А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Узлы стоячей волны отстоят друг от друга на А,/2, где Л, — длина волны данной моды. В узловых сечениях тождественно равна нулю поперечная компонента электрического поля, следовательно равен нулю и поток энергии. При постановке в любое узловое сечение еше одной бесконечно проводящей стенки структура поля в пространстве между стенками не нарушится. Энергия электромагнитных колебаний в пространстве между зеркалами будет постепенно обращаться в тепло за счет омических потерь в стенках. При малых потерях в хорошо проводящих стенках колебания будут затухать по прошествии многих тысяч периодов.
Таким образом, рассматриваемая система может представить собой высокодобротный резонатор. Высокодобротные полые резонаторы — это распределенные аналоги колебательных ТС-контуров. На их основе создают различные колебательные и автоколебательные системы СВЧ диапазона.
Поставив три поперечные стенки на расстоянии в полволны друг от друга и оставив небольшое отверстие в средней стенке, можно пЬлучить аналог системы двух связанных контуров с их характерной двухгорбой резонансной кривой (при соответствующей величине связи — величине отверстия связи в общей стенке). Структура полей в полых резонаторах определяется модой, которая образует стоячую волну.
В зависимости от длины резонатора прямоугольной формы с поперечными размерами, допускающими распространение лишь волны Ньо на данной частоте может образоваться структура с одной, двумя и большим числом полуволн. Обозначение мод такого резонатора имеет вид Н„„Нпа и т.
д. Аналогично образуются резонансные структуры полей Н, „, Н, „, а также моды резонаторов цилиндрической и любой иной конфигурации исходных волноводов. Полые резонаторы, образованные отрезками волноводов, не исчерпывают многообразия резонансных распределенных структур.
Полость произвольной формы также представляет собой резонатор. Определение структуры электромагнитного поля в такой полости связано с решением фундаментальной математической проблемы собственных значений и собРис. 9.15. Сечение двух типов торо- сгвенных функций соответствующей краевой задачи. Во всех случаях, однако, существует набор дискретных резонансных (собственных) частот, каждой из которых соответствует, как правило, одна, реже несколько структур электромагнитного поля.
Примером резонатора подобного типа является сферический резонатор, задача о собственных частотах которого допускает аналитичеекое решение. Широкое 'применение в технике получили торондаль- 9.5. Диэлектрические еэоиато ы ные резонаторы, подобные тем, разрезы которых представлены на рис. 9,15. Структура электромагнитных полей в тороидальных резонаторах может быть условно разделена на области концентрации электрической и магнитной энергии. В плоском зазоре тороидального резонатора концентрируется близкое к однородному электрическое поле. Его создают заряды, натекающие на плоские стенки зазора благодаря токам, текущим по образующим торонда.
Структура магнитного поля этой моды такова, что его линии образуют циркулярный поток во внутреннем объеме тора. Как и всякая распределенная система, тороидальный резонатор имеет бесконечный набор мод и собственных частот. Рассмотренная выше мода является основной и наиболее низкочастотной. Тороидальные резонаторы применяются, в частности, в качестве колебательных элементов СВЧ генераторов.
В этих приборах электроды емкостного зазора резонатора выполняются в виде проницаемых сеток, пронизываемых электронным потоком. 9.5. Диэлектрические резонаторы Подобно тому, как отрезок полого металлического волновода может удерживать электромагнитную энергию, являясь резонатором, резонатором может служить и отрезок диэлектрического волновода. Такой отрезок может быть ограничен двумя металлическими зеркалами, но в общем случае наличие зеркал не является необходимым.
Отражение электромагнитной волны с необходимостью происходит и от свободной поверхности торца диэлектрического волновода. Это отражение происходит с тем большей эффективностью, чем больше различие между диэлектрической проницаемостью материала резонатора и окружающей среды. С принципиальной точки зрения аналогия между полыми и диэлектрическими резонаторами простирается весьма далеко. В том и в другом случае локализация электромагнитного поля в объеме происходит благодаря различиям в условиях распространения электромагнитных волн внутри резонатора и за его границами. В случае металлического полого резонатора поле не выходит за пределы его объема.
В диэлектрическом резонаторе энергия локализуется частично и вне его, однако доля этой энергии, как правило, мала по сравнению с энергией, запасаемой в диэлектрике. В случае диэлектрического резонатора энергия может частично теряться за счет излучения в окружающее пространство. Тем не менее диэлектрические резонаторы нашли широкое применение благодаря целому ряду преимуществ. Созданы специальные высокодобротные керамические материалы с диэлектрической проницаемостью порядка 40, что позволяет изготовить резонаторы малого объема. Как и в случае металлической полости, резонатором является диэлектрическое тело любых размеров и формы. Решение задачи о собственных колебаниях такой электромагнитной системы, так же как и в случае полого резонатора, представляет собой задачу о собственных функциях соответствующей граничной проблемы. Однако, в отличие от металлических систем, аналитическое решение оказывается возможным в меньшем числе случаев.
