Физические основы радиоэлектроники. Электрические цепи. Законы Кирхгофа. Элементы цепи. Идеальные элементы цепей при гармоническом воздействии

Физические  основы  радиоэлектроники.

Курс лекций.

Старший преподаватель Елизаров Б. В.

С.-Петербург, 2005 г.

Глава 1.        Введение.

1.1.  Название курса и термин «радио».

Перечислим названия курсов, содержание которых практически одинаково. Радиотехнические цепи и сигналы.  Основы теории сигналов и цепей.  Основы радиоэлектроники (радиотехники).  Физические основы радиоэлектроники (ФОРЭ или ФОРТ).

Термин «радио» (от латинского radio - излучаю, испускаю) первоначально означал передачу сообщений в среде с помощью электромагнитных волн без проводов. В настоящее время он используется гораздо шире. Типичные слова: радиофизика, радиотехника, радиоэлектроника, радиолокация, радиосигналы, радиодиапазон и др. Первоначальный смысл слова радио часто уже утрачен. Оно теперь чаще определяет тип волн или определенный диапазон частот, например радиолокация, радиоспектроскопия.

Радиодиапазон огромен (более 10 порядков). Условно к радиоволнам относят электромагнитные волны (и колебания этих частот) с длиной волны l>50 микрон (частота » 10¹³  гц). Верхней границы фактически нет. Например, волновод Земля – ионосфера резонирует на частоте » 8 гц (l » 4×10⁷ м). Деление на поддиапазоны: СДВ (сверхдлинноволновый) - l>10 км;  ДВ - от 1 км до10 км;  СВ (средневолн.) - на порядок меньше; КВ (коротковолн.) - от 10 до 100 м; далее идет УКВ (ультракоротковолн.) или СВЧ (сверхвысокочастотный) диапазон - l<10 м, который, в свою очередь, делится на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые волны.

Интенсивно используется весь огромный радиодиапазон: связь, радиовещание, телевидение, навигация, локация, научные исследования. Общая тенденция такова, что осваиваются все более и более высокие частоты.

Радиофизика, радиотехника сравнительно молодые области физики и техники. Фактически все началось в 20 веке. Отметим лишь некоторые исторические вехи.

1870 годы. Максвелл предсказал существование электромагнитных волн. Появились уравнения Максвелла – основа электродинамики.

1887 – 89 годы. Классические эксперименты Герца. Он реально наблюдал электромагнитные волны и изучал их свойства, тем самым доказав их существование.

24 марта 1896 г. Первая радиограмма, переданная А. С. Поповым (в стенах нашего университета). С этого началось бурное развитие средств радиосвязи, радиотехники.

1.2.  Задачи и место курса.

Обсудим это на примере передачи радиосигналов. Сигнал подвергается различным преобразованиям в процессе передачи и приема. Надо иметь четкое представление о целях, характере преобразований и способах их реализации.

Обратимся к рис.1.1. Мы должны рассмотреть преобразование сигналов во всех блоках, прямоугольниках, кроме двух крайних, заштрихованных. Процессы передачи сигналов по линиям (фидерам), процессы излучения, приема и распространения радиоволн в среде будут рассмотрены позже в других курсах.

>

>

Ф

Г

М

Источник сигнала

В основном, мы будем заниматься теорией электрических цепей, которая применима для сравнительно низких частот, до сотен мгц. Для анализа процессов на более высоких частотах нужен уже электродинамический подход, основы которого будут изложены в курсе электродинамики. При изложении курса я буду больше обращать внимание на обсуждение результатов, на физические аспекты. Чисто математические вычисления я буду делать очень бегло или опускать совсем. В курсе используется система единиц СИ.

1.3.  Электрические цепи. Законы Кирхгофа.

Рассмотрим пример мостовой цепи, рис. 1.2, и вспомним терминологию. Цепь имеет 7 элементов и провода (идеальные), 6 ветвей, 4 узла. В цепи можно образовать 7 разных контуров. Элементами цепи являются источники тока или напряжения, сопротивления R, конденсаторы C, катушки индуктивности L. Провода, в принципе, тоже являются элементами цепи, но их роль особая. Они определяют топологию цепи (связывают элементы) и в уравнениях явно не фигурируют. На рисунке элементы не конкретизированы, а изображены в виде прямоугольников, комплексных сопротивлений. На их месте может находиться любой элемент R ,L ,C или их комбинация.

Ветвь является двухполюсником, в котором элементы соединены определенным образом.

Узел есть точка (место) цепи, в которой сходятся три ветви или больше.

Контур - это обязательно замкнутый участок цепи, образованный ветвями.