Неганов В.А., Клюев Д.С., Табаков Д.П. Устройства СВЧ и антенны:
Теория и техника антенн. Ч.2. Изд. стереотип.

Содержание

Предисловие

В соответствии с общеобразовательным стандартом дисциплина "Антенны и устройства СВЧ" является одной из основных для студентов радиотехнических и радиофизических специальностей, как будущих разработчиков аппаратуры СВЧ. Учебник написан на основе двух книг [П. 1,11.2], а также прочитанных авторами курсов лекций в Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики (г Самара) и Самарском государственном университете.

Основная причина написания учебника – почти вся учебная литература либо написана очень давно [П.З-П.б], либо ориентирована в большей степени на вторую часть предмета и мало внимания уделяется устройствам СВЧ [П.7-П.9]. С другой стороны в научной литературе существует множество научных статей и книг, посвященных вопросам конструирования и проектирования СВЧ устройств и антенн (см, например, [П.10-П.13]). Однако в каждом источнике описываются различные подходы, используют различные термины и обозначения, существуют ошибки и описки Приведем только один пример. Поверхностный обзор литературы, посвященной резонаторам (как одному из самых значительных классов устройств СВЧ), может запутать студентов наличием явных противоречий в различных научных источниках. Это происходит потому, что резонаторы рассматриваются либо с точки зрения эквивалентных цепей с сосредоточенными постоянными, либо с точки зрения линий передачи, ограниченных неоднородностями. Эти два подхода приводят к одинаковым результатам при высоких значениях доб-ротности резонатора; при низких значениях добротности эквива-лентные схемы резонаторов не "работают", так как в этом случае нельзя использовать одночастотное приближение. Кроме того, при описании резонаторов СВЧ с помощью эквивалентных схем в виде колебательного контура с сосредоточенными элементами зачастую даже в научной литературе не говорится о том, что резонатор СВЧ - принципиально протяженный объект, а поэтому необходимо указать плоскость отсчета фаз (терминология матрицы рассеяния), относительно которой необходимо "привязать" эквивалентные параметры резонатора. Этот недостаток присутствует при записи матриц рассеяния практически любого устройства СВЧ: обычно фазовый множитель (определяющий положение плоскости отсчета фаз) опускается.

Что касается описания антенн, то в учебной литературе [П.9], как правило, опускается описание важнейших, с нашей точки зрения, электрических параметров передающих и приемных антенн, что было очень хорошо сделано в "старых книгах" [П.10,П.11].

Основным недостатком практически всей литературы по ан-теннам является некорректное описание электромагнитного поля в ближней зоне антенн. Например, для вибраторных антенн отсутствует связь между током проводимости и напряженностями электрического и магнитного полей излучения. Поэтому в литературе даже появились работы, ставящие под сомнение уравнения Максвелла Негановым В.А. разработан метод физической регуляризации некорректно поставленных по Адамару электродинамических задач (иногда он называется самосогласованным методом) (П. 15). Суть метода заключается в записи сингулярных интегральных представлений (СИП) электромагнитного поля, позволяющих осуществлять непрерывный переход от напряженностей электромагнитного поля излучения к поверхностному току проводимости на антенне. Таким образом удовлетворяются граничные условия электродинамики, устанавливающие связь между токами и напряженностями элект-рического и магнитного полей. Из СИП, записанных для самосог-ласованных физической и математической моделей задачи, легко получаются сингулярные интегральные уравнения (СИУ) относи-тельно токов на поверхности антенн. Таким образом, подход позволяет устранять некорректные формулировки краевых задач для антенн в виде интегральных уравнений Фредгольма первого рода Метод физической регуляризации позволил выявить ряд новых свойств электромагнитного поля: на примере вибраторной антенны показано, что в промежуточной зоне электромагнитное поле не является чисто поперечным; установлены условия однонаправленного режима излучения для кольцевой (рамочной) антенны; установлены условия возникновения режимов стоячих, бегущих и смешанных волн в цилиндрической спиральной антенне; определены входные сопротивления для многих типов антенн. Одна из основных идей книги - разумное использование приближений в физических моделях. Например, тонкопроволочное приближение для вибраторной антенны приводит к интегральному уравнению Фредгольма первого рода (интегральные уравнения Поклингтона и Халлена), а модель вибраторной антенны в виде идеально проводящей полой трубки - к СИУ с гиперсингулярным ядром Надеюсь, что книга даст новый надежный математический аппарат для оценки антенн с точки зрения их электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии.

