Электродинамика и распространение радиоволн

 

Министерство науки и высшего 
образования Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России 
Б. Н. Ельцина

Учебник УрФУ

И. П. Соловьянова, Ю. Е. Мительман, 
С. Н. Шабунин

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА 
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ 
РАДИОВОЛН

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
в качестве учебника
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки:
11.03.01 — Радиотехника;
11.03.02 — Инфокоммуникационные 
технологии и системы связи;
11.05.01 — Радиоэлектронные системы 
и комплексы

Под общей редакцией 
доц., канд. техн. наук И. П. Соловьяновой
и доц., канд. техн. наук Ю. Е. Мительмана

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 537.86(075.8)
ББК 22.313я73
          С60
Серия основана в 2017 году.
Редакционная коллегия серии:
доц., канд. техн. наук Е. В. Вострецова; доц., канд. пед. наук Т. И. Алферьева; 
И. Ю. Плотникова (ответственный редактор серии)

Рецензенты:
проф., д‑р техн. наук Н. И. Войтович (завкафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры Южно‑Уральского государственного университета (национального исследовательского университета);
доц., д‑р техн. наук О. П. Пономарев (замгендиректора по НТР, гл. конструктор 
АО «Уральское производственное предприятие “Вектор”»)

Автор изображений на обложке и контртитуле Татьяна Шабунина.

 
Соловьянова, И. П.
С60 Электродинамика и распространение радиоволн : учебник / И. П. Соловьянова, 
Ю. Е. Мительман, С. Н. Шабунин ; под общ. ред. доц., канд. техн. наук И. П. Соловьяновой и доц., канд. техн. наук Ю. Е. Мительмана ; Мин‑во науки и высш. 
образования РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 412 с. — (Учебник УрФУ).

ISBN 978‑5‑7996‑3137‑6

Изложены основы теории электромагнитных волн, рассмотрены особенности распространения волн в различных средах и электромагнитных волн на границе раздела сред. Проанализированы основные направляющие системы и их собственные волны, объемные резонаторы на их основе, а также закономерности электромагнитного поля внутри них. Приводятся 
способы расчета и моделирования распространения радиоволн в свободном пространстве 
и на естественных трассах.

Библиогр.: 35 назв. Рис. 209. Табл. 9.
УДК 537.86(075.8)
ББК 22.313я73

ISBN 978‑5‑7996‑3137‑6 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2020

Оглавление

Предисловие..................................................................................................... 10

Введение ........................................................................................................... 13

1. Общие сведения о волновых процессах ....................................................... 16

1.1. Упругие и электромагнитные волны ................................................. 16
1.2. Распределение волн по частоте .......................................................... 19
1.3. Гармоническая волна и ее параметры ............................................... 22
1.4. Волновые явления .............................................................................. 26
Контрольные вопросы .............................................................................. 30

2. Векторы электромагнитного поля. Параметры 
      и классификация сред ................................................................................. 31

2.1. Векторы электромагнитного поля ..................................................... 31
2.2. Материальные уравнения электромагнитного поля ......................... 32
2.3. Классификация сред........................................................................... 37
Контрольные вопросы .............................................................................. 40

3. Основные уравнения электромагнитного поля ............................................ 41

3.1. Уравнения Максвелла ........................................................................ 41
3.2. Система уравнений электромагнитного поля ................................... 46
3.3. Система уравнений монохроматического 
        электромагнитного поля .................................................................... 48
3.4. Уравнение баланса мгновенных значений мощностей 
        в электромагнитном поле ................................................................... 53
3.5. Уравнение баланса мощностей в монохроматическом 
        электромагнитном поле ..................................................................... 57
3.6. Скорость распространения электромагнитной энергии .................. 61
3.7. Граничные условия для векторов электромагнитного 
        поля на поверхности раздела сред ..................................................... 63

3.7.1. Граничные условия для нормальных  
           составляющих векторов электромагнитного поля .................. 65
3.7.2. Граничные условия для касательных 
           составляющих векторов электромагнитного поля .................. 67
3.7.3. Граничные условия на поверхности идеального 
           проводника ............................................................................... 71
Контрольные вопросы .............................................................................. 74

Оглавление

4. Плоские электромагнитные волны в однородной 
      изотропной среде ......................................................................................... 75

