Elektromágneses hullámterjedés (dedikált példány)

Tartalom

Előszó 1
1. fejezet
Bevezetés 3
1.1. Az űrkutatás módszerei 3
1.2. A tárgykör 8
2. fejezet
Az elektromágneses hullám 11
2.1. A Maxwell-egyenletek 11
2.1.1. Az első Maxwell-egyenlet 11
2.1.2. A második Maxwell-egyenlet 14
2.1.3. A harmadik és negyedik Maxwell-egyenlet 15
2.1.4. A kiegészítő (ötödik, hatodik és hetedik) egyenletek 17
2.1.5. A Maxwell-egyenletek teljes rendszere 18
2.2. Az elektromágneses hullám 20
2.3. A sugárzó energia 25
2.4. Az elektromágneses hullám alakja 29
2.4.1. A jel trigonometrikus alakja 32
2.4.2. Átlagértékek 34
2.4.3. A komplex Poynting-vektor 35
2.5. Az elektromágneses hullám jellemzői 37
2.5.1. Diszkrét jellemzők 37
2.5.2. Integrált jellemzők 49
2.5.3. Spektrális jellemzők 53
2.5.4. A jellemzők mérésének alkalmazási lehetőségei 57
2.5.5. Szabadtéri terjedés és vezetett hullám 63
3. fejezet
Közegjellemzők 65
3.1. A közegjellemzők értelmezése 65
3.1.1. A Maxwell-egyenletek alakja 65
3.1.2. A közegjellemzők csoportosítása 67
3.1.3. A relaxációs idő szerepe 69
3.2. A reciprocitási tétel 70
3.2.1. A módosított reciprocitási tétel 74
3.3. Villamos térben fellépő erők és nyomatékok 75
3.4. Homogén, izotrop közegek 79
3.4.1. Elektronvezetés, vezető anyagok 79
3.4.2. Egyszerű polarizáció, a dielektromos állandó és a törésmutató 81
3.4.3. Ionizált gáz (hideg plazma) izotrop közelítése 87
3.4.4. Mágneses anyagok 92
3.5. Homogén, anizotrop közegek
3.5.1. Anizotrop vezetés 92
3.5.2. Anizotrop polarizáció, kristályok 95
3.5.3. Anizotrop vagy előmágnesezett, hideg plazma 96
3.5.4. Mágneses anizotropia, a giromágneses közegek 102
3.5.5. Bianizotrop közegek 108
3.6. Inhomogén közegek 109
3.6.1. Az inhomogenitás mértéke 110
3.6.2. Az inhomogén közegjellemzők 112
3.6.3. Inhomogén permittivitás egyszerű polarizáció esetén 113
3.7. Általános kérdések 118
4. fejezet
A Maxwell-egyenletek megoldása nem mozgó közegekben 127
4.1. Fontosabb megoldási módszerek (homogén közegekben) 127
4.1.1. A monokromatikus síkhullám 127
4.1.2. Közvetlen megoldások, a diszperziós egyenlet 130
a) Veszteséges izotrop közeg 132
b) Hullámterjedés anizotrop kristályban 134
4.1.3. A reciprocitási tétel alkalmazása térszámításra 135
4.1.4. Megoldás potenciálfüggvényekkel, a Hertz-vektor 137
a) Négyszög keresztmetszetű csövek 144
4.1.5. Megoldás általános koordináták használata esetén 146
a) Hengerhullámok 150
b) Gömbhullámok 153
c) Diszperziós egyenlet (koordinátafelületi hullámok) 156
4.1.6. Megoldás a Green-függvény segítségével, ekvivalens forrástér 162
4.1.7. A Stratton-Chu formula 169
4.1.8. Egyéb módszerek 173
a) Perturbációs vizsgálatok 173
b) Megoldás operátorokkal 175
c) Fenomenológiai kvantumelektrodinamika lehetősége 176
d) Utalás a kvantumelektrodinamikára 178
4.2. A peremfeltételek hatása a jel alakjára (homogén közegekben) 178
4.2.1. Az inhomogén síkhullám 179
4.2.2. Aszimptotikus megoldás 184
a) Az állandó fázisok módszere 184
b) A leggyorsabb csökkenés módszere 188
c) Az aszimptotikus módszer alkalmazása inhomogén hullámok esetén (diffrakció) 190
4.3. Fontosabb megoldási módszerek inhomogén közegekben 194
