Материалы сайта
Это интересно
Поля и Волны
Лекция 1 Основы теории электромагнитного поля. 1.1. Информативность различных диапазонов волн. 1.2. Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ). 1.2.1. Особенности СВЧ диапазона. 1.3. Поля или цепи ? Условие квазистационарности. 1.4. Векторные характеристики электромагнитного поля. 1.5. Материальные уравнения среды. 1.6. Методы описания физических явлений и расчета устройств СВЧ. 1.1. Информативность различных диапазонов волн. В последнее время все большее количество людей переходят из сферы материального производства в сферу обработки, хранения и передачи информации. Информацию можно излучать, либо передавать по кабельным линиям, волноводам, световодам и т.д. Количество информации непрерывно растет. Ограничением является количество каналов. Любой канал может передать только определенную информацию. тф музыкальная передача газета ТВ 20кГц f 240 МГц 6 МГц Рассмотрим диапазоны метровых волн (КВ). ( = 10 ( 100 [м], f = 30 ( 3 [МГц], (f = 27 Мгц. Если в этом диапазоне вести телевидение, то можно организовать четыре канала или 6000 телефонных каналов. Диапазон УКВ. ( = 1 ( 10 [м], f = 300 ( 30 [МГц], (f = 270 Мгц число телевизионных каналов - 40 число телефонных каналов - 6*104 Сантиметровый диапазон: ( = 1 ( 10 см, f = 30 ( 3 ГГц, (f = 27 ГГц ( nтелев. = 4000, nтелеф. = 6*106 Миллиметровый диапазон ( = 1( 10 мм, f = 30-300 ГГц, ?f ( 270 ГГц, nтв ( 4 . 104, nтф = 6 . 107 Если посмотреть на оптический диапазон ( = 0,3 ( 3 мкм, f = 105 – 106 ГГц, (f = 9 . 105 ГГц. nтв ( 1,5 . 108, nтф ( 2 . 1011, то можно удовлетворить все потребности технического прогресса. С ростом частоты увеличивается информативность. Наращивание каналов связи - это освоение более высокочастотных диапазонов. 1.2. Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) Диапазон СВЧ : 1 ГГц - 100 Ггц 1 ГГц = 109 Гц 1.2.1. Особенности СВЧ диапазона. 1. Остронаправленность излучения при сравнительно небольших размерах излучателей. 1. Большая информативность. 1. Квазиоптический характер распространения волн. 1.3. Поля или цепи ? Условие квазистационарности. Аппарат теории цепей есть, он могучий. Зачем нужна теория электромагнитного поля? Противопоставлять теорию цепей и теорию поля нельзя. В одних условиях лучше одна теория, в других другая. Рассмотрим простейшую схему. ? Вопрос: Какие показания будут давать амперметры ? Одинаковые или нет в любой фиксированный момент времени? Ответ: Да, если Т >> tзап. Запаздыванием процесса колебании от одной точки к другой можно пренебречь. Т - период колебаний источника; tзап - время запаздывания при распространении сигнала в цепи. Предположим l - линейные размеры цепи, С - скорость света, тогда tзап = [pic]. Если Т >> [pic][pic] ( Т С >> l, т.к. Т С = (, следовательно: ( >> l - условие квазистационарности. (1.3.1.) Если условие квазистационарности выполняется, то можно пользоваться теорией цепей. Когда условие квазистационарности не выполняется, нужен другой анализ. В сантиметровом и оптическом диапазонах используется теория поля. 1.4. Векторные характеристики электромагнитных полей. Для полного описания свойств электромагнитных полей нужно знать положение, величину и направление в пространстве четырех векторов. ( Е - вектор напряженности электрического поля. ( Е(х, у,z,t) ( [В/м] ( D - вектор электрического смещения ( D(x,y,z,t) ( [кл/м2] ( Н - вектор напряженности магнитного поля. ( Н(х,у,z,t) ( [А/М] ( В - вектор магнитной индукции ( В(x,y,z,t) ( [Вб/м2] (( Е, В - характеризуют силовые характеристики полей. (( D,H - характеризуют источники ЭМП 1.5. Материальные уравнения среды. Материальные уравнения устанавливают связь между векторными характеристиками электромагнитных полей одинаковой природы. Рассмотрим связь между векторами D и Е, В и Н. Электромагнитные процессы могут протекать в самых разных условиях. Электромагнитные волны пронизывают ионосферу (от спутника до земной антенны). От свойств среды зависят условия распространения. Физики подробно дают ответ на такие вопросы (физика твердого тела, физика плазмы и т.д.). В простом представлении (грубая модель) среды разделяют на диэлектрические и магнитные. Диэлектрические среды состоят из зарядов одинаковой величины и противоположных по знаку (диполей). [pic] + - pэ = q ? - электрический момент. Многочисленные эксперименты и строгие теоретические выводы подтверждают связь: ( ( D = (a E где (а - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды. Для вакуума (a = (0 = 8,85 * 10-12 [Ф/м]. Вводят понятие относительной диэлектрической проницаемости: (a = (отн (0 (отн = [pic] В справочной литературе указаны значения (отн. Для магнитных веществ ситуация аналогичная: ( ( B = (a H (a - абсолютная магнитная проницаемость. Для вакуума: (a = (0 = 4 ( * 10-7 [pic] Для удобства расчетов вводят понятие относительной магнитной проницаемости : (отн = [pic] Выражения (1.5.1.) называют материальными уравнениями среды. ( ( D = (a E ( ( B = (a H ( ( (пр = ( E (1.5.1.) (пр - плотность тока проводимости [[pic]] ( - удельная проводимость среды [[pic]]. 1.6. Методы описания физических явлений и расчета устройств СВЧ диапазона. Электродинамика, как основа описания физических явлений в СВЧ диапазоне. Уравнения Максвелла, как обобщение экспериментальных законов электричества и магнетизма. ----------------------- А А ( А