Программа. Основные положения теории электромагнитного поля

Основные положения теории электромагнитного поля

Электромагнитное поле и его математические модели. Основные законы:

- Гаусса,

- сохранения заряда,

- неразрывности магнитных силовых линий,

- полного тока,

- электромагнитной индукции.

Материальные уравнения электромагнитного поля и классификация сред. Сторонние токи.

Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Уравнения Максвелла для гармонических колебаний. Комплексные амплитуды полей. Комплексные проницаемости. Энергетические характеристики и баланс энергии поля; баланс энергии в случае гармонических колебаний.

Единственность решений уравнений электродинамики. Принцип перестановочной двойственности. Лемма Лоренца.

Поля на границах раздела сред. Граничные условия для векторов электрического поля. Граничные условия для векторов магнитного поля.

Плоские электромагнитные волны

Понятие волнового процесса. Волновой характер переменного электромагнитного поля. Уравнение Гельмгольца. Плоские волны и их характеристики. Плотность потока мощности в плоской электромагнитной волне. Поляризация электромагнитных волн.

Электромагнитные волны в средах с частотной дисперсией. Распространение импульсов в средах с частотной дисперсией. Групповая скорость. Электродинамические параметры плазмы. Распространение электромагнитных волн в плазме. Плазменная модель полупроводника, металла. Электромагнитные волны в сверхпроводниках.

Падение плоских волн на границу раздела двух сред

Падение плоской электромагнитной волны на границу раздела двух сред без потерь. Формулы Френеля. Угол Брюстера. Полное внутреннее отражение. Неоднородные плоские волны. Падение плоской электромагнитной волны на диэлектрическое полупространство с потерями. Приближенные граничные условия Леонтовича и теория сильного скин-эффекта.

Электромагнитные волны в направляющих структурах

Падение плоских волн с параллельной и перпендикулярной поляризацией на идеально проводящую плоскость. Математическое представление и классификация направляемых волн: Т-, Е- и Н-волны. Структура и некоторые характеристики направляемых волн.

Прямоугольный и круглый металлические волноводы. Решение двумерного уравнения Гельмгольца. Волны типа Е и типа Н. Критические частоты, дисперсионная характеристика волновода. Структура силовых линий векторов электромагнитного поля и поверхностных токов. Характеристическое сопротивление волновода. Некоторые способы возбуждения и основы применения прямоугольных и круглых волноводов.

Волноводы с волнами типа Т. Общие свойства волн типа Т. Коаксиальный и полосковый волноводы. Отрезок волновода с Т-волной как четырехполюсник.

Затухание волн в полых металлических волноводах. Поверхностные электромагнитные волны и замедляющие системы.

Электромагнитные волны в плоском диэлектрическом волноводе, над гребенчатой структурой и в световоде. Некоторые типы периодических структур.

Колебательные системы СВЧ

Объемные резонаторы. Отрезок направляющей структуры, ограниченный металлическими торцевыми поверхностями, как резонатор. Анализ собственных колебаний в полых резонаторах. Прямоугольный, круглый и коаксиальный резонаторы. Структура силовых линий электромагнитного поля для различных типов колебаний в резонаторах. Некоторые способы возбуждения и включения объемных резонаторов. Проходной резонатор. Добротность объемных резонаторов. Понятие об открытых и диэлектрических резонаторах.

Излучение электромагнитных волн

Неоднородные уравнения Максвелла. Векторный и скалярный потенциалы электромагнитного поля. Неоднородное уравнение Гельмгольца и его решение в случае возбуждения свободного пространства заданной системой сторонних источников. Функция Грина.

Элементарный источник электромагнитного поля и свойства возбуждаемой им сферической волны. Элементарные электрический и магнитный излучатели: структура поля, диаграммы направленности, сопротивление излучения, коэффициент направленного действия. Элементарные щелевой и рамочный излучатели как примеры реализации элементарного магнитного излучателя.

