Кугушев А.М., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. Линейные электромагнитные процессы (1969) (1092090), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Так, например, если 4> — ")3, б 2о , то удут распространяться волны трех типов, соот етс числам п=!, 2 и 3. оответствующие В случае вертикальной поляризации падающей волны между параллельными пластинами б раияться неоднородные волны с продольной составляю. щей вектора Е (Т«'1- или Е-волны). Зависимость )го, ом ж о р и Л от частоты в этом случае определяется формулами (3-4-9) — (3-4-11) и (3-4-13), а волновое сопротивление з Е 20 е Н, Рис. 3-39.
Эввнснмость скорости аа в а,р от частоты. — 246— Учитывая значение Хон, определяемое по формуле (3-4-12), имеем: (3-4-15) Распространение электромагнитного поля между параллельными проводящими плоскостями можно рассматривать как суперпозицию двух однородных плоских волн, многократно отражающихся от параллельных плоскостей под углом 0 (рис. 3-40). С уменьшением частоты Ииа7га алая алл«ам аалахайюз 3аалаГ «лр««' /л за Рпс. 3-40 Л1ногократное отражение плоских волн от параллельных проводящих поверхностей. у ««~« «~« Рнс.
3-4Ь Многократное отражение плоских волн прн различном отношении 1/1«р. этот угол уменьшается и картина распространения приобретает вид, приведенный на рис. 3-41. Интерпретация неоднородной волны, движущейся между параллельными проводящими поверхностями в виде суммы двух плоских однородных волн, позволяет наглядно объяснить отличие скоростей оа но,ротою и длины волны Л от )сь Рассматривая рис. 3-42, можно убедиться, что Л=— Лг 5!и О огм и па= — "' . На этом рисунке сплошными линиями по- з!а 0 казано положение гребней составляющих волн в момент времени й а пунктирной линией — в момент 1+Я. Гребень каждой волны перемещается со скоростью ооь В точке пересечения гребней составляющих волн распо- — 247— А( "(и (Ъ а)п 8 ()( гцп 8 — 248— ложен гребень результирующей волны. Точка пересече- ния гребней перемещается быстрее, чем составляющие волны, т.
е. Неравенство о„р<о(1) можно объяснить тем, что каждая составляющая плоская волна распространяется со ск(- ростью о(1) по зигзагообразному пути; сигнал же за это Рис. 8-42. Сложение двух однородных плоских волн, распространяющихся между параллельньв)и проводящими поверхностяхщ; дву. мерная иллюстрания к формулач: (1) ), 54= — 5 — п(115!па Л= 51п 8 гр 5(П 8 время проходит по оси х, более короткий путь, в результате чего его скорость о,р и оказывается меньше скоросгп о(о.
Между параллельными плоскостями может распространяться и плоская однородная волна. Действительно, пусть плоская однородная волна распространяется в направлении ха в неограниченной среде с постоянной распространения м(1)=(о) ра(е,(. При этом векторы напряженностей магнитного и электрического полей Нп,=-е, О е 'ап) '*; Если внести в поле две идеально проводящие плоскости, перпендикулярные оси ха и отстоящие друг от друга на любом расстоянии д(, то поле не изменится, так как граничные условия (Е, =0) будут удовлетворены, Такая волна распространяется между параллельными плоскостями так же, как и в неограниченной среде, имея только поперечные составляющие векторов Е и Н.
Она называется поперечной электромагнитной, нли волной ТЕМ. Постоянная распространения, фазовая скорость и волновое сопротивление определяются теми же выражениями, что и для неограниченной среды. Величины этн не зависят от частоты, если среда, заполняющая пространство между параллельными плоскостями, не обладает потерямн. Итак, между параллельными и идеально проводящими плоскостями могут распространяться волны Н, Е и ТЕМ. Волны Н и Е существуют при достаточно больших частотах и образуют множество типов, отличающихся структурой поля.
З-З. ИАПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ. ВОЛ ПОВОДЫ В предыдущих параграфах было показано, что граница раздела двух сред обладает способностью направлять поток электромагнитной энергии. Это явление используется в технике для канализации электромагнитной энергии. Направляющую систему, осуществляющую канализацию, в электроэнергетике обычно называют линией передачи, а в электросигнализации — линией связи.
Поскольку в электроэнергетике практически используется монохроматическое поле, то ливия передачи может обладать сильной дисперсией. В линии связи это недопустимо, поскольку всякий сигнал состоит из сравнительно широкого спектра частот. Иначе говоря, линия передачи может быть узкополосной в смысле спектра пропускаемых частот, а линия связи — широкополосной. В этом заключается одно из принципиальных их различий. Во всех направляющих системах (рис. 3-43) структура электромагнитного поля содержит в общем случае составляющие векторов поля в направлении передачи энергии. Такие системы могут быть разделены на «ускоряющие» и «замедляющие».
В первом случае фазовая скорость больше, а во втором меньше фазовой скорости в неограниченной среде. Ускоряющей направляющей системой является металлический волновод (рис. 3-43,з); к ускоряющим системам может быть отнесен и диэлектрический волновал ж, если его поперечные размеры больше длины волны 5 а 3 и 1 1 Г гх) Рис. 3-43. Различные системы канализапни электромагнитной энергии. н нем.