4.3.1. Diszperziós egyenletek gyengén inhomogén, kvázihomogén esetekben. 196
4.3.2. Az eikonal-egyenlet. (Út a kvázioptikai leíráshoz) 199
a) Az eikonal-egyenlet nem kvázihomogén esetekben 203
4.3.3. A W. K. B. megoldás 207
a) Csatolt hullámok 209
b) Érvényességi tartomány 211
c) Tetszőleges irányú terjedés 211
4.3.4. Az inhomogén alapmódusok módszere 215
4.3.5. A Maxwell-egyenletek megoldása disztribúciók jelenlétében 219
4.3.6. Erős inhomogenitások 223
4.4. Nem monokromatikus jelek 226
4.5. Egyéb lehetőségek 229
4.5.1. Terjedés időben változó, azaz variáns közegekben 229
4.5.2. Terjedés véletlenszerű szerkezetű közegekben 240
4.5.3. Terjedés nemlineáris közegekben 247
4.5.4. A variációs elvekről (röviden) 252
4.5.5. A „soliton" koncepció 260
a) Az inverz módszer 266
4.5.6. A hullámhegyek megmaradási tétele 267
4.5.7. Kitekintés 268
5. fejezet
Elektromágneses hullámterjedés plazmában 270
5.1. A plazmáról 270
5.1.1. Jellemző paraméterek 272
5.1.2. Közegjellemzők 276
5.1.3. A jelenségek áttekintése 279
5.2. Terjedés izotrop plazmában 282
5.2.1. Homogén, izotrop plazma 282
5.2.2. Inhomogén, izotrop plazma 289
5.2.3. Véletlenszerűen változó plazma 294
5.2.4. Időben változó, izotrop plazma 296
5.3. Terjedés anizotrop plazmában 298
5.3.1. Síkhullám homogén, anizotrop plazmában 298
a) Az amplitúdóviszonyok vizsgálata 304
5.3.2. A Faraday-rotáció 311
5.3.3. Az Appleton-Hartree-formula, effektív törésmutató 317
5.3.4. Egyebek 321
a) Inhomogén síkhullám homogén, anizotrop plazmában 321
b) Terjedés gyengén inhomogén közegekben 323
c) Terjedés egyéb körülmények között 330
5.4. Az inverzió problémája 332
5.5. Megjegyzések 335
6. fejezet
Áthaladás és visszaverődés határrétegen 337
6.1. A villamos tér különböző közegjellemzőjű térrészek határfelületén 337
6.1.1. Villamos jelek hagyományos vizsgálata határfelületen 338
6.1.2. Villamos jel disztribúcióval leírt határfelületen 342
6.2. Elektromágneses hullám átlépése ideális, izotrop közegeket elválasztó határfelületen 343
6.2.1. Az alapmódusok meghatározása 343
6.2.2. Csatlakozás a határfelületen 345
6.2.3. A törési - tükrözési törvény ideális, izotrop közegben 346
6.2.4. Az elektromos (EM) és mágneses (HM) módusok 349
6.2.5. A hárommódusú eset 351
6.2.6. Az általános négymódusú eset 356
6.3. Elektromágneses hullám átlépése veszteséges izotrop közegeket elválasztó
határfelületen ^
6 3.1. Alapmódusok a veszteséges közegben 357
6.3.2. Belépés veszteséges közegbe, hárommódusú eset 359
6.3.3. Kilépés veszteséges közegből, hárommódusú eset 363
6.3.4. Egy általánosabb, négymódusú eset 365
6.4. Totálreflexió 366
6.4.1. Totálreflexió ideális, izotrop közegek határán 367
6.4.2. Totálreflexió veszteséges, izotrop közegek határán 371
6.5. Elektromágneses hullám átlépése anizotrop közegek határfelületén 372
6.5.1. A ... speciális eset 372
6.5.2. Egy ... eset vizsgálata 376
6.6. Egyéb vizsgálati irányok 382
7. fejezet
Sugárkövetési eljárások 385
7.1. A sugároptikai közelítés 386
7.1.1. Az optikai közelítés előzményei 386
7.1.2. A sugároptikai közelítés összefoglalása 388
7.1.3. Sugároptikai közelítés anizotrop esetben 393
7.1.4. Az ekvivalens út definíciója 395