Даже для относительно простых структур, какими являются прямоугольные диэлектрические параллелепипеды или отрезки круглых цилиндров, задача о собственных частотах и формах колебаний решается приближенно с привлечением различных численных методов. Исключением являются диэлектрические резонаторы эллипсоидальной формы, в частности шарообразные резонаторы. Особый интерес представляют шарообразные или иные резонаторы, выполненные из сегнетоэлектрических материалов. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигает нескольких тысяч, что позволяет создавать миниатюрные резонансные структуры. Диэлектрические потери некоторых сегнетоэлектрических кристаллов, таких, как танталат калия, при гелиевых температурах аномально малы, что позволяет создавать микроминиатюрные резонаторы в коротко'волновой части СВЧ диапазона с добротностью'порядка 10' и более.
Рекордные ре- Глава 9. Распределенные системы 222 зультаты по колебательной добротности получены в диэлектрических резонаторах из лейкосапфира. При охлаждении их до температуры жидкого гелия добротность резонаторов достигает нескольких миллионов, что определет полосу пропускания порядка одного герца при резонансной частоте в диапазоне 10 Гц. Добротность подобного порядка получена также в сверхпроводящих полых резонаторах из ниобия.
9.6. Антенны Антенны представляют собой системы проводников и проводящих поверхностей разной конфигурации и служат для преобразования электрических колебаний сигнала в излучаемые электромагнитные волны (передающие антенны) или наоборот — для преобразования электромагнитных волн, падающих на антенну из окружающего пространства, в электрические колебания (приемные антенны). В первом случае передаваемый сигнал поступает к антенне от передатчика, во втором — электрический сигнал передается от антенны к приемнику. Вообще говоря, электромагнитные волны излучает любой осциллирующий заряд, и в этом смысле антенной может служить проводник или проводящая поверхность любых размеров. Однако на практике антенны имеют размеры, сравнимые с длиной волны, а в значительном числе случаев и существенно превышающие ее.
1 Излучение электромагнитных волн от проводника с осциллирующим током (рис. 9.16) было впервые продемонстрировано в классических опытах Г. Герца. Возбуждаемый переменным током, поступающим по двухпроводной линии, вибратор Герца образовывал в окружающем пространстве сложную картину электромагнитного поля. На рис. 9.16 показано распределение тока и напряжения вдоль вибратора в резонансном случае, когда длина вибратора близка к А/2. Подобные вибраторы являются составными конструктивными элементами антенн относительно низкочастотных лиа- лкбРагсР Гер назонов, вплоть до УКВ. Примером могут служить много° Я)' Рас Р - вибраторные телевизионные антенны и антенны наземных деление "а и и 'Ряжения радиолокаторов аэропортов. по длине ввбрятора Электромагнитное поле, создаваемое антенной в окружающем пространстве, можно условно разделить на две зоны.
Энергия части поля локализуется в ближней области пространства, а энергия поля в дальней зоне уносится электромагнитной волной. Структура поля в ближней зоне жестко связана с конфигурацией излучающих элементов антенны, тогда как структура поля в дальней, или волновой зоне, особенно на расстояниях, существенно больших длины волны, с конкретной конфигурацией антенны связана мало. На больших удалениях от антенны электромагнитная волна все в большей мере становится сферической. Поле в ближней зоне часто называют квазистатическим, подчеркивая этим термином тот факт, что мгновенное значение и распределение напряженности электрического и магнитного полей определяется мгновенным распределением зарядов и токов в антенне в тот же момент времени.
В отличие от ближней зоны электромагнитное поле в волновой зоне характеризуется запаздыванием, связанным с конечностью скорости распространения электромагнитных волн. Отличаются друг от друга также фазовые соотношения, связывающие электрические и магнитные поля в ближней и волновой зонах, В ближней зоне электрическое и магнитное поля сдвинуты друг относительно друга на я/2 (как в стоячей волне), что определяет обращение в нуль среднего за период потока энергии. В волновой зоне элек'трическое и магнитное поля находятся в фазе, что и определяет бегущий характер волн на больших расстояниях от антенны.
Квазистатичсская компонента электромагнитного поля убывает с удалением от антенны как 1/В', в то время как'убывание полей в вол- 9.6. Антенны ггз новой зоне пропорционально 1/г1. Такой закон спадания полей находится в согласии с принципом сохранения энергии, ибо вектор Пойнтинга спадает как 1/В' и общий поток энергии через поверхность сферы 4яЛ~ остается неизменным. Идеальная, согласованная с проводящей линией антенна излучает в пространство всю энергию, приносимую бегущей волной от передатчика.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
