Главная | Научная деятельность | Издания | Антенны, СВЧ-устройства и их технологии: учеб. пособие / Ю.Б. Нечаев, В.И. Николаев, Р.Н. Андреев, Н.Н. Винокурова. / 2008

Научная деятельность

Антенны, СВЧ-устройства и их технологии: учеб. пособие / Ю.Б. Нечаев, В.И. Николаев, Р.Н. Андреев, Н.Н. Винокурова. / 2008
Антенны, СВЧ-устройства и их технологии ББК 32.845
УДК 621.396.67
А72

Антенны, СВЧ-устройства и их технологии: учеб. пособие / Ю.Б. Нечаев, В.И. Николаев, Р.Н. Андреев, Н.Н. Винокурова; под общ. ред. Ю.Б. Нечаева, В.И. Николаева. – Воронеж: ОАО Концерн «Созвездие», 2008. – 629 с. ISBN 978-5-900777-16-0

Учебное пособие написано коллективом авторов и предназначено для аспирантов и соискателей при подготовке и сдаче вступительных экзаменов в аспирантуру и кандидатского экзамена по специальности 05.12.07 «Антенны, СВЧ-устройства и их технологии» и соответствует требованиям краткого паспорта специальности 05.12.07.

Учебное пособие базируется на следующих вузовских дисциплинах: «Электродинамика и распространение радиоволн», «Устройства СВЧ и антенны», «Радиотехнические цепи и сигналы», «Устройства генерирования и формирования сигналов», «Устройства приема и преобразования сигналов», «Электроника», «Радиотехнические системы», «Схемотехника аналоговых электронных устройств».

Авторы ставили цель – достичь полноты излагаемых материалов для успешной сдачи вступительного экзамена в аспирантуру и кандидатского экзамена по специальности 05.12.07 без использования дополнительных источников.

Табл. 3. Ил. 343. Библиогр.: 69 назв.

Рецензенты:
кафедра электроники физического факультета Воронежского государственного университета (зав. кафедрой, доктор физ.-мат. наук, профессор А.М. Бобрешов);
заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор техн. наук, профессор А.П. Ярыгин

Предисловие

Предлагаемое учебное пособие написано коллективом авторов, и предназначено для аспирантов и соискателей при подготовке и сдаче вступительных экзаменов в аспирантуру и кандидатского экзамена по специальности 05.12.07 «Антенны, СВЧ устройства и их технологии» и соответствует требованиям краткого паспорта специальности 05.12.07.

Учебное пособие базируется на следующих вузовских дисциплинах: «Электродинамика и распространение радиоволн», «Устройства СВЧ и антенны», «Радиотехнические цепи и сигналы», «Устройства генерирования и формирования сигналов», «Устройства приема и преобразования сигналов», «Электроника», «Радиотехнические системы», «Схемотехника аналоговых электронных устройств».

Структурно учебное пособие состоит из 4-х частей, основные рассмотренные вопросы в которых представлены в содержании. Для более подробного изучения изложенного материала каждая из частей разделены на главы, которые соответствуют тематике предлагаемой программы. Исключение составляет часть 3 «Антенны», в которой авторы позволили себе отойти от традиционного изложения теоретических вопросов и классического разграничения антенн на различные классы, такие как: «Антенны длинных волн», «Антенны коротких волн», «УКВ-антенны» и т.д. Это связано с особенностью современных тенденций к классификации антенн и антенных систем. Однако, несмотря на это, в учебном пособии рассмотрены многочисленные типы и разновидности антенн, при описании которых обязательно указывался диапазон длин волн или частотные диапазоны, в которых наиболее эффективно использовать данный тип антенн.

Учебное пособие, в основном, базируется на общепризнанной классической научной и учебно-методической литературе отечественных и зарубежных авторов. Однако в ряде глав использованы материалы оригинальных работ специалистов ОАО «Концерна «Созвездие», которые были опубликованы как в периодической печати, так и в ведомственной литературе, в связи с чем доступ к ним был ограничен.

В целом же авторы старались достичь полноты излагаемых материалов для успешной сдачи вступительного экзамена в аспирантуру и кандидатского экзамена по специальности 05.12.07 без использования дополнительных источников.

Авторы выражают глубокую признательность рецензентам, замечания и пожелания которых были учтены при написании рукописи.

Замечания, которые будут поступать по учебному пособию, авторы рассмотрят и учтут при дальнейшей работе по расширению области применения пособия.

