Передмова

«Технічна електродинаміка та поширення радіохвиль (ТЕД та ПРХ)» – базова дисципліна бакалаврів, інженерів, магістрів за напрямом підготовки «Телекомунікації», спеціальності «Телекомунікаційні системи та мережі».

Навчальний посібник, з яким ви працюєте, складено за змістом навчальної та робочих програм (відповідно до форм навчання) дисципліни, затверджених деканом факультету Електроніки (ФЕЛ) НТУУ «КПІ».

Цей матеріал має на меті сприяти студенту опанувати базовими знаннями електродинаміки та поширення радіохвиль. Наполеглива робота з ним – запорука надійного фундаменту розв’язку практичних завдань електродинаміки (прямої та зворотної), опанування інших дисциплін за напрямом підготовки «Телекомунікації»: «Телекомунікаційні безпроводові системи», «Телекомунікаційні мережі наступного покоління», «Методи оптимізації в телекомунікаційних системах» тощо.

Дисципліну складено з двох кредитних модулів ТЕД та ПРХ-1, який містить дві частини: перша – засади електродинаміки, друга – поширення радіохвиль, і ТЕД та ПРХ-2, в якому надано інформацію щодо антен, ліній передавання (фідерів) та різних пристроїв надвисоких частот.

Наведемо склад кредитного модуля ТЕД та ПРХ-1.

Частина перша (1-9 розділи)

У першому розділі наведено: основні поняття електродинаміки; історична довідка накопичення знань з електротехніки та радіотехніки; розподіл радіохвиль за діапазонами частот та довжинами хвиль; визначення смуги частот телевізійного сигналу.

У другому розділі наведено базову інформацію з електростатики, основні поняття та положення: вектор напруженості електричного поля, вектор електричного зміщення, потенціал; закон Гаусса; граничні умови тощо.

У третьому розділі сформульовано засади утворення магнітного поля постійним струмом, наведено основні поняття та положення: вектор напруженості магнітного поля, вектор магнітної індукції (густина магнітного потоку), векторний магнітний потенціал; закон повного струму, граничні умови тощо.

Четвертий розділ є базовим для розуміння подальших положень електродинаміки. У ньому показано формування системи рівнянь Максвелла, як узагальнення законів електродинаміки, взаємозв’язок між електричним та магнітним полями, як складниками єдиного електромагнітного поля; обґрунтовано введення Максвеллом поняття «струм зміщення», показано формування електромагнітних хвиль; з’ясовано поняття «затримання потенціалу» тощо.

У п’ятому розділі на основі рівнянь Максвелла виведено теорему Пойнтинга; наведено обґрунтування балансу потужностей (та енергії) електромагнітного поля; сформульоване поняття «вектор Пойнтинга», за якого визначають потужність електромагнітного поля – носія інформації у навколишньому середовищі.

У шостому розділі на основі рівнянь Максвелла отримано хвильове рівняння, яке показує композицію характеристик поля у часі, просторі та швидкості поширення; наведено розв’язок хвильового рівняння; показано параметри, які характеризують процес поширення електромагнітних хвиль у різних середовищах: ідеальному діелектричному, діелектричному з втратами (напівпровідному), ідеальному провідному.

У сьомому розділі наведено інформацію щодо формування електромагнітних хвиль елементарними (базовими) випромінювачами: електричним (диполь Герца), магнітним (рамка зі струмом), елементарним щілинним випромінювачем, елементом Гюйгенса, на основі яких у подальшому сформульовано засади функціонування антен, обґрунтовано поняття зон: ближня (індукції,) та дальня (випромінення).

У восьмому розділі наведено основні поняття та закони хвильових явищ на межі двох середовищ, проаналізовано явище повного внутрішнього відбивання та явище повного проходження електромагнітної хвилі, обґрунтовано особливості утворення не відбивального середовища.

У дев’ятому розділі проаналізовано особливості поширення електромагнітних хвиль над пласкою ідеально-провідною поверхнею. У розділі обґрунтовано сутність рухомої та нерухомої хвиль, фазової та групової швидкостей, наведено структуру електромагнітного поля над ідеально-провідною поверхнею, що створює основу для опанування конструкцій та застосування хвилеводів та інших спеціальних пристроїв.

Частина друга (10-14 розділи)

Десятий розділ надає інформацію про склад Атмосфери та поширення радіохвиль у вільному просторі. Показано процедуру виведення формул ідеального та реального радіозв’язку. Обґрунтовано область істотну для поширення радіохвиль (зони Френеля). Наведено інформацію про відбивання та заломлення хвиль на межі двох середовищ, обґрунтовано сутність та призначення кривих поширення радіохвиль Міжнародного союзу електрозв’язку (МСЕ).

В одинадцятому розділі наведено інформацію щодо поширення радіохвиль у наземному просторі. Обґрунтовано особливості поширення радіохвиль за умови низького та високого розташування антен. З’ясовано принцип формування моделі поширення радіохвиль над нерівною місцевістю із врахуванням зон Френеля тощо.

Дванадцятий розділ містить інформацію щодо поширення радіохвиль у тропосфері. У розділі наведено властивості тропосфери, сутність явища тропосферної рефракції та поняття радіусу кривизни траєкторії поширення радіохвиль, еквівалентного радіусу Землі тощо.

Тринадцятий розділмістить інформацію щодо поширення радіохвиль віоносфері, наведено особливості іоносфери, як середовища поширення радіохвиль. Дано пояснення сутності іоносферної рефракції, умов повернення радіохвиль на Землю та виходу їх за межі атмосфери, впливу магнітного поля Землі на поширення радіохвиль.

У чотирнадцятому розділі обґрунтовано особливостіпоширення радіохвиль різних діапазонівта їх застосування, наведено основні параметри та особливостіматематичних моделей, що характеризують процес поширення радіохвиль, різних діапазонів частот, за різного навколишнього середовища тощо.

Наприкінці кожного розділу наведено висновки, контрольні питання та завдання, щоб допомогти студенту краще засвоїти матеріал.

Таким чином, головне завдання спеціаліста з телекомунікацій – створення умов для передавання інформації. Для передавання інформації необхідна енергія. Цю енергію отримаємо на основі електромагнітного поля.

Автор щиро вдячний рецензентам д.т.н., професору Іванову В. О. та д.т.н., професору Смірнову В. С. за зауваження та рекомендації,що сприяли удосконаленню книги.

Велика подяка випускнику Електроакустичного факультету КПІ дизайнеру Демурі В. А. за майстерне оформлення книги.

«Немає кращого засобу

повідомлення розуму знань,

ніж метод викладання їх

у якомога різноманітніших формах».

Джеймс Кларк Максвелл

(1831 – 1879)