häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng
Bμi gi¶ng
Lý THUYÕT TR−êng ®iÖn tõ vμ
siªu cao tÇn
Chủ biên: Ng« §øc ThiÖn
Hµ Néi 2009
2
3
LỜI MỞ ĐẦU
Học phần Lý thuyết trường điện từ và Siêu cao tần thuộc phần kiến thức cơ sở
cho các chuyên ngành điện – điện tử, viễn thông. Học phần này có mục đích nêu
những khái niệm cơ bản chung liên quan đến trường điện từ, xây dựng những phương
pháp khảo sát tương tác trường – chất. Trình bày các định luật, các nguyên lý cơ bản
của trường điện từ, cùng các quy luật và tính chất lan truyền của sóng điện từ trong
chân không, trong không gian vô hạn và các quá trình lan truyền sóng siêu cao tần
trong các loại đường truyền dẫn phổ biến. Mô tả các quá trình dao động điện từ ở dải
siêu cao tần trong các mạch dao động cộng hưởng khác nhau. Nghiên cứu nguyên lý
các mạng nhiều cực siêu cao tần và các linh kiện điện tử và bán dẫn siêu cao tần.
Cuốn bài giảng “Lý thuyết trường điện từ và Siêu cao tần” bao gồm 6 chương,
trong đó 3 chương đầu là các nội dung về Lý thuyết trường điện từ:
Chương 1: Các định luật và nguyên lý cơ bản của trường điện từ. Chương này
đưa ra các thông số cơ bản đặc trưng cho trường điện từ và môi trường chất, các định
luật, hệ phương trình Maxwell, các đặc điểm và phương trình của trường điện từ tĩnh
và trường điện từ dừng.
Chương 2: Bức xạ sóng điện từ. Chương này trình bày nghiệm của hệ phương
trình Maxwell, nghiệm của phương trình thế, và bức xạ sóng điện từ của dipol điện.
Chương 3: Sóng điện từ phẳng. Chương này khảo sát quá trình lan truyền của
sóng điện từ phẳng trong các môi trường đồng nhất đẳng hướng và môi trường không
đẳng hướng, sự phân cực của sóng điện từ, hiện tượng phản xạ và khúc xạ sóng điện
từ…
Ba chương tiếp theo là các nội dung về kỹ thuật siêu cao tần, bao gồm:
Chương 4: Sóng điện từ trong các hệ định hướng. Chương này trình bày các hệ
định hướng sóng điện từ như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng…
Chương 5: Hộp cộng hưởng. Trình bày khái niệm về hộp cộng hưởng, các loại
hệ số phẩm chất, các hộp cộng hưởng đơn giản và phức tạp, kích thích năng lượng và
điều chỉnh tần số cộng hưởng.
Chương 6: Mạng nhiều cực siêu cao tần. Chương này tập trung vào các vấn đền
về mạng 2n cực siêu cao tần, các mạng 2 cực, 4 cực, 6 cực. Vấn đề phối hợp trở kháng
ở mạch siêu cao tần.
Trong quá trình biên soạn bài giảng này không thể tránh được những sai sót, tác
giả rất mong nhận được các ý kiến góp ý của bạn đọc.
