Глава 4. Линии передачи электромагнитной энергии

1. Направляемые электромагнитные волны

В практике важное значение имеет решение задачи по передаче электромагнитной энергии от генератора к потребителю. Выполнить такую передачу электромагнитной энергии можно с помощью линии передачи.

Линия передачи – это устройство, предназначенное для передачи энергии от генератора к потребителю.

На высоких частотах и на большие расстояния электромагнитная энергия передается с помощью излучающих систем (антенн). В этом случае энергия распространяется в свободном пространстве, т.е. в окружающей среде.

На высоких частотах и на малые расстояния, а также на низких частотах передачу электромагнитной энергии осуществляют с помощью направляющих систем. В основе направляющей системы лежит способность металлической поверхности направлять движение электромагнитной волны. Также для этой цели используется граница раздела двух диэлектриков.

Передать электромагнитную энергию можно с помощью двухпроводной, ленточной, коаксиальной, микрополосковой линии, волноводов разных типов, а также некоторых других линий передачи. На рис. 4.1. показаны некоторые линии передачи электромагнитной энергии, получившие широкое распространение.

Рис. 4.1

Виды линий передач электромагнитной энергии: а) двухпроводная линия; б) полосковая линия, разделенная диэлектрической прокладкой; в) однопроводная линия в виде круглого провода; г) однопроводная линия в виде провода с диэлектрическим покрытием; д) диэлектрическая линия; е)коаксиальный круглый волновод; ж)прямоугольный волновод; з) круглый волновод; и) П-образный волновод; к) Н-образный волновод; л) эллиптический волновод.

Металлические волноводы применяются в СВЧ-диапазоне, включаюем волны 1100 мм. Иногда в этом диапазоне применяют диэлектрические волноводы. В оптическом диапазоне применяют диэлектрические (стеклянные) волноводы – нити, которые назвали световодами.

Металлический волновод имеет две пары параллельных металлических поверхностей, т.е. представляет собой трубу прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна.

Распространение электромагнитной волны в волноводе прямоугольного сечения начнем рассматривать с направляющей системы, состоящей из одной металлической плоскости.

2. Падение плоской электромагнитной волны с вертикальной поляризацией поля на идеально проводящую плоскость

Пусть из вакуума на идеально проводящую плоскость под углом  падает плоская монохроматическая волна, имеющая вертикальную поляризацию (рис. 4.2).

На рис. 4.2 показаны мгновенные положения последовательности волновых фронтов, отстающих друг от друга на расстояние . Поэтому фазы поля для соседних положений фронтов отличаются на величину 180^. На рис. 4.2 также показаны взаимные ориентации векторов для падающего фронта волн , .

Рис. 4.2

На границе идеального проводника выполняются граничные условия, т.е. . В нашем случае это условие будет выполняться, если будет существовать отраженная волна. На рис. 4.2 показаны поверхности равных фаз для отраженной волны, причем векторы электромагнитного поля отраженной волны, обозначенные , , обладают свойствами:

1. модуль коэффициента отражения равен 1, поэтому амплитуды падающей и отраженной волны одинаковы по величине, т.е. , .

2. на границе раздела выполняются граничные условия, т.е. , или , где - суммарные тангенциальные составляющие, - тангенциальные составляющие падающей волны, - тангенциальные составляющие отраженной волны.

На рис. 4.2 показан результат сложения полей падающей и отраженной волны. Результат сложения сделан в узлах образующейся сетки волновых поверхностей. Из результатов сложения волновых процессов следуют следующие выводы:

1. Суммарные силовые линии магнитного поля имеют вид бесконечных нитей, направленных параллельно оси OY;

2. Векторы напряженности электрического поля лежат в плоскости XOZ, причем ориентация этих векторов непрерывно меняется от точки к точке.

