1. Основы теории электромагнитного поля

1.1. Информативность различных диапазонов волн

1.2. Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ)

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

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.

Рассмотрим диапазоны метровых волн (КВ).

Если в этом диапазоне вести телевидение, то можно организовать четыре канала или 6000 телефонных каналов.

Диапазон УКВ.

число телевизионных каналов — 40
число телефонных каналов — 6*10⁴

Сантиметровый диапазон:

n_телев. = 4000, n_телеф. = 6*10⁶

Миллиметровый диапазон

Если посмотреть на оптический диапазон,

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.
2. Большая информативность.
3. 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 >> t_зап. Запаздыванием процесса колебании от одной точки к другой можно пренебречь. Т — период колебаний источника;

t_зап — время запаздывания при распространении сигнала в цепи.

Предположим l — линейные размеры цепи, С — скорость света, тогда t_зап = .
Если Т >> Т С >> 1, т.к. Т С = , следовательно:

>> 1 — 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.

— вектор напряженности электрического поля.

(х, у,z,t) [В/м]

— вектор электрического смещения

(x,y,z,t) [кл/м²]

— вектор напряженности магнитного поля.

(х,у,z,t) [А/М]

— вектор магнитной индукции

(x,y,z,t) [Вб/м²]

, — характеризуют силовые характеристики полей.

, — 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).

Многочисленные эксперименты и строгие теоретические выводы подтверждают связь:

=

где — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

Для вакуума = = 8,85 * 10^-12 [Ф/м].

Вводят понятие относительной диэлектрической проницаемости: =

=

В справочной литературе указаны значения . Для магнитных веществ ситуация аналогичная:

=

— абсолютная магнитная проницаемость.

Для вакуума:

= = 4 * 10^-7

Для удобства расчетов вводят понятие относительной магнитной проницаемости :

=

Выражения (1.5.1.) называют материальными уравнениями среды.

=

=

=

(1.5.1.)

— плотность тока проводимости []

— удельная проводимость среды [].

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.