7.2. Az egyszerű sugárkövetés 396
7.2.1. Sugárkövetés planparallel síkokkal határolt rétegek esetén 397
7.2.2. A sugárkövetési algoritmus 399
7.2.3. Nem planparallel rétegek viselkedése 405
7.3. A módosított sugárkövetés elve 413
7.3.1. A sugár energiamérlege 418
7.3.2. Rétegezett felszín vizsgálati lehetősége 419
7.4. Egyebek 422
7.4.1. Bonyolultabb esetekről 422
7.4.2. Gyakorlati kérdések 424
8. fejezet
Elektromágneses hullámok szóródása 425
8.1. A szórási jelenségek áttekintése 427
8.1.1. A szóródás rendszerezése 428
8.1.2. A szóró szerinti csoportosítás 433
8.1.3. A megoldási módszerek szerinti csoportosítás 439
8.1.4. Alkalmazási területek szerinti csoportosítás 440
8.1.5. Egyebek 441
8.2. Alapvető jellemzők 442
8.2.1. Szóráskeresztmetszetek, szórásamplitúdók 442
8.2.2. Szórt reflexió és transzmisszió 447
8.2.3. Összetett elrendezések jellemzése 452
8.2.4. Heurisztikus jellemzés 453
8.2.5. Az előreszórási elv 459
8.2.6. A szórási amplitúdó és a szóráskeresztmetszetek meghatározása Green-függvény segítségével 460
8.3. A megoldási módszerek áttekintése 463
8.3.1. Számítás Green-függvény, illetve potenciálfüggvények segítségével 463
8.3.2. Hullámoptikai, sugároptikai eljárások 465
8.3.3. Egyéb hullámtani eljárások 467
8.3.4. Megjegyzések 470
8.4. A legfontosabb részecskeszórási típusok 470
8.4.1. A Rayleigh-szórás 470
8.4.2. A Mie-szórás 476
8.4.3. Általánosítási lehetőségek 479
8.4.4. Röviden a többszörös szórásról 482
a) Skaláris hullámtér többszörös szóródása, a Twersky-féle közelítés 486
8.5. Bevezetés a kiterjedt szórók szórásszámításába 490
8.5.1. A szórt tér módusokra bontása kiterjedt testek (felszínek) esetében 491
8.5.2. Bevezetés a planparallel rétegek tárgyalásához 493
a) Integrált sugárzási jellemzők kapcsolatai 493
b) A radiancia (felületi teljesítménysűrűség) egyenlet 496
c) Szóródás planparallel rétegben 500
8.6. A légköri szóródás alapjai 503
8.6.1. Szórás az atmoszférában 503
8.6.2. Az égboltfény 507
8.6.3. Látás az atmoszférában 510
a) Levegőfénylés 510
b) Kontrasztviszonyok a légkörben 512
8.6.4. Az esőszórás 514
8.7. Bevezetés a durva felszínek tárgyalásába 515
8.7.1. A durva felszín 515
8.7.2. A szórt jel meghatározásának lehetősége térbeli sorfejtéssel 519
8.8. Egyebek 526
8.8.1. Az inverz szórás 527
a) Két specifikus inverziós eljárás inverz szórási feladat megoldási példájaként 527
b) Egy általános inverziós eljárás: a spektrális sorfejtés módszere 529
9. fejezet
A jel terjedési sebessége 532
9.1. A fázissebesség 533
9.2. A csoportsebesség hagyományos tárgyalásmódja 535
9.2.1. A terjedő villamos jelen definiálható különféle sebességek 536
a) Csoportsebesség 536
b) Jelmaximum vagy impulzussebesség 536
c) Energiasebesség 536
d) Jelsebesség vagy perturbációsebesség 536
9.2.2. A csoportsebesség leggyakrabban használt vizsgálati módja: a jelmaximum vagy impulzussebesség 537
a) A hullámcsomag méretei: 541
b) A bizonytalansági reláció: 543
9.2.3. Az energia haladási sebessége 544
9.2.4. A jelsebesség 551
9.3. Whistlerek 552
9.4. A villamos energia terjedésének vizsgálata perturbációval 560
9.4.1. Az inhomogén alapmódusok módszerének alkalmazása a perturbáció terjedésének a vizsgálatára 561
