Основы радиотехники и радиолокации: в 2 ч.


ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

серия основана в ЭО1 ~7 г.




В.Г. ЗОЛОТЫХ
Н.С. КОЗЛОВ
А.В. КАШИРИН
М.Н. ПРИЩЕПА




                ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ И РАДИОЛОКАЦИИ




В ДВУХ ЧАСТЯХ


            ЧАСТЬ 1


ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


Рекомендовано
            Экспертным советом ЧВВМУ имени П.С. Нахимова в качестве учебного пособия по дисциплине «Основы радиотехники и радиолокации» по специальностям 26.05.04 «Применение и эксплуатация технических систем надводных кораблей и подводных лодок», 27.02.04 «Автоматические системы управления».
             Учебное пособие может быть использовано адъюнктами, обучающимися по специальности 621 «Вооружение и военная техника»

znanium.com
электронно-библиотечная система
Москва
ИНФРА-М
2024

УДК 621.371(075.8)
ББК 32.845я73

     З81




     Рецензенты:
        Крамарь В.А., доктор технических наук, профессор;
        Харланов А.И., доктор технических наук, доцент;
        Пузанов Д.М., кандидат технических наук, доцент

     Золотых В.Г.
З81 Основы радиотехники и радиолокации : учебное пособие : в 2 частях. Часть 1. Основы электродинамики и распространения радиоволн / В.Г. Золотых, Н.С. Козлов, А.В. Каширин, М.Н. Прищепа. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 196 с. — (Военное образование).

         ISBN 978-5-16-019522-3 (общ.)
         ISBN 978-5-16-019081-5 (print, ч. 1)
         ISBN 978-5-16-111857-3 (online, ч. 1)

         Учебное пособие включает материал, изучаемый по дисциплине «Основы радиотехники и радиолокации»; содержит изложение основ теории электромагнитного поля (электродинамики), общих закономерностей распространения электромагнитных сигналов по фидерам различных типов, общих закономерностей распространения радиоволн различных диапазонов.
         Для курсантов, обучающихся по специальностям 26.05.04 «Применение и эксплуатация технических систем надводных кораблей и подводных лодок», 27.02.04 «Автоматические системы управления», а также адъюнктов, обучающихся по специальности 621 «Вооружение и военная техника».

УДК 621.371(075.8)
ББК 32.845я73








                                           Данная книга доступна в цветном исполнении в в электронно-библиотечной системе Znanium





ISBN 978-5-16-019522-3 (общ.)
ISBN 978-5-16-019081-5 (print, ч. 1)
ISBN 978-5-16-111857-3 (online, ч. 1)



© Черноморское высшее военно-морское училище имени П.С. Нахимова, 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ


      Современный научный и практический подход к изучению вопросов распространения радиоволн, работы антенно-фидерных устройств и ряда других специальных вопросов радиотехники на текущем уровне их развития невозможен без знания основных законов и положений теории электромагнитного поля, т.е. электродинамики.
      Такие области радиотехники, как радиосвязь, радиолокация, радионавигация, радиотелеуправление, телеметрия, позволяют решать различные задачи и имеют особое значение для ВоенноМорского Флота, где радиосвязь, например, служит единственным средством управления кораблями, находящимися на больших удалениях от своих баз.
      Особо следует отметить, что главной и общей чертой для радиолиний различного назначения является использование электромагнитного поля в виде радиоволн, свободно распространяющихся в околоземном пространстве и в фидерах, то есть в средах и устройствах, специально для этих целей оборудованных.
      Антенны различных диапазонов и соответствующие им фидерные тракты в виде открытых воздушных линий передачи, радиочастотных кабелей или волноводных линий передачи, обеспечивающие излучение и прием радиоволн, направленность действия в пространстве - неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Свое весьма важное место в функционировании радиосистем заняли тракты СВЧ, соединяющие антенны с передающей или приемной радиоаппаратурой на высоких частотах.
      В учебное пособие включен материал о наиболее общих закономерностях и соотношениях, присущих электромагнитному полю, а также по возможности в нем раскрыта физическая сущность главных свойств электромагнитного поля как вида материи и, следовательно, носителя информации и энергии.
Объем материала в пособии содержит тот круг вопросов, знание которых необходимо при изучении специальных дисциплин курсантами обучающимися по специальности 26.05.04 «Применение и эксплуатация технических систем надводных кораблей и подводных лодок», 27.02.04 «Автоматические системы управления», а также адъюнктами обучающимися по специальности 621 «Вооружение и военная техника».