Другой существенной причниной написания учебника является почти практическая невозможность использования существующей учебной литературы при выполнении курсовой или контрольной работ, которые как правило, предусматриваются в этом курсе. В качестве примера сошлемся на методические указания к выполне-нию контрольных и курсовых работ [П. 16], в которыхпри их выполнении предлагается использовать научную литературу и справочники [П.12-П.14], издания до 1980 года, которую невозможно найти студентам.

С учетом вышесказанного существует необходимость в написа-нии учебника, в котором проведено методическое обобщение литературы по устройствам СВЧ и антеннам, адекватно отражающего современное состояние рассматриваемого вопроса и пригодного для его использования в учебном процессе для студентов радиотехнических специальностей – будущих разработчиков СВЧ-аппарату-ры.

Как было сказано выше, учебник ориентирован также на выполнение курсовых работ; в нем приведено большое количество необходимых расчетных соотношений, справочного материала, таблиц Приведены также и примеры расчетов. С этой точки зрения учебник на наш взгляд выполняет роль справочника по проектированию устройств СВЧ и антенн.

Настоящая книга явилась отражением многочисленных трудов различных авторов из школы В.А. Неганова за последние несколько десятилетий. Авторы систематически делают ссылки на источники, откуда взят материал.

У одного из соавторов достаточно большой опыт в подготовке научно - методической литературы. Им написано в соавторстве учебник по электродинамике [П.17], несколько учебных пособий и монографий, посвященных разработке электродинамических методов расчета устройств СВЧ и антенн. [П.15,П.18].

Книга разбита на 2 большие части, к каждой из которых введены свои обозначения. Для упрощения понимания содержания книги в ее начале по этим частям приведены основные обозначения физических величин, несколько отличающиеся от общепринятых. Список используемой литературы разбит по главам книги, предисловию и введению. Ссылки на используемую литературу в предисловии и введении обозначаются соответственно как П.М и B.L, где М и L - порядковые номера источников, на которые автор ссылается в предисловии и введении соответственно. Ссылки в главах учебного пособия обозначаются как [N.M], где N - номер главы, а М - порядковый номер источника в разделе "Литература к главе N".

По мнению авторов, введение двух градаций материала должно способствовать лучшему изучению курса. Разделы, обозначенные звездочкой, - более сложный материал, относительно громоздкие выводы, а также дополнительные компоненты. В разделах без звездочек описан минимально необходимый материал курса.

Во введении приведены условные графические обозначения функциональных устройств СВЧ по единой системе конструкторской документации (ЕСКД). Авторы в силу учебного характера материала книги не всегда придерживались этих обозначений, но считают, что студенты должны знать о существовании ЕСКД по функциональным устройствам СВЧ.

Авторы глубоко признательны Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., проф. Раевскому СБ. (Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева) за рецензирование книги. Его советы и ценные замечания способствовали улучшению качества книги.

В.А. Неганов

Об авторах

Неганов Вячеслав Александрович

Доктор физико-математических наук. Академик Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова и Академии медико-технических наук РФ. Окончил Куйбышевский государственный университет. Основатель кафедры основ конструирования и технологии радиотехнических систем Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ, г. Самара). Ввел в электродинамику сингулярные и гиперсингулярные интегральные уравнения и сингулярное интегральное представление электромагнитного поля; разработал метод ортогонализирующей подстановки для решения некоторых электродинамических задач; свел краевые задачи для некоторых антенн и линий передач к сингулярным (гиперсингулярным) интегральным уравнениям. Автор более 600 научных и учебно-методических трудов. Имеет более 30 патентов и авторских свидетельств. Почетный радист, лауреат Губернской премии в области науки и техники, обладатель двух серебряных медалей ВДНХ за разработку невзаимных ферритовых устройств. Основатель научной школы «Некорректные задачи электродинамики и техники СВЧ».

Клюев Дмитрий Сергеевич

Доктор технических наук. Окончил с отличием Поволжскую государственную академию телекоммуникаций и информатики (ныне — Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики). В 2012 г. защитил докторскую диссертацию по специальности «радиофизика». Заведующий кафедрой радиоэлектронных систем ПГУТИ. Область научных интересов — электродинамика, техника СВЧ и антенны.

Табаков Дмитрий Петрович

Доктор физико-математических наук. Окончил с отличием Поволжскую государственную академию телекоммуникаций и информатики. В 2016 г. защитил докторскую диссертацию по специальности "радиофизика". Работает на кафедре основ конструирования и технологии радиотехнических систем ПГУТИ. Область научных интересов — электродинамика, антенны, оптика, численные методы математического моделирования.