Электромагнитное поле в ускопяющих направляющих системах практически полностью изолировано от окружающей среды, В таких системах могут распространяться Е- или Н-волны. Диэлектрические волноводы с малыми поперечными размерами и проводниковые линии являются замедляю- шими направляющими системами (рис. 3-43, е — е). Электромагнитное поле сосредоточено окало замедляющей направляющей системы, убывая при удалении от нее, т. е. образуя поверхностную волну (см.
$ 3-2). Фазовая скорость поверхностной волны меньше фазовой скорости волны в неограниченной среде. Поверхностная волна в диэлектрическом волнаваде может иметь структуру Е или Н, либо обе продольные составляющие (ЕН- или НЕ-волны). В случае проводиико- б вой линии поле имеет структуру Е волны. Продольная составляющая вектора Е в провадниковых линиях (рис. 3-43,г, д, е) мала по сравнению с ега Хт поперечной составляющей.
Вследствие этого электромагнитное па- х ле в таких линиях К) практически имеет структуру ТЕМ-волны, Рис. 3-44. лучевые волиоволы с лин- замн )а) и проволяггггыиг нплннлра- На" Рав'гяющая си- ми — ретрансчятор ми (о). стема (волновод), провадннковая линия) иааывается р е г у л я р н о й, если форма ее поперечного сечения, граничные условия на ее поверхности и параметры среды, заполняющей или окружающей систему, постоянны на всей ее длине.
Для передачи энергии стационарного (постоянного) поля необходима направляющая система, состоящая не менее чем из двух проводов; такой системой является, в частности, открытая двухпроводная линия (рис. 3-43,г). Передача энергии переменнога поля при частотах меньше 100 кгп проще осуществляется с помощькг открытой двухпроводной линни. Прп более высоких частотах применение такой линии встречает технические затруднения и приходится использовать коаксиальную или поласковую двухпроводную линию (рис. 3-43,д, е), а при частотах выше 100 Мгг) — валнаводную линию в виде металлической трубы (рис.
3-43, з). При еще более высоких частотах, в там числе при частотах оптического диапазона, находят применение ди- — 25!— электрические волноводы в виде стержней или волокон (нитей). Затруднения, возникающие при канализации полей высоких и сверхвысоких частот, обусловливаются следующими причинами: 1. Потери в проводах, вызванные токами проводимости, возрастают пропорционально ) со, как это следует нз выражения (3-3-14а) . 2. Потери в изоляторах, поддерживающих провода, вазрастакат пропорциональна оь 3. Возникают потери на излучение энергии, если расстояние между проводами открытой линии сравнимо с длиной волны (см. $ 2-5). При низких частотах потери в открытых линиях даже сверхдальннх передач составляют небольшую долю от передаваемой мощности. При сверхвысоких частотах, даже в самых совершенных волноводных линиях длиной всего только в несколько метров, потери превышают полезную мощность 1см.
выражение (3-2-34а)]. В силу этого в диапазоне сантиметровых и еще более коротких волн, когда это возможно по конструктивным соображениям, передачу энергии осуществляют без проводов, используя направленное излучение. Примером может служить линия направленной передачи, состоящая из нпассивных» ретрансляторов (рис. 3-44).
Вместе с тем значительные потери прн переменном таке заставляют в сверхдальннх энергетических линиях использовать постоянный ток. Металлический волновод прямоугольного сечения представляет собой трубу нз хорошо проводящего металла (обычно медь, латунь, алюминий), внутри которой возбуждается электромагнитное поле. Толщина стенок валновода значительно больше глубины проникновения поля (см. формулу (2-7-25) н (3-3-17)], вследствие чего ва внешнее окружающее пространство поле практически не проникает.
Структуру электромагнитного поля внутри металлической трубы прямоугольного сечения можно выяснить на основе предыдущего параграфа. Если систему из двух параллельных идеально проводящих плоскостей, в которой распространяется Н-волна, описываемая уравнениями (3-4-!), дополнить двумя другимн параллельными идеально проводящими пласкостямн, перпендикулярными первым двум н параллельнымн плоскости Охех„то составляющие вектора Е окажутся перпендикулярными этим дополнительным плоскостям; следовательно, граничные условия (3-3-11) будут удовлетворяться при любом расстоянии между плоскостями и структура поля, описываемого уравнениями (3-4-1), не нарушится.
Таким образом, мы перешли к направляющей системе — прямоугольному волноводу с волной Н. В нем может распространяться и волна Е, однако граничн раничные условия на дополнительных плоскостях удовлетворяются не прн любом расстоянии между ха ними. Волна ТЕМ вследствне невыполнимости при ее структуре граничных л условий (3-3-11) не момсет распространяться в волноводе ни прн каких расстояниях между дополни- Рагс. 3-45 прямоугольный волнотельными плоскостями.
вол. Рассмотрим металлический прямоугольный валновод, широкая стенка которого имеет размер а и направлена по оси хь а узкая размером Ь направлена по асн х,; в этом случае направление распространения поля совпадает с осью ха (рнс. 3-45). Если бы заполняющая валновод среда без потерь с параметрами раь ею не была ограничена его стенками, то волновое сопротивление среды, фазовая скорость, постоянная распространения н длина волны в такой среде были бы равны: /гана )г' е сга .— сн гс г еаа Гаа! Еаа Л Х г !аа еа где Л вЂ” длина волны в вакууме.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