Из рис. 4.2 видно, что силовые линии напряженности суммарного поля имеют определенную закономерность в пространстве. Подчеркнем, в сложении участвовали волновые фронты, положение которых отличалось по фазе на  (противофаза). Если привести более детальное сложение и изобразить результирующее суммарное поле для электромагнитной волны с вертикальной поляризацией, то получим картину силовых линий, показанную на рис. 4.3.

Рис. 4.3

Из рис. 4.3 видно, что силовые линии напряженности поля перпендикулярны металлической поверхности. Также видно, что в замкнутых линиях можно выделить участки, которые перпендикулярны направлению распространения z. Также имеются участки, которые совпадают с направлением распространения. Такая результирующая волна называется волной Е-типа, т.к. имеются составляющие, которые и перпендикулярны, и продольны направлению распространению волны вдоль оси z.

Магнитное поле имеет только составляющие, перпендикулярные, т.е являются поперечными, направлению распространения волны. Поэтому волны Е-типа называются также ТМ-волнами, т.е. поперечными магнитными волнами.

Аналогичным образом можно рассмотреть падение плоской электромагнитной волны с горизонтальной поляризацией из воздуха на плоскую проводящую поверхность. Не останавливаясь на рассмотрении такого падения электромагнитной волны детально, покажем результирующее поле с помощью силовой картины, содержащей и суммарный вектор , и суммарный вектор (рис. 4.4).

Рис. 4.4

Волна также распространяется вдоль оси z. Напряженность магнитного поля изменяется в плоскости XOZ. Вектор напряженности электрического поля колеблется вдоль оси y.

Из рис. 4.4 видно, что силовые линии замкнуты, причем на таких замкнутых линиях можно выделить участки, которые являются параллельными (продольными составляющими) оси распространения. Также в замкнутых линиях можно выделить участки, перпендикулярные (поперечные) направлению распространения. Таким образом, в результирующей волне содержатся одновременно и поперечные, и продольные составляющие. Такая электромагнитная волна называется волной Н-типа. Подчеркнем, что волна Н-типа содержит одновременно две составляющие. Любой другой участок замкнутой линии можно представить суммой поперечной и продольной составляющих поля.

Волна Н-типа имеет и другое название: ТЕ, т.е поперечно электрическая волна. Действительно, в волне Н-типа существует поле , которое является поперечным по отношению к направлению распространения z, т.е. результирующий вектор колеблется вдоль оси y, а в декартовой системе координат yz.

Мы рассмотрели падение плоской электромагнитной волны с различными поляризациями (горизонтальной и вертикальной) из воздуха на проводящую плоскость. Суммарная (результирующая) волна является результатом интерференции плоской падающей и отраженной волны, и уже является не плоской. Таким образом, проводящую плоскость следует рассматривать как направляющую плоскость, вдоль которой распространяются волны Е- и Н-типов. На границе раздела плоскости с воздухом выполняются граничные условия, т.е. .

3. Классификация направляемых волн

Направляемые электромагнитные волны классифицируют в зависимости от присутствия в них продольных и поперечных составляющих поля. Как правило, за направление распространения волны выбирают ось z. Все направляемые волны классифицируют на следующие типы:

1. ТЕМ волны или поперечные электромагнитные волны. Такие волны также обозначают ТМ, Т. К ним относятся плоские волны, свободно распространяющиеся в неограниченном пространстве. Ориентация векторов , , образует правую тройку векторов. В качестве примера на рис. 4.5 приведены некоторые варианты структуры ТЕМ волны при распространении в свободном пространстве. Учтем связь между , , , которая выражается формулой

Рис. 4.5

2. Н-тип волны, или ТЕ-волна (поперечно электрическая). Такие волны содержат и продольные и поперечные составляющие магнитного Н-поля, электрическое поле имеет только перпендикулярную составляющую ( ).

3. Е-тип волны, или ТН-волна (поперечно магнитная). Такие волны содержат одновременно и продольные и поперечные составляющие электрического поля, магнитное поле имеет только поперечную составляющую ( ).

4. Гибридные, или смешанные волны. Такие волны одновременно содержат обе продольные