Содержание

Предисловие 3
Введение 5
Литература к введению 16

Часть 1.
Общая теория антенн и СВЧ-устройств

17
Глава 1. Основные уравнения электродинамики 17
1.1. Уравнение Максвелла в дифференциальной форме 17
1.2. Уравнение непрерывности 17
1.3. Интегральная форма уравнений Максвелла 20
1.4. Классификация сред 23
1.5. Стационарное электромагнитное поле 25
1.6. Электростатическое поле 26
1.7. Стационарное магнитное поле 28
1.8. Магнитостатика 30
1.9. Волновые уравнения и уравнения Гельмгольца 31
1.10. Граничные условия 34
1.11. Энергия электромагнитного поля. Теорема Умова-Пойнтинга 40

Глава 2. Задачи электродинамики
43
2.1. Внутренние и внешние задачи электродинамики 43
2.2. Теорема единственности 44

Глава 3. Свободные электромагнитные волны
49
3.1. Плоские электромагнитные волны в однородной изотропной среде 49
3.2. Плоские электромагнитные волны в изотропной среде с потерями 50
3.3. Поляризация электромагнитных волн 52
3.4. Электромагнитные процессы на границе раздела сред 55
3.5. Преломление на границе с гиротропной средой 57

Глава 4. Распространение радиоволн
59
4.1. Поле источника, расположенного на Земле (задача Зоммерфельда). Формула Шулейкина-Ван-дер-Поля 61
4.2. Поле источника, поднятого над землей. Интерференционные формулы. Квадратичная формула Введенского 71
4.3. Критерий Рэлея гладкой поверхности. Основные методы расчета поля на пересеченной местности 77
4.4. Особенности распространения радиоволн на трассах при подвижной связи. Разнесенный прием 85
4.5. Особенности распространения коротких радиоимпульсов при подвижной связи 96
4.6. Особенности распространения радиоволн сантиметрового, миллиметрового и оптического диапазонов 100
4.7. Особенности распространения радиоволн в тропосферных, ионосферных и метеорных радиолиниях 105

Глава 5. Излучение электромагнитных волн
125
5.1. Перестановочная инвариантность уравнений Максвелла 125
5.2. Основная задача теории антенн. Принцип эквивалентности 127
5.3. Излучение элементарного электрического вибратора 130
5.4. Излучение элементарного магнитного вибратора 134
5.5. Элементарная электрическая рамка 137
5.6. Излучение элементарного щелевого вибратора (элементарная излучающая щель) 138
5.7. Излучение источника Гюйгенса 141

Глава 6. Принципы и теоремы электродинамики
146
6.1. Теоремы взаимности 146
6.2. Теорема эквивалентности 147
6.3. Принцип двойственности 148
6.4. Метод эквивалентных электрических и магнитных токов поляризации 149
6.5. Принцип электродинамического подобия 150

Глава 7. Направляющие системы
152
7.1. Общий метод исследования собственных волн регулярных линий передачи 153
7.2. Характеристики волн в линии передачи 154
7.3. Особенности некоторых направляемых волн 157
7.4. Прямоугольный волновод 159
7.5. Круглый волновод 165

Глава 8. Численные методы электродинамики
168
8.1. Формулировка задач и этапы их решения 168
8.2. Классы внутренних задач электродинамики и их математическая формулировка 170
8.3. Программы численного решения внутренних задач электродинамики 173

Литература к части 1
175

Часть 2.
Устройства СВЧ

176
Глава 1. Основы теории линий передачи СВЧ 176
1.1. Классификация линий передач СВЧ 176
1.2. Теория регулярных линий передачи 188
1.3. Принципы согласования линий передач с нагрузкой 197
1.4. Устройства согласования в линиях передачи СВЧ 205

Глава 2. Матричное описание устройств СВЧ
211
2.1. Основные матрицы для описания СВЧ-устройств 211
2.2. Принцип взаимности СВЧ-устройств 219
2.3. Анализ устройств СВЧ методом декомпозиции 220
2.4. Анализ устройств СВЧ проекционным методом 223

Глава 3. Конструктивные элементы линий передач и трактов СВЧ
226
3.1. Соединение линии передачи СВЧ 226
3.2. Изгибы и скрутки линий передачи СВЧ 227
3.3. Переходы между линиями передачи СВЧ 228
3.4. СВЧ-нагрузки 231
3.5. Делители мощности СВЧ 233
3.6. Управляющие устройства СВЧ 244
3.7. Использование ферритов в СВЧ-устройствах 259