9.4.2. A csoportsebesség nem-diszperzív közegekben 565
a) A csoportterjedési tényező és a csoportsebesség definiálása 567
b) Egyetlen módus terjedése homogén közegben 568
c) Kiegészítések 570
9.4.3. A csoportsebesség lineárisan diszperzív közegekben 572
a) Ideális, semleges gáz és ideális izotrop, ionizált gáz összehasonlítása 573
b) Semleges gáz részletes vizsgálata 575
c) Anizotrop, előmágnesezett plazma analízise 576
9.5. Egyebek 579
10. fejezet
Elektromágneses hullámterjedés mozgó közegekben 581
10.1. Megjegyzés a közegjellemzők számításához 582
10.2. A Maxwell-egyenletek mozgó koordináta-rendszerekben; a relativisztikus elektrodinamika alapjai 586
10.2.1. A Newton-egyenletek invarianciája, a Galilei-transzformáció 587
10.2.2. A Michelson-féle kísérlet 589
10.2.3. A Maxwell-egyenletek invarianciája, a Lorentz-transzformáció 590
a) Az elektromágneses térerősség-tenzor 599
b) A bianizotrop felírás 600
10.2.4. Az energiaimpulzus tenzor 603
10.3. Hullámterjedési jelenségek vákuumban 605
10.3.1. A Doppler-hatás 607
a) A hullámhegyek megmaradási tétele 609
10.3.2. Aberráció (elhajlás) 610
10.3.3. Fényvisszaverődés mozgó tükörről 612
10.4. Terjedés lassan mozgó közegekben 614
10.4.1. Lassan mozgó rendszerek 614
10.4.2. Nagyon lassan mozgó közegek 618
10.5. Elektromágneses hullám azonos sebességgel mozgó homogén közegekben 619
10.5.1. Az elektromágneses térerősség-tenzorok használata 620
a) A közegjellemzők 621
b) A hullámmegoldás 623
10.5.2. Megoldás a bianizotrop formalizmus használatával 626
10.5.3. Síkhullámok mozgó közegben, a fázis- és a csoportsebesség 628
a) Doppler-hatás és elhajlás (aberráció) 628
b) Az Einstein-féle sebességösszetevés 630
c) A fázis- és a csoportsebesség vizsgálata 632
d) A csoportterjedési tényező és az Einstein-féle sebességösszetevés kapcsolata 642
e) A jelenségek téridőbeli alakjának (geometriájának) a hatása 645
10.6. Hullámterjedés mozgó, inhomogén közegekben 648
10.6.1. A teljes hullámkép meghatározása egyszerű esetekben 649
10.6.2. A „relativisztikus sugárkövetés" módszere 650
a) A különböző sebességgel mozgó közegrészeket elválasztó
határfelületek átlépésével kapcsolatos kérdések 651
b) A relativisztikus sugárkövetési algoritmus 656
10.6.3. Egy heurisztikus alkalmazás: frekvenciaváltozási vizsgálat a
relativisztikus sugárkövetés módszerével 659
a) Mozgó tükörsor által visszavert jel spektruma 660
b) A frekvenciaváltozás meghatározása 665
c) A „súlyozó függvény" 665
d) Modellszámítás az „alapeffektus" meghatározására 666
10.7. Kapcsolódó kérdések 673
11. fejezet
Röviden a vezetett hullámokról 675
11.1. A hullámvezetés alapjai 677
11.1.1. A távvezetékek 677
11.1.2. A tápvonalak 687
a) Terjedés két vezető sík között 687
b) Négyszög keresztmetszetű csőtápvonal 691
c) Körkeresztmetszetű csőtápvonal 693
11.1.3. Egyebek 694
11.2. A hullámterjedés hálózati modellezésének lehetőségéről 697
11.3. A földfelszín-ionoszféra hullámvezető 699
12. fejezet
Az elektromágneses hullámok kisugárzásának és érzékelésének alapjai 706
12.1. Különféle jelforrások, sugárzások 706
12.1.1. A hasznos jel és a zaj 706
12.1.2. Természetes sugárforrások 708