3

1.1. Теоретические основы электромагнитного поля
1.1.1. Основные понятия и определения сообщения и радиосигнала
     В настоящее время информация играет все возрастающую роль в жизни человеческого общества.
     Информация (философское определение) - отражение объективных свойств материального мира.
     Информация (лат. informatio - разъяснение) - совокупность сообщений (сведений) о свойствах объектов, изменении их состояния, о протекании процессов в природе, обществе и т.п. Сообщение - материальная форма представления информации.
     Физический процесс, отображающий информацию (сообщение), называется сигналом. Сигнал (лат. signum - знак) - материальный переносчик информации. При этом информация может быть нематериальной (виртуальной, воображаемой и др.), а сигналы всегда материальны (радиосигналы, световые, акустические, гидравлические и т.д.).
     Информация в радиотехнике представляется с помощью радиосигнала, распространяющегося в пространстве.
     Радиосигнал - это электромагнитные колебания с несущей частотой, модулированные первичным электрическим сигналом (звуковыми колебаниями или видеосигналом).
     Радиосигнал может иметь две физические формы: электронную и полевую.
     Электронная форма радиосигнала представляется в виде электрического тока I (потока электрически заряженных частиц) или электрического напряжения U, возникающего на сопротивлении R при прохождении через него тока I. То есть в электрических цепях радиосигнал проявляется в виде изменения токов и напряжений.
     Полевая форма радиосигнала проявляется в виде электромагнитной волны. В этом случае материальным переносчиком является электромагнитное поле, которое состоит из совокупности взаимосвязанных составляющих - напряженности Е электрического поля и напряженности Н магнитного поля. То есть в пространстве радиосигнал проявляется в виде электромагнитных волн.
     Электромагнитные взаимодействия заряженных тел передаются посредством электрического поля.

4

      Количественно электрический ток характеризуется скалярной физической величиной - силой тока и векторной физической величиной - плотностью электрического тока.
      Единица силы электрического тока - [I| = А (ампер).
      Сила постоянного тока - физическая величина, численно


равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника в единицу времени.


I = Aq A t

(1.1.1)


где Aq - изменение электрического заряда, протекающего через поперечное сечение проводника;
      At - время его изменения.
      Единица плотности электрического тока - ампер на метр в квадрате, [ j ] = A / м² .
      Плотность электрического тока - физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока. Плотность электрического тока величина векторная. Направление вектора плотности тока совпадает с направлением скорости упорядоченного движения заряженных частиц.

I
j = ~,                      (1.1.2)
5

где I - сила тока;
   5 - площадь поперечного сечения проводника.
      Электрическое поле - особый вид материи, которое действует с силой на электрические заряды или заряженные тела.
      Свойства электрического поля:
      -  порождается электрическим зарядом;
      -  обнаруживается по действию на заряд;
      -  действует на заряды с некоторой силой.
      Силовой характеристикой электрического поля является напряженность.


5

      Напряженность электрического поля - физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на внесенный в него точечный электрический заряд, к величине этого заряда.
      Единица напряженности электрического поля - вольт на метр, [ Е] = В/м.
      Напряженность электрического поля может быть выражена в Н = Дж = В
Кл     м-Кл     м ,
■ _F
= ~    ■                     (1.1.3)
                                  q о


      Сила, действующая со стороны электрического поля, на внесенный в поле заряд qо, равна:

                              F = E-qQ.                    (1.1.4)

      Электрические поля, вектор напряженности которых не изменяется по величине и направлению называются однородными.
      Когда электрическое поле создано несколькими электрическими зарядами, то для расчета напряженности поля в данной точке применяется принцип суперпозиции.
      Если электрическое поле образовано N зарядами, то принцип суперпозиции электрических полей можно записать следующим образом:
                                   N
Е = ТЛ.                      (1.1.5)
                                   ==1

      На рисунках 1.1.1 и 1.1.2 показано, как геометрически определяется вектор напряженности электрического поля, созданного двумя зарядами.
      Электрическое поле отображается с помощью силовых линий (линий напряженности Е).