4.1. Волновые уравнения........................................................................... 75
4.2. Плоские электромагнитные волны в однородной 
        изотропной среде ................................................................................ 78
4.3. Плоские электромагнитные волны в однородной 
        изотропной среде с проводимостью отличной от нуля .................... 89
4.3.1. Плоские однородные волны в диэлектрических 
           средах с малыми потерями ....................................................... 96
4.3.2. Плоские однородные волны в хорошо 
           проводящих средах ................................................................... 97
4.4. Поляризация электромагнитных волн .............................................. 98
4.5. Плоские волны, распространяющиеся в произвольном 
        направлении ..................................................................................... 106
Контрольные вопросы ............................................................................ 107

5. Отражение и преломление электромагнитных волн 
      на границе раздела сред ............................................................................. 109

5.1. Падение нормально поляризованной плоской волны 
        на границу раздела двух сред ............................................................ 111
5.2. Падение параллельно поляризованной плоской волны 
        на границу раздела двух сред ............................................................ 116
5.3. Полное прохождение волны во вторую среду ................................. 119
5.4. Полное отражение от границы раздела двух сред ........................... 123
5.5. Нормальное падение плоской электромагнитной волны 
        на границу раздела сред .................................................................... 127
5.6. Приближенные граничные условия Леонтовича. 
        Мощность потерь в проводниках .................................................... 134
Контрольные вопросы ............................................................................ 138

6. Излучение электромагнитных волн в свободном пространстве. 
Элементарные излучатели .............................................................................. 140

6.1. Решение уравнений Максвелла для задач излучения 
        электромагнитных волн ................................................................... 140
6.2. Элементарный электрический излучатель ...................................... 144
6.3. Элементарный магнитный излучатель. Элемент Гюйгенса ............. 153
Контрольные вопросы ............................................................................ 163

7. Общие свойства направляемых волн ......................................................... 164

7.1. Направляемые волны в линиях передачи ........................................ 164
7.2. Уравнения связи между поперечными и продольными 
        составляющими векторов поля направляемых волн ...................... 167
7.3. Условие распространения направляемых волн ............................... 171
7.4. Параметры направляемых волн ....................................................... 173
7.5. Концепция парциальных волн ......................................................... 179

Оглавление 

7.6. Мощность, переносимая электромагнитной волной 
        по линии передачи ........................................................................... 181
7.7. Затухание направляемых волн ......................................................... 183
Контрольные вопросы ............................................................................ 186

8. Прямоугольный металлический волновод ................................................. 187

8.1. Поле направляемых волн в прямоугольном волноводе .................. 187
8.2. Параметры электрических и магнитных волн 
        в прямоугольном волноводе............................................................. 192
8.3. Основная волна типа Н10 прямоугольного волновода ..................... 196
8.4. Квадратный волновод ....................................................................... 206
8.5. Структура поля и поверхностных токов волн разных 
        типов ................................................................................................. 206
8.6. П‑образный и Н‑образный металлические волноводы .................. 210
Контрольные вопросы ............................................................................ 213

9. Круглый металлический волновод ............................................................. 214

9.1. Поле направляемых волн в круглом волноводе .............................. 214
9.2. Параметры электрических и магнитных волн в круглом 
        волноводе .......................................................................................... 218
9.3. Волны H11, E01 и H01 в круглом волноводе: параметры, 
        структура поля и поверхностных токов ........................................... 219
Контрольные вопросы ............................................................................ 225

10. Коаксиальные и двухпроводные линии передачи .................................... 227
10.1. Поле основной волны в коаксиальной линии 
          передачи ......................................................................................... 227
10.2. Параметры и структура поля волны Т в коаксиальной 
          линии ............................................................................................. 231
10.3. Двухпроводная линия ................................................................... 236
Контрольные вопросы ........................................................................... 238

11. Полосковые линии передачи ................................................................... 239
11.1. Несимметричная полосковая линия передачи ............................ 240
11.2. Симметричная полосковая линия передачи ................................ 243
11.3. Связанные полосковые линии ...................................................... 245
11.4. Щелевые линии ............................................................................. 246
Контрольные вопросы ........................................................................... 248

12. Линии поверхностных волн ..................................................................... 249
12.1. Диэлектрические волноводы ........................................................ 249
12.2. Одномодовые и многомодовые оптоволоконные 
          линии ............................................................................................. 253
Контрольные вопросы ........................................................................... 257

Оглавление

13. Возбуждение электромагнитных волн в линиях передачи ....................... 258
13.1. Основные принципы возбуждения направляемых 
          волн ................................................................................................ 258
13.2. Возбуждение с помощью электрического вибратора .................. 259
13.3. Возбуждение с помощью магнитного вибратора ......................... 263
13.4. Возбуждение с помощью отверстия связи ................................... 265
13.5. Трансформаторы типов волн ........................................................ 266
Контрольные вопросы ........................................................................... 268