Hà nội, tháng 12 năm 2009
4
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.............................................................................................................................. 3
MỤC LỤC .................................................................................................................................. 4
CHƯƠNG 1. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN
CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ................................................................................. 8
1.1. Các đại lượng đặc trưng cơ bản cho trường điện từ...................................... 8
1.1.1. Vec tơ cường độ điện trường E
.......................................................... 8
1.1.2. Vec tơ điện cảm
D
.............................................................................. 8
1.1.3. Vectơ cường độ từ cảm B
.................................................................... 9
1.1.4. Vec tơ cường độ từ trường H
............................................................. 9
1.1.5. Vectơ cường độ từ trường H
. ........................................................... 10
1.2. Định luận bảo toàn điện tích và định luật Ohm. .......................................... 10
1.2.1. Định nghĩa dòng điện......................................................................... 10
1.2.2. Định luật bảo toàn điện tích............................................................... 11
1.2.3. Định luật Ohm.................................................................................... 12
1.3. Các đặc trưng cơ bản của môi trường........................................................... 13
1.4. Các phương trình Maxwell............................................................................. 13
1.4.1. Đinh luật dòng điện toàn phần........................................................... 13
1.4.2. Khái niệm về dòng điện dịch.............................................................. 14
1.4.3. Phương trình Maxwell thứ nhất ......................................................... 14
1.4.4. Phương trình Maxwell thứ hai. .......................................................... 15
1.4.5. Phương trình Maxwell thứ ba và thứ tư............................................. 15
1.5. Điều kiện bờ đối với các vec tơ của trường điện từ...................................... 16
1.6. Năng lượng của trường điện từ - Định lý Poynting...................................... 17
1.7. Định lý nghiệm duy nhất................................................................................. 20
1.8. Trường tĩnh điện ............................................................................................. 20
1.8.1. Thế vô hướng của trường điện từ tĩnh................................................ 21
1.8.2. Phương trình Poisson – Laplace........................................................ 22
1.9. Từ trường của dòng điện không đổi .............................................................. 22
1.9.1. Điện trường dừng............................................................................... 23
1.9.2. Từ trường dừng .................................................................................. 23
BÀI TẬP CHƯƠNG 1 .............................................................................................................. 24
CHƯƠNG 2. BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ............................................................................... 26
2.1. Nghiệm của hệ phương trình Maxwell – Hàm thế....................................... 26
5
2.2. Nghiệm của các phương trình thế - thế chậm ...............................................27
2.3. Bức xạ của Dipol điện......................................................................................28
2.3.1. Tìm nghiệm tổng quát .........................................................................28
2.3.2. Trường hợp dòng điện biến đổi điều hòa theo thời gian....................30
2.3.3. Trường bức xạ ở khu gần....................................................................31
2.3.4. Trường bức xạ ở khu xa......................................................................32
2.3.5. Nhận xét về trường bức xạ..................................................................32
2.4. Trường điện từ của lưỡng cực từ....................................................................34
2.4.1. Lưỡng cực từ.......................................................................................34
2.4.2. Trường điện từ của vòng dây..............................................................35
2.5. Trường bức xạ của hệ thống anten.................................................................37
2.5.1. Trường bức xạ của anten nửa sóng ....................................................38
2.5.2. Trường bức xạ của hai anten nửa sóng đặt song song cách nhau một
khoảng cách d. ....................................................................................39
2.5.3. Trường bức xạ của dàn anten.............................................................42
BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ...............................................................................................................44
CHƯƠNG 3. SÓNG ĐIỆN TỪ PHẲNG ...............................................................................45
3.1. Khái niệm về sóng điện từ phẳng ...................................................................45
3.2. Nghiệm phương trình sóng đối với sóng phẳng ............................................45
3.3. Sóng phẳng đồng nhất trong các môi trường đồng nhất, đẳng hướng .......47
3.3.1. Trong môi trường điện môi lý tưởng ..................................................47
3.3.2. Sóng điện từ phẳng trong vật dẫn tốt..................................................49
3.3.3. Sóng điện từ phẳng trong môi trường bán dẫn...................................50
3.4. Hiệu ứng bề mặt...............................................................................................51
3.5. Sự phân cực của sóng điện từ. ........................................................................52
3.5.1. Phân cực Elip......................................................................................52
3.5.2. Phân cực tròn......................................................................................53
3.5.3. Phân cực thẳng ...................................................................................54
3.6. Sự phản xạ và khúc xạ sóng điện từ...............................................................55
3.6.1. Sóng tới phân cực ngang ....................................................................55
3.6.2. Sóng tới phân cực đứng ......................................................................58
3.7. Điều kiện bờ gần đúng Leontovic...................................................................59
3.8. Sóng phẳng trong môi trường không đẳng hướng........................................59
3.9. Nguyên lý Hughen – Kirchoff .........................................................................61
3.10. Nguyên lý dòng tương đương..........................................................................62
BÀI TẬP CHƯƠNG 3 ...............................................................................................................64
CHƯƠNG 4. SÓNG ĐIỆN TỪ TRONG CÁC HỆ ĐỊNH HƯỚNG ...................................65