Элемент Гюйгенса. Теорема эквивалентности. Условие излучения. Возбуждение свободного пространства нитью электрического тока.

Цилиндрические волны. Возбуждение волноводов и объемных резонаторов заданной системой сторонних источников. Определение амплитудных коэффициентов собственных колебаний в случае использования элементарных излучателей.

Дифракция электромагнитных волн

Постановка электродинамическимх задач дифракции, предельные случаи. Метод физической оптики. Дифракция плоской волны на щели в идеально проводящем экране. Метод Гюйгенса-Кирхгофа. Дифракция плоской волны на прямоугольном отверстии в идеально проводящем экране. Дифракция Фраунгофера. Дифракция Френеля. Дифракция плоской электромагнитной волны на идеально проводящем цилиндре.

Электродинамика неоднородных сред

Уравнения Максвелла в неоднородной среде и их решения методом геометрической оптики. Уравнения эйконала и переноса. Траектории лучей в неоднородной среде. Примеры: наклонные лучи в плоскослоистой среде; лучевое распространение волн в волоконных оптических линиях передачи.

Распространение электромагнитных волн в анизотропной среде

Виды анизотропии. Оптические свойства одноосных и двухосных кристаллов. Гиротропия намагниченной плазмы и феррита. Поперечное и продольное распространение электромагнитных волн в гиротропной среде.

Распространение радиоволн в свободном пространстве

Механизмы распространения радиоволн. Энергетические соотношения в условиях свободного пространства. Область пространства, существенно участвующая в формировании поля на заданной линии.

Распространение радиоволн вдоль гладкой сферической земной поверхности, в однородной атмосфере

Электрические свойства земной поверхности. Основные определения. Множитель ослабления. Поле поднятого излучателя в освещенной зоне. Поле низко расположенного электрического вибратора в зоне приближения плоской Земли. Поле в зонах полутени и тени при высоко поднятых и низко расположенных антеннах.

Электрические параметры земной атмосферы

Строение атмосферы Земли. Электрические свойства тропосферы и стратосферы. Электрические свойства ионосферы.

Распространение радиоволн в земной атмосфере

Физические процессы. Процессы, наблюдаемые при распространении радиоволн в атмосфере. Преломление радиоволн. Влияние ионосферы на поляризацию волн. Рассеяние радиоволн слабыми неоднородностями диэлектрической проницаемости атмосферы. Ослабление напряженности поля радиоволн в атмосфере. Искажение сигналов.

Помехи радиоприему

Классификация источников внешних помех. Характеристики источников внешних помех.

Распространение земной волны в диапазоне СВЧ, УВЧ и ОВЧ

Поле над гладкой Землей с учетом рефракции. Расчет поля с учетом рельефа трассы и рефракции. Случайные колебания напряженности поля земной волны на открытых и полуоткрытых трассах. Распространение земной волны и условия работы радиовещательных систем в диапазонах ОВЧ и УВЧ. Дальнее тропосферное распространение. Ионосферное рассеяние волн ОВЧ.

Распространение радиоволн на линии Земля - искуственный спутник Земли

Особенности спутниковой связи. Потери в тракте распространения. Внешние шумы, влияющие на работу космических линий. Искажения сигналов в тракте распространения. Запаздывание сигналов.

Распространение радиоволн ВЧ

Основной механизм распространения и области применения ВЧ. Рабочие частоты. Модели распространения. Замирания и разнесенный прием. Время запаздывания и ограничение скорости передачи информации. Влияние ионосферных возмущений на распространение радиоволн.

Особенности распространения волн СЧ и высоких частот полосы НЧ

Условия распространения земной волны. Условия приема в темное время суток. Расчет напряженности поля.

Распространение волн НЧ и ОНЧ

Область применения. Волноводный механизм распространения и зависимость напряженности поля от расстояния. Регулярные и нерегулярные изменения напряженности поля во времени.