12.1.3. Mesterséges sugárforrások 710
12.2. Elemi sugárzók 711
12.2.1. Lineáris áramelem vagy elemi elektromos dipólus sugárzása 711
12.2.2. Elemi köráram vagy elemi mágneses dipólus sugárzása 715
12.2.3. Elemi felület sugárzása vagy a Huyghens-féle sugárzó 718
12.2.4. Kitekintés a nem-elemi sugárzókra 722
12.3. Antennajellemzők 724
12.3.1. A sugárzó iránykarakterisztikája, az antennanyereség 725
12.3.2. A hatásos felület 728
12.3.3. A hatásos hossz 730
12.4. Röviden az egyensúlyi sugárzókról 732
12.4.1. A „fekete test" sugárzása, az albedo 733
12.4.2. Antennahőmérséklet, mikrohullámú radiometria 736
12.4.3. A hősugárzásról röviden 740
12.4.4. Mérési zajok, antennazaj 743
a) A legfontosabb zajok 744
b) A zaj spektrális jellemzése 745
c) Az antennazaj 746
12.5. Az antennajellemzők szerepe az alkalmazásban 748
12.5.1. A radaregyenlet 749
12.5.2. Az antennakarakterisztikák szerepe a szórásszámításokban 753
13. fejezet
Hullámtani mérési módszerek az űrkutatásban 755
13.1. A mérések csoportosítása 755
13.1.1. Csoportosítás a mérés helye szerint 756
13.1.2. Csoportosítás a mért jellemző szerint 756
13.2. Hullámtani mérések űreszközök fedélzetén - „topside sounding" 757
13.3. A műhold (űreszköz) és a földi állomás közötti terjedés vizsgálata 761
13.3.1. Polarizációvizsgálatok, a Faraday-rotáció mérése 762
a) A „nulla Faraday-rotáció" módszer 763
b) A „közeli frekvenciájú, koherens jelek" módszere 765
c) A „forgás-különbség" módszer 766
d) A „Faraday forgásarány" módszer 766
13.3.2. A rádiójel összetett vizsgálata 768
13.3.3. Holografikus módszer az ionoszféra vizsgálatában 770
13.3.4. Szórás- és szcintillációvizsgálatok 774
13.4. Futási idő vizsgálatok 777
13.4.1. Folytonos (kvázimonokromatikus) rádiójel futási idejének mérése 777
13.4.2. Radarmérések 778
a) Lézer-radar (alkalmazási példa) 780
13.5. Interferometria 784
13.6. Kitekintés 788
14. fejezet
A Doppler-mérések 789
14.1. Az űrkutatás Doppler-egyenlete 793
14.1.1. A jel frekvenciája, a mérhető frekvenciaváltozás 793
a) A vett jelen mérhető Doppler-csúszás 795
b) Síkhullám közelítés 796
c) Számítás a pontos hullámképpel 798
d) A mért frekvencia statisztikai átlag 805
14.1.2. A „hagyományos" űrkutatási Doppler-egyenlet 806
a) A különféle hatások szétválaszthatósága a mérési eredmények feldolgozása során 809
14.1.3. Az alapvető Doppler-mérési módszerek 812
14.2. A Doppler-egyenletben szereplő tagok elemzése 817
14.2.1. A geometriai Doppler-csúszás 817
14.2.2. A troposzféra hatása 820
14.2.3. Az ionoszféra hatása 823
a) Az ionoszféra törésmutatójának a hatása 824
b) A görbült terjedési út hatása 825
14.3. Gyakorlati alkalmazások 826
14.3.1. Helymeghatározás 826
a) A differenciális korrekciók módszere 828
b) Az ún. négy állomásos módszer 828
c) Globális helymeghatározási rendszer - G. P. S 829
14.3.2. Az átjárt közeg vizsgálata 830
14.4. A kombinált Doppler-Faraday-eljárás 831
14.5. Egyebek 833
15. fejezet
Hullámtani kérdések a távérzékelésben 835
15.1. Általános alapismeretek 836
15.1.1. A mérendő mennyiségekről 838
15.1.2. Az alkalmazási területek 840
15.1.3. A mintavételezési kérdésekről 847
15.1.4. Az érintett hullámtani területek 850