6

Рисунок 1.1.1 - Направление вектора напряженности электрического поля для разноименных зарядов

Рисунок 1.1.2 - Направление вектора напряженности электрического поля для одноименных зарядов

      Силовыми линиями электрического поля называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности А (рис. 1.1.3, 1.1.4).

Рисунок 1.1.3 - Силовые линии электрического поля для одноименных зарядов

Рисунок 1.1.4 - Силовые линии электрического поля для разноименных зарядов

     Напряженность поля по величине больше там, где силовые линии ближе расположены друг к другу.

7

      Вычерчивая картину поля с помощью силовых линий, необходимо помнить, что силовые линии электрического поля:
      -  нигде не пересекаются друг с другом;
      -       не замкнуты, то есть они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных;
      -  в пространстве между зарядами нигде не прерываются.
      Для описания ЭМП в материальных средах (диэлектриках и магнетиках) используют векторы D и Н .
      Чтобы сохранить геометрическое изображение поля при наличии нескольких сред, вводят вспомогательное векторное поле, характеризуемое вектором электрического смещения (вектором электрической индукции) D.
      Обозначение вектора электрического смещения - D .
      Единица вектора электрического смещения - кулон на метр в квадрате [ D ] = Кл/м².
      Для электрически изотропной среды вектор электрического смещения связан с вектором напряженности электрического поля соотношением:

D - ссE .                    (1.1.6)


      Вектор D направлен в ту же сторону, что и вектор напряженности электрического поля Е . Линии вектора напряжённости Е начинаются (и заканчиваются) на любых, как свободных, так и связанных зарядах, и поэтому на границе диэлектрика густота этих линий изменяется скачком (рис. 1.1.5).




Рисунок 1.1.5 - Густота линий вектора напряженности электрического поля на границе диэлектрика


8

      В отличие от этого линии вектора D начинаются (и кончаются) только на свободных зарядах, а на границе диэлектрика их густота остается неизменной (рис. 1.1.6).

Рисунок 1.1.6 - Густота линий вектора электрического смещения на границе диэлектрика
В отличие от напряженности поля вектор D

имеет постоянное значение во всех диэлектриках, т.е. не зависит от свойств среды. Поэтому электрическое поле в неоднородной диэлектрической среде удобнее характеризовать не напряженностью Е , а электрическим смещением D.
      С этой целью вводится понятие линий вектора и потока вектора электрического смещения, аналогично понятию силовых линий и

потока вектора напряженности.
      Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между дви-

жущимися заряженными частицами.

Основные свойства

магнитного поля:

     -       магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами);
     -       магнитное поле обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды);
     -       магнитное поле действует только на движущиеся заряды с определенной силой.
     Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции и напряженность магнитного поля (рис. 1.1.7).


Рисунок 1.1.7 - Направление вектора магнитной индукции и напряженности магнитного поля

9

     Буквенное обозначение вектора магнитной индукции - В .
     Единица модуля вектора магнитной индукции - тесла, [ В ] = Тл.
     Модулем вектора магнитной индукции называется физическая величина, численно равная отношению силы, действующей со стороны магнитного поля на элемент тока, к произведению силы тока на длину этого элемента, если он расположен в поле так, что указанное отношение имеет максимальное значение.

                             F
B = —, I-A l


(1.1.7)

где F - сила, действующая со стороны магнитного поля на элемент тока;
    I - сила тока, текущего по проводнику;
    A l - длина элемента тока.
      Направление вектора магнитной индукции определяется по правилу правого винта: если направление поступательного движения винта совпадает с направлением тока, то направление вращения головки винта укажет направление вектора магнитной индукции.
Напряженность магнитного поля
      Наряду с вектором магнитной индукции В вводится еще одна силовая характеристика магнитного поля - напряженность магнитного поля.
      Единица напряженности магнитного поля - ампер на метр.
      [Н ] = Ам.
      Векторы магнитной индукции В и напряженности магнитного поля Н связаны соотношением:
В =       H,                     (1.1.8)
где Ао = ⁴л ’ 10⁷ - магнитная постоянная;
        В - относительная магнитная проницаемость среды, показывающая во сколько раз магнитная индукция поля в данной среде больше или меньше по сравнению с вакуумом.
      Из формулы (1.1.8) видно, что векторы магнитной индукции и напряженности магнитного поля направлены в одну сторону.

10