х R2 R --SIПuc 2 -j1".l . _-jkR.(-+ 1 J . k- -k- J Е8 _---smm:: , 4xrot R3 R2 R Н8 где k- = HR =Е~= О, волновое число 2тrЛ..; R- расстояние от начала координат до заданной точки. 1 212k3 Мощность излучения ~ =_,т~­ . 12xrot Соnроmвление излучения для воздуха RI:. = 80 л2(/fА.)2. Контрольная работа .М Задача 2 1 Электромагнитная волна с частотой f расnространяется в волново­ де nрямоугольного сечения с размерами широкой и узкой стенок а и Ь. Среда, заполняющая внутреннюю nолость воmювода, имеет парамет- 18 ры: J.to= 47t·10-7 Гн/м (J.L = = Еа 1 €о 1), € (табл. 3) и cr = потерь). О (отсутствие :·.: ,·, . . .~ ·.·.... ,, ·::.. При решении необходимо: 1. Определитьдлину волны в волноводе V10 для волн~Н10 , 2. Определить волновое (характеристическое) сопротивление волно­ вода для волны н\0" 3. Определить фазовую VФ и групnовую Vrp скорости распространения волны н\ о· 4. Изобразить на рисунке структуру поля волны Н10 . 5. Найти вектор Пойнтинrа для волны Н 10 • Задача 2 Определить типы волн, которые могут распространяться в волново­ де с воздушным заполнением и поперечными размерами, приведеины­ ми в табл. 3, на частоте возбуждения 2f Изобразить графически две наивысшие структуры волн, существующих при указанных условиях. Таблица а, см 1,0 10 2 3,5 32 3 2,3 7,1 7,1 3,5 4 4 2,3 1,0 5 6 7 5,2 2,5 15 5 7,5 3,6 1,7 4 5,8 3,6 2,5 1,15 2,9 3 3,75 4 7,5 15 4 8 9 10 Задача Ь,см J, Вариант 1,7 1,2 0,5 ГГц Е= Е /Е • о 3 о, См/м 4 6·107 4 4 5·107 3 Радиоволна с длиной волны 5 см распространяется от передатчика к приемни:ку. 1. Определить предельное расстояние прямой видимости между антеннами, установленными на мачтах высотой 50 м, для двух случаев: а) тропосферной рефракцией пренебречь; б) учесть нормальную тро­ посферную рефракцию. 19 2. Найти значение эквивалентного радиуса Земли при нормальной чюпосферной рефракции. 3. Определить размеры двух областей, существенных ДЛЯ распрос­ транения радиоволн, (т. е. рассчитать радиусы первой и шестой зон Френеля) в середиве трассы дливой 1О км. Расчетные формулы к контрольной работе }fg К задачам 2 1 и2 Критическая ДJШНа волны в прямоугольном волвоводе с заполнением л- ~ где а, Ь - ~ -J(: J+(~ J, размеры широкой и узкой стенок волвовода соответственно; тиn- число полуволн, укладывающихся вдоль широкой и узкой стенок волновода. Условие распространения волны типа Hmn или Emn по волноводу А0 1.Jqi <Л.жр, где Л.0 - длина волны генератора, определяется через скорость света С и частоту Длина волны в волноводе: f из соотношения А0 =С Фазовая и групповая скорости в волноводе: 20 1f Волновое сопроmвлеiШе волновода: f. для ВОJПIЫ типа Н: w2н = для волны типа Е: w,E ~ 1 ~т f& J~-![ Ло ] vE: Е ~..кр ' 2 . Вектор Пойнmнга определяется по формуле * где Н - комплексно сопряженная величина поля Н, а составляющие поля основного типа волны Н 10 в волноводе имеют вид Hz =H0 cos(~х }-jhz, Нх = j(тrhH0 /ag 2 }sin(~х }-jhz, Еу =-j(1tO)floH0/ag 2 )siп( ~х }- jhz, Ех = К задаче Ez =НУ= О. 3 Расстояние прямой видимосm между двумя антеннами с высотами подвеса hl' и h 2 определяется следующим образом: в случае отсутствия тропосферной рефракции: ro = 3,57· [ (hJI/2 + (h2)I/2 ], км; в случае учета нормальной тропосферной рефракции: r0 = 4,12· [ (h/ 12 + (h) 112 ), км. Для нормальной тропосферной рефракции значение эквивалентного радиуса Земли а 3 = а/[1 +а (dN/dh) ·lо--б], 21 ще радиус земноrо шара а= 6,37 ·106 м и rрадиент dN/dh =-4· ю-2 1/м. Кольцевая область, построенная на плоскости, перпендикулярной ли­ нии, соединяющей передатчик и приемник, с радиусом Rn называют Rn вычисляется по формуле Rn = [(dtdzl'·.n)/( d 1 + d2)] 112, где n -целое число; d 1 -расстояние от передаrчmса до указанной вЬШiе плоскости; d 2 -расстояние от плоскости до приемника. зоной Френеля номера n. Радиус СОДЕРЖАНИЕ 1. Цель дисциШiин и их значение для подготовки специалистов . .... . 2. Задачи дисциплин и требования к уровню подrотовки..... .. .. ... .. . ... 3. Взаимосвязь дисциплин .. .... .... .. ... ... . .. .... .... ... . ... .. .... ...... . ........... ... .. .. . Рекомендуемая литература .. .... .. .. .... .. .... ... .... .. .... ... ...... ........ .. . ... .. . ... 4. Содержание разделов проrрамм дисциплин .......................... ...... ... Контрольные вопросы. Электродинамика ... .. ... ... . .. ... ... ..... .... ... .. . ... Контрольные вопросы. Распространение радиоволн . .. ... .. .. .. ... . . .. 5. Методические указания к выполнению контрольных заданий..... 3 4 4 5 7 8 12 13 Контрольные работы, выполняемые по дисциШiине «Электродинамика и РРВ» Коптрольная работа М Контрольная работа М ... ...... .... .. .. ... .. .... . .. ..... .. ...... ..... .. ... .. ... .. .. . 1 ........ ................................................. ... 2 ............................................................ 14 14 18