15.2. A távérzékelési hullámtani feladat 850
15.2.1. Az elemi felszín megvilágítása és visszaszórása 852
15.2.2. Egyszerű útcsillapítási modell, „a magassági korrekció" 857
15.2.3. A detektált mennyiség, „normalizálás" 860
15.2.4. Röviden a felszín jellemzéséről és a távérzékelési indexekről 862
15.3. Néhány távérzékelési felszínmodell 867
15.3.1. S.C.F. felszínmodell, a közvetlen keresztbesugárzás 867
a) Derékszögű négyszög keresztmetszetű barázdamodell 869
b) Az egyenlőszárú háromszög keresztmetszetű barázdamodell 876
c) Összegzés 878
15.3.2. Energiafolyam-modellek 888
a) Mérhető mennyiségek definiálása az energiaegyenleg segítségével 889
b) A továbbfejlesztett Suits-féle növénytakaró-modell 890
15.3.3. Röviden más, lehetséges modellekről 894
a) Regressziós modellek 894
b) Statisztikus modellek 895
c) Példa célorientált, speciális modellre: mikrohullámú vízfelület-vizsgálat 896
15.4. Kitekintés 897
16. fejezet
A Naprendszerben tapasztalt néhány anomális terjedési jelenség egy lehetséges, egységes értelmezése 898
16.1. A Nap perem-effektusa 899
16.2. Okkultációs vizsgálatok 904
16.2.1. Többlet vöröseltolódás a napkorona okkultációs vizsgálatakor 906
16.2.2. Az égitest-légkör forgásának a hatása 915
16.2.3. Rendhagyó polarizáció-tranziensek Nap-okkultáció idején 916
16.3. A földi légkör áramlásainak hatásai 920
16.3.1. Műhold-földi állomás kapcsolat 920
16.3.2. Földi adó-földi vevő kapcsolat 921
16.4. Kitekintés 922
17. Fejezet
Zárszó 925
FÜGGELÉKEK
„A "-függelék
Általános görbült (affin) koordináták használata 929
A.1. Az affin transzformáció 929
A.2. Általános koordináták 931
A.3. Egy megjegyzés az energiasebesség értelmezéséhez 932
„B "-függelék ^
A spektrumanalízis alapjai
B.l. A Fourier-sor, periodikus jelek spektruma 934
B.2. A Fourier-transzformáció 935
B.3. Sávkorlátozott és időkorlátozott jelek, mintavételi frekvencia 938
B.4. A Laplace-transzformáció 939
B.5. A Z-transzformáció, mintavételezés 941
„C"-függelék
Az energiaátlag vizsgálata 944
C.1. Az elektromágneses energia meghatározása 945
C.2. Az integrálási sorrend felcserélhetősége 947
C.3. W vizsgálata 950
C.4. Az átlagenergia 952
„D" -függelék
A térszög 954
„E"-függelék
Az átviteli függvény, a hullámterjedés hálózatmodellezése 955
E.1. Az átviteli függvény 955
E.2. A hálózati modellezés lehetősége és egy példa, a csoportsebesség meghatározása 957
„F"-függelék
Az ionoszféra - előmágnesezett hideg plazma - törésmutatója 962
F. 1. A plazma törésmutatójának levezetése 962
F.2. Értékelés 968
„G"-függelék
A Green-függvény értelmezése 970
„H"-függelék
Altalános, elsőrendű, parciális differenciálegyenletek karakterisztikái 973
H.1. A majdnem lineáris egyenletek karakterisztikái 973
H.2. A kvázilineáris egyenletek karakterisztikái 974
H.3. Az általános, elsőrendű, parciális differenciálegyenletek karakterisztikái 975
"I"-függelék
A véletlenszerű jelenségek vizsgálatának alapjai 977
„J"-függelék
Az előreszórási elv 981
„K"-függelék
A Lorentz-transzformáció 984
„L"-függelék
A fénynyomás 989
Hivatkozott irodalom 991
A tárgykörben a hivatkozásokon túlmenően javasolt irodalom 1014
A legfontosabb jelölések, szimbólumok 1035

Témakörök