Файл: Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 146
Скачиваний: 3
Н. А. СЕМЕНОВ
ТЕХНИЧЕСКАЯ
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Допущено |
Министерством |
связи |
СССР |
в качестве |
учебного пособия |
для |
электро |
технических |
институтов связи |
|
|
ИЗДАТЕЛЬСТВО «СВЯЗЬ» МОСКВА 1973
6Ф1
сзо
УДК 538.3(075.8)
Семенов Н. А .
СЗО Техническая электродинамика. Учебное пособие для вузов. М., «Связь», 1973.
480 с. с ил.
На основе уравнений Максвелла рассмотрены волны в диэлектриках и проводниках, энергетические соотноше ния, стационарные поля, явления на границе сред, излу чение и дифракция электромагнитных волн. Дана теория направляемых волн, линий, волноводов, замедляющих систем и объемных резонаторов. Рассмотрены волновод-
ные узлы и элементы, |
согласующие устройства, пере |
ходы, частотные фильтры |
и другие устройства. |
Книга предназначена |
для студентов вузов связи, ра |
диотехнических вузов и факультетов. |
0342—49 |
-25—73 |
|
6Ф1 |
|
|
|
|||
045(01)—73' |
|
|
|
|
|
isav |
• |
|
|
|
О |
? : |
|
|
|
Ч И Т А ; |
О З А Л А |
|
|
|
|
|
||
Рецензенты: іГ. 3. Айзенберг, |В. И. Вольман, |
||||
Г А Ерохин, |
О. И. Фальковский, |
И. Г. іКляцкин. |
©Издательство «Связь», 1973 г.
Николай Александрович |
Семенов |
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Отв. редактор А. А. Семенов
Редактор Н. К. Логинова Художник С. Н. Голубев
Техн. редактор Е. Р. Ротермель, Л. А. Горшкова
Корректор Г. Г. Лев
Сдано |
в набор 29/ХІІ |
1972 г. Подписано в печ. 13/IV 1973 г. |
||
Форм. |
бум. 60Х90/.6 |
30,0 |
печ. л. |
30,0 усл.-п. л. |
Т-05285 |
31,22 уч. изд. л. Тираж |
27 000 |
экз. Зак. изд. 13053 |
|
Бумага |
книж.-журнальная |
|
Цена 1 руб. 33 коп. |
Издательство «Связь», Москва-центр, Чистопрудный бульвар, 2.
Типография издательства «Связь» Государственного комитета Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
Москва-центр, ул. Кирова, 40. Зак. тип. 2
С О Д Е Р Ж А Н И Е
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
|
Предисловие . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|||
Список |
основных обозначений |
|
|
|
|
|
° |
||||||
Введение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
I. Т Е О Р И Я Э Л Е К Т Р О М А Г Н И Т Н О Г О П О Л Я |
|
|
|
|
|
||||||||
Глава |
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электромагнитное поле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1.1. Векторы электромагнитного поля |
|
|
|
|
Ijj |
||||||||
1.2. Макроскопическая |
электродинамика |
|
|
|
|
20 |
|||||||
1.3. Свойства |
электромагнитного поля |
|
|
|
|
21 |
|||||||
1.4. Материальные уравнения |
|
|
|
|
|
23 |
|||||||
Глава |
2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уравнения Максвелла |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2.1. Аксиомы |
электродинамики |
|
|
|
|
. . |
28 |
||||||
2.2. Поток электрического смещения. Обобщенная теорема Гаусса |
29 |
||||||||||||
2.3. Циркуляция магнитного поля. Обобщенный закон Ампера . . . |
. |
31 |
|||||||||||
2.4. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея |
|
|
|
34 |
|||||||||
2.5. Соленоидальность поля магнитной индукции |
|
|
|
35 |
|||||||||
2.6. Сторонние |
силы |
|
электромагнитного поля |
. . . . . . |
. |
36 |
|||||||
2.7. Основные |
уравнения |
37 |
|||||||||||
2.8. Граничные |
условия |
|
|
|
|
|
|
39 |
|||||
Глава |
3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Основные (свойства монохроматического поля |
|
|
|
|
|||||||||
3.1. Векторные величины в комплексной форме |
|
|
. . |
45 |
|||||||||
3.2. Комплексные проницаемости |
|
|
|
|
|
46 |
|||||||
3.3. Система уравнений монохроматического поля |
Е и |
Н |
|
49 |
|||||||||
3.4. Однородные волновые уравнения для векторов |
. |
50 |
|||||||||||
3.5. Плоские волны в неограниченных средах |
|
|
5 2 |
||||||||||
3.6. Волны |
в |
диэлектрике |
|
|
|
|
|
56 |
|||||
3.7. Волны |
в |
проводнике |
|
|
|
|
|
57 |
|||||
3.8. Виды поляризации |
|
волн |
|
|
|
|
% |
60 |
|||||
Глава |
4. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергия электромагнитного поля. Теорема единственности |
|
|
|
||||||||||
4.1. Закон |
сохранения |
электромагнитной |
энергии |
|
|
|
64 |
||||||
4.2. Мощности потерь и сторонних сил |
|
|
|
|
66 |
||||||||
4.3. Теорема |
Пойнтинга. |
Скорость |
волны |
|
|
|
67 |
||||||
4.4. Баланс |
энергии |
монохроматического |
поля |
|
волны . |
. , |
69 |
||||||
4.5. Энергетические |
характеристики |
плоской однородной |
74 |
||||||||||
4.6. Теорема |
единственности |
|
|
|
|
," |
75 |
||||||
Глава |
5. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стационарные ноля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
5.1. Система |
уравнений |
|
стационарного поля |
|
|
' |
79 |
||||||
5.2. Электростатическое |
поле |
|
|
|
|
79 |
|||||||
5.3. Задачи |
электростатики |
|
|
|
|
\ |
84 |
||||||
5.4. Поле постоянных токов |
поле |
|
|
|
, |
89 |
|||||||
5.5. Постоянное |
электромагнитное |
|
|
|
\ |
90 |
Глава |
6. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Волны у границы раздела сред |
|
|
|
|
|||||
6Л. Отражение |
и преломление |
плоских волн на |
плоской |
границе раздела |
98 |
||||
6.2. Формулы Френеля . |
волн на границе идеальных диэлектриков |
МО |
|||||||
6.3. Отражение |
и преломление |
103 |
|||||||
6.4. Граничное условие |
Леонтовича |
|
|
105 |
|||||
6.5. Скин-эффект у плоской границы проводника |
|
|
107 |
||||||
6.6. Скин-эффект в круглом цилиндрическом проводе |
через пластину |
109 |
|||||||
6.7. Метод ориентированных графов. Прохождение волны |
113 |
||||||||
6.8. Электромагнитный |
экран |
|
|
|
|
П7 |
|||
Глава |
7. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Излучение и дифракция электромагнитных волн |
|
|
|
||||||
7.1. Электродинамические потенциалы |
|
|
123 |
||||||
7.2. Элементарный электрический |
излучатель |
|
|
126 |
|||||
7.3. Принцип перестановочной |
двойственности |
|
|
132 |
|||||
7.4. Элементарный магнитный излучатель |
|
|
134 |
||||||
7.5. Принцип эквивалентности |
источников |
|
|
136 |
|||||
7.6. Дифракция электромагнитных |
волн |
|
|
139 |
|||||
7.7. Лемма Лоренца. |
Теоремы |
взаимности |
|
|
150 |
||||
|1. В О Л Н О В О Д Ы |
И Р Е З О Н А Т О Р Ы |
|
|
|
|
||||
Глава |
8. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Направляемые электромагнитные волны |
|
|
|
||||||
8.1. Основные определения |
|
|
|
|
153 |
||||
8.2. Волновые уравнения для направляемых волн |
|
|
155 |
||||||
8.3. Связь между |
продольными |
и |
поперечными составляющими поля . . |
156 |
|||||
8.4. Классификация направляемых |
волн |
|
|
158 |
|||||
8.5. Парциальные волны в волноводах |
|
|
162 |
||||||
8.6. Скорости волны. Дисперсия. Моїщюсть |
|
|
167 |
||||||
8.7. Закон парциальных |
мощностей |
|
|
172 |
|||||
8.8. Коэффициент |
затухания |
|
|
|
|
174 |
|||
8.9. Нормированные волны. Линия с нагрузкой. Шумовая температура линии |
178 |
||||||||
Глава |
9. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Полые металлические |
волноводы |
|
|
|
|
||||
9.1. Параметры волн в полых волноводах |
|
|
187 |
||||||
9.2. Волноводы прямоугольного сечения . |
мощность . . . . |
189 |
|||||||
9.3. Волноводы с нерегулярностями. Предельная |
202 |
||||||||
9.4. Волноводы П- и Н-образного сечения |
|
|
205 |
||||||
9.5. Волноводы кругового сечения |
|
|
|
206 |
|||||
9.6. Эллиптические волноводы |
|
|
|
|
215 |
||||
9.7. Применение |
полых |
металлических волноводов . |
|
216 |
|||||
9.8. Возбуждение |
волноводов |
|
|
'. |
|
220 |
|||
9.9. Запредельные |
волноводы |
|
|
|
224 |
||||
Глава |
10. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Линии с ТЕМ-волнами |
|
|
|
|
|
|
|
||
10.1. Теория идеальной |
линии |
|
|
|
|
229 |
|||
№2. Линии с потерями |
|
|
|
|
, |
232 |
|||
10.3. Коаксиальные линии |
|
|
|
236 |
|||||
10.4. Симметричные линии |
|
|
|
|
244 |
||||
10.5. Линии над землей |
|
|
|
|
|
|
249 |
||
10.6. Полосковые линии |
|
|
|
|
|
|
251 |
||
Глава |
11. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Объемные резонаторы |
|
|
|
|
|
|
|
||
11.1. Основные свойства |
и параметры |
|
|
255 |
|||||
J 1.2. Квазистационарные |
резонаторы |
|
, . . . |
259 |
11.3. |
Резонаторы |
со |
стоячей волной . |
|
262 |
||||||
11.4. |
Волноводные |
резонаторы |
|
|
266 |
||||||
11.5. |
Кольцевые |
резонаторы |
|
|
270 |
||||||
11.6. |
Открытые |
резонаторы |
разонаторов |
|
271 |
||||||
11.7. |
Собственная |
добротность |
|
274 |
|||||||
11.8. |
Возбуждение |
резонаторов |
|
278 |
|||||||
11.9. |
Внешние |
характеристики |
резонаторов |
|
281 |
||||||
Глава |
|
12. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Волноводы поверхностной волны и замедляющие системы |
|
|
|||||||||
12.1. Основные свойства и характеристики |
|
289 |
|||||||||
12J2. Круглый диэлектрический волновод |
|
292 |
|||||||||
12.3. Линия поверхностной |
волны |
. . . . |
303 |
||||||||
12.4. Волна |
Зоммерфельда |
|
' |
309 |
|||||||
12.5. Плоская импедаисная |
поверхность |
|
310 |
||||||||
12.6. Гофрированный |
стержень |
|
314 |
||||||||
12.7. Диафрагмированный |
волновод |
|
315 |
||||||||
12.8. Спиральный |
волновод |
|
|
318 |
|||||||
12.9. Возбуждение |
.волноводов .поверхностной волны |
|
321 |
||||||||
I I I . В О Л Н О В О Д Н Ы Е У З Л Ы И Э Л Е М Е Н Т Ы |
|
|
|||||||||
Глава |
13. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Элементы волноводного тракта |
|
|
|||||||||
13.1. |
Основные |
понятия |
|
|
|
324 |
|||||
13.2. |
Метод |
возмущений |
|
линии |
|
325 |
|||||
13.3. |
Элементы |
коаксиальной |
|
328 |
|||||||
13.4. |
Сочленения |
и |
|
изгибы |
волноводов |
|
330 |
||||
13.5. |
Реактивные элементы |
|
|
|
334 |
||||||
13.6. Неотражающие |
устройства |
|
340 |
||||||||
13.7. Фильтры типов |
волн |
|
|
|
345 |
||||||
13.8. Отверстия |
связи |
|
|
|
347 |
||||||
Глава |
14. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Волновые матрицы. Двухплечие узлы |
|
|
|||||||||
14.1. |
Матричный анализ волноводных узлов |
|
352 |
||||||||
14.2. Операции |
с |
матрицами |
|
|
355 |
||||||
14.3. Свойства волноводных узлов и матриц рассеяния |
|
357 |
|||||||||
14.4. Согласование линий и узлов |
|
361 |
|||||||||
14.5. Широкополосные ступенчатые переходы |
|
369 |
|||||||||
14.6. Плавные |
переходы |
|
|
. . . . |
376 |
||||||
14.7. Переходы между волноводами и линиями разных типов |
380 |
||||||||||
14.8. Частотные |
фильтры |
|
|
|
385 |
||||||
Глава |
15. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Многоплечие узлы |
|
|
|
|
|
|
|||||
15.1. |
Трехплечие соединения. Симметрирующие устройства |
. |
402 |
||||||||
15.2. Четырехплечие соединения. Направленные ответвители |
408 |
||||||||||
15.3. Направленные |
|
фильтры |
|
|
429 |
||||||
15.4. Управление |
свч сигналами |
|
433 |
||||||||
Глава |
16. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Волноводные устройства с ферритами |
|
|