14. Объемные резонаторы ............................................................................. 269
14.1. Объемные резонаторы в виде отрезков регулярных 
          линий передачи ............................................................................. 269
14.2. Резонансная частота и добротность ............................................. 273
14.3. Прямоугольный объемный резонатор .......................................... 278
14.4. Цилиндрический объемный резонатор ........................................ 281
14.5. Коаксиальный резонатор .............................................................. 284
14.6. Полосковый резонатор ................................................................. 287
14.7. Проходной резонатор .................................................................... 288
Контрольные вопросы ........................................................................... 290

15. Распространение радиоволн в свободном пространстве .......................... 292
15.1. Классификация радиоволн по способу 
          распространения ........................................................................... 292
15.2. Модель распространения радиоволн в свободном 
          пространстве .................................................................................. 296
15.3. Область пространства, существенно участвующая 
          в формировании поля в радиолинии ............................................ 306
Контрольные вопросы ........................................................................... 311

16. Поле антенн, поднятых над поверхностью Земли, в освещенной зоне .... 312
16.1. Множитель ослабления напряженности поля 
          на естественных трассах ................................................................ 312
16.2. Распространение земной волны ................................................... 314
16.3. Электродинамические параметры земной поверхности ............. 315
16.4. Дальность прямой видимости и зоны приема .............................. 320
16.5. Двухлучевая модель распространения волн. Расчет 
          поля в освещенной зоне ................................................................ 322
16.6. Множитель ослабления и амплитуда поля в двухлучевой модели ... 327
Контрольные вопросы ........................................................................... 334

17. Поле антенн, расположенных непосредственно у поверхности Земли ..... 335
17.1. Излучение и прием волн в диапазонах ДВ, СВ вблизи 
          поверхности Земли ........................................................................ 335
17.2. Формула Шулейкина и дифракционная формула Фока ............. 337
Контрольные вопросы ........................................................................... 340

Оглавление 

18. Распространение радиоволн в условиях пересеченной 
        местности и при наличии препятствий ..................................................... 342
18.1. Учет влияния неровностей местности. Критерий 
          Релея .............................................................................................. 342
18.2. Открытые, полузакрытые и закрытые трассы .............................. 343
18.3. Аппроксимация препятствий телами правильной 
          геометрической формы ................................................................. 345
18.4. Расчет дифракционного поля на одиночном клине .................... 350
18.5. Эффект усиления поля препятствием .......................................... 352
18.6. Учет кривизны земной поверхности ............................................ 356
Контрольные вопросы ........................................................................... 359

19. Распространение радиоволн в тропосфере .............................................. 360
19.1. Диэлектрическая проницаемость и показатель 
          преломления тропосферы ............................................................. 360
19.2. Рефракция радиоволн в неоднородной тропосфере .................... 363
19.3. Затухание радиоволн в тропосфере .............................................. 367
19.4. Дальнее тропосферное распространение. Замирания ................. 371
Контрольные вопросы ........................................................................... 374

20. Распространение радиоволн в ионосфере ................................................ 375
20.1. Строение ионосферы и ее электродинамические 
          характеристики .............................................................................. 375
20.2. Диэлектрическая проницаемость и проводимость 
          ионосферы ..................................................................................... 378
20.3. Зависимость диэлектрической проницаемости 
          ионосферы от высоты и частоты .................................................. 380
20.4. Отражение и преломление волн в ионосфере. 
          Критическая, максимальная и предельная частоты .................... 383
20.5. Ослабление радиоволн в ионосфере ............................................ 388
20.6. Расчет напряженности поля на ВЧ ионосферных 
          радиолиниях. Замирания .............................................................. 391
Контрольные вопросы ........................................................................... 394

21. Особенности распространения радиоволн различных 
        диапазонов ............................................................................................... 395
21.1. Распространение длинных и сверхдлинных волн ........................ 395
21.2. Распространение средних волн .................................................... 398
21.3. Распространение коротких волн .................................................. 399
21.4. Распространение ультракоротких волн на наземных 
          радиолиниях .................................................................................. 401
21.5. Распространение ультракоротких волн на космических 
          радиолиниях .................................................................................. 404
Контрольные вопросы ........................................................................... 407

Библиографический список ............................................................................ 408