Глава 4. Резонаторы СВЧ
269
4.1. Резонаторы с одним элементом связи. Явление резонанса 269
4.2. Резонаторы бегущей волны 272
4.3. Эквивалентные схемы резонатора с одним элементом связи 275
4.4. Добротность резонатора с одним элементом связи 277
4.5. Волноводный резонатор с одним элементом связи 281
4.6. Общие сведения об открытых резонаторах 284

Глава 5. Фильтры СВЧ
287
5.1. Прототипы фильтров с оптимальными частотными характеристиками 287
5.2. Замены частотной переменной при расчетах фильтров 291
5.3. Применение отрезков линии передачи в фильтрах СВЧ 293
5.4. Фильтры СВЧ с четвертьволновыми связями и на диэлектрических резонаторах 294

Глава 6. Мощные СВЧ-устройства
298
6.1. Особенности работы и конструктивное исполнение ламп СВЧ 298
6.2. Клистронные генераторы 302
6.3. Магнетроны 308
6.4. Генераторы на лампах бегущей волны (ЛБВ) и обратной волны (ЛОВ) 314

Глава 7. Особенности построения и принцип действия полупроводниковых СВЧ-устройств
322
7.1. Особенности СВЧ микроэлектронных устройств 322
7.2. Активные СВЧ устройства 323
7.3. Лавинно-пролетные диоды 326
7.4. Диоды Ганна 336

Литература к части 2
358

Часть 3.
Антенны

359
Глава 1. Основные характеристики и параметры антенн 359
1.1. Характеристики антенн 361
1.2. Параметры антенн 365

Глава 2. Вибраторные и щелевые антенны
367
2.1. Простые слабонаправленные излучатели 367
2.2. Вибраторные антенны направленного излучения 391
2.3. Апертурные антенны 403
2.4. Антенны-мачты и антенны-башни 428

Глава 3. Антенные решетки
439
3.1. Свойства системы излучателей 440
3.2. Излучатель в составе решетки и связь между отдельными излучателями 448
3.3. Количественная оценка взаимной связи между слабонаправленными излучателями 453
3.4. Максимум коэффициента направленного действия системы излучателей 458
3.5. Оценка уровня бокового излучения и величина КНД при амплитудно-фазовом распределении, отличающемся от оптимального 464
3.6. Свойства фазовой диаграммы направленности системы-излучателей, обеспечивающей максимум коэффициента направленного действия 466
3.7. Общие сведения об антенных решетках 469

Глава 4. Микрополосковые антенны
478
4.1. Основные конструктивные особенности антенн в микрополосковом исполнении 478
4.2. Анализ моделей длинных линий и резонаторных моделей МПА 487

Глава 5. Согласование антенн
516
5.1. Согласование антенн с передающими и приемными устройствами 516
5.2. Устройства согласования 533

Глава 6. Основы теории приемных антенн
537
6.1. Эквивалентная схема приемной антенны 537
6.2. Принцип взаимности 538
6.3. Мощность, отдаваемая в нагрузку 542
6.4. Эффективная поверхность антенны 542
6.5. Коэффициент поляризационной эффективности 544
6.6. Шумовая температура 545

Глава 7. Диаграммообразующие схемы многолучевых антенных решеток
547
7.1. Последовательная ДОС 547
7.2. Параллельная ДОС 549
7.3. Конструкции ДОС для МАР и ФАР 550
7.4. Волоконно-оптические ДОС 565
Литература к части 3 570

Часть 4.
Проектирование и оптимизация антенн и СВЧ-устройств на основе современных компьютерных технологий

573
Глава 1. Теоретические основы работы программы MWO 575
1.1. Формулировка электромагнитной задачи 576
1.2. Описание моделируемой структуры 578
1.3. Разбиение форм на ячейки 579
1.4. Формулировка метода моментов 580
1.5. Алгоритм метода моментов 582
1.6. Формирование матрицы моментов 584
1.7. Численное решение матрицы моментов 586

Глава 2. Теоретические основы работы программы HFSS
594
2.1. Дискретизация пространства 594
2.2. Вариационная формулировка МКЭ 596
2.3. Базисные функции и интерполяционные формулы 597
2.4. Вывод и решение СЛАУ 600

Литература к части 4
606

Приложение 1. Круговая диаграмма полных сопротивлений и проводимостей
607
Приложение 2. Диаграммы направленности основных типов антенн 615