Физика /
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.
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.
ℓ
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 = . Если Т >> 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).
+ - pэ = q ℓ - 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 =
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
Для удобства расчетов вводят понятие относительной магнитной проницаемости :
отн =
Выражения (1.5.1.) называют материальными уравнениями среды.
D = a E
B = a H
пр = E (1.5.1.)
пр - 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.