|||||||||
16Л. Свойства |
свч |
ферритов |
|
. |
439 |
||||||
16.2. Распространение волн в гиротропной среде |
|
446 |
|||||||||
16.3. Узлы |
с |
ферритом |
|
|
|
456 |
|||||
16.4. Устройства, использующие эффект Фарадея |
\ |
460 |
|||||||||
16.5. Узлы с поперечно-намагниченным ферритом |
. |
463 |
|||||||||
16.6. Устройства со смещением поля |
1 1 1 |
470 |
|||||||||
16.7. У-циркуляторы |
|
|
|
473 |
|||||||
Список литературы |
|
|
|
|
1 1 1 |
477 |
|||||
Предметный указатель |
|
|
1 1 1 |
478 |
П Р Е Д И С Л О В И Е
Книга написана в соответствии с действующей программой курса «Техническая электродинамика» для институтов связи (спец. 0702, 0703, 0708). Тот же программный материал изу чается студентами по 'Специальности «Радиотехника» (0701). Книга может быть полезной также специалистам, занятым в области технических приложений электродинамики.
Исходными при изучении электродинамики являются урав нения Максвелла, которые завершают раздел электромагне тизма в курсе физики. Предполагается знакомство читателя с векторным анализом, цилиндрическими функциями, теорией линейных электрических цепей.
Первая часть книги |
«Теория электромагнитного |
поля» |
||
почти целикам |
состоит из |
материала, |
ставшего классическим |
|
•в образовании |
инженеров |
и физиков. |
После «ведения |
основ |
ных понятий макроскопической теории поля рассмотрены вол ны в диэлектриках и проводниках, энергетические соотноше ния, стационарные поля, явления на границе раздела сред, из лучение и дифракция электромагнитных волн. Определенный акцент сделан на те вопросы, которые наиболее существенны для современных технических приложений. Дано понятие о методе 'ориентированных графов.
Вторая часть «Волноводы и резонаторы» посвящена теории направляемых волн, полых металлических 'волноводов, линий с ТЕМ волнами, волноводов поверхностной волны и замедляю щих систем, объемных резонаторов, включая открытые резона торы оптического диапазона. Развивается инженерный подход к расчету этих устройств. В какой-то мере этот материал является необходимым практикумом по применению изложен ных в первой части методов..
Содержание третьей части «Волноводные узлы и элемен ты» определяется, прежде всего, современным состоянием техники свч. Рассмотрены методы согласования линий и узлов, широкополосные ступенчатые и плавные переходы, ча стотные фильтры, направленные ответвителя и мосты, невзаим ные и управляющие устройства, фазовращатели, поляризато-
ры и другие элементы. Используется обобщенное описание свойств волноводных узлов волновыми матрицами рассеяния. При расчете отдельных элементов применен метод возмуще ний.
Для усвоения курса необходима активная работа читате ля . Следует делать как можно больше рисунков, поясняющих графически основные формулировки и математические соотно шения. Нужно также решать много задач, уделяя им не мень ше времени, чем изучению теории. Началом этой работы является разбор и решение задач, приведенных в каждой гла ве. Эти рекомендации особенно важны для студентов заочно го обучения.
В заключение приношу искреннюю и глубокую благодар ность всем, кто мне помог в работе над рукописью, чьи советы
изамечания способствовали ее улучшению: Г. 3. Айзенбергу,
И. Г. Кляцкину, Й. С. Ковалеву, В. |Г. Волкову, В. И. іВольману, Г. А. Ерохину, О. И. Фальковскому, Г. А. Черенкову,
товарищам по кафедре и исследовательской лаборатории ТЭА ВЗЭИС. Особую признательность выражаю А. А. Семе нову за большой труд по редактированию рукописи.
Пожелания и замечания по мниге просьба направлять в издательство .«Связь» (Москва-центр, Чистопрудный бульвар, Д . 2).
Автор