Введение

В предлагаемом учебном пособии кратко отражены основные вопросы по теории СВЧ техники, которые необходимо для магистрантов по специальности 6М071900 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации».

Области применения СВЧ техники – радиотехнические системы, которые предназначены для формирования и передачи информации или энергии с помощью электромагнитного поля через свободное пространство. К ним относятся: системы радиосвязи; радиолокационные системы; радионавигационные системы; системы для медицинской диагностики и лечения; радиоастрономические системы; системы для использования электромагнитных волн в промышленных целях (например, передачи энергии с помощью электромагнитного поля); радиосистемы, в которых электромагнитное поле используется в качестве оружия уничтожения и другие системы.

Доля радиотехнических систем в современной телекоммуникации все более увеличивается. При этом наблюдается смещение рабочего диапазона используемых несущих колебаний в более высокую область спектра частот. Например, спутниковое телевидение заняло следующий интервал 11…14 ГГц, телевещания через космические ретрансляторы в диапазоне 20…30 ГГц. Увеличение частоты несущей сигнала позволяет размещение большого числа каналов, т.е. способствует увеличению емкости используемого диапазона. С этой точки зрения, возможности оптического диапазона, частоты которых выше 3∙10¹² Гц, чрезвычайно высоки. Приведенные примеры современных систем телекоммуникаций показывают, что использование спектра высоких частот очень перспективное направление. Теоретическая база техники сверхвысокочастотной (в том числе и оптической) связи основана на уравнениях Максвелла и использует элементы векторной алгебры и векторного анализа. Изучение волновых явлений в устройствах СВЧ, или пространственной структуры поля в свободном пространстве и линиях передачи не требует рассмотрения вопросов на уровне квантовой физики, достаточно их представление через непрерывные в пространстве поля.

При рассмотрении волновых процессов, волна распространяется в диэлектриках и проводниках по-разному и их параметры сильно отличаются друг от друга. ЭМВ падая на границу раздела сред, подчиняется законам оптики и имеет свои отличительные особенности.

Рассмотрены вопросы существования направленных волн в полых волноводах и их особенности. Так же, рассмотрены вопросы об объемных резонаторах.

Используются также более высокие частоты (субмиллиметровые волны, f>300 GHz ).

1. Электромагнитные волны

   Излучение электромагнитных волн.

   Общие понятия. Под излучением понимается перенос энергии электромагнитного поля от источника в пространстве. Способ­ность электромагнитного поля перемещаться в пространстве является одним из важных его свойств, следующих из закона сохранения энергии. Ответвление электромагнитной энергии от источника происходит благодаря току смещения, который может существовать в диэлектрике и вакууме. Поэтому любой сторон­ний источник, способный создавать в пространстве ток смещения, является излучателем электромагнитных волн.

Задача излучения состоит в нахождении векторов излученного электромагнитного поля по известному распределению сторонних токов и решается обычно для элементарных излучателей. Элемен­тарные излучатели являются идеализированными моделями, удобными для теоретического анализа.

Элементарным электрическим излучателем (ЭЭИ) называется малый по сравнению с длиной волны линейный элемент перемен­ного тока, т. е. отрезок l (рисунок 1,а), вдоль которого течет ток: распределение амплитуды и фазы которого вдоль излучателя полагается неизменным.

Элементарным магнитным излучателем (ЭМИ) считают малый по сравнению с длиной волны виток (рамку) с переменным током (рисунок 1,б).

Элементарный участок dS фронта распространяющейся волны: (рисунок 1,в) называют элементом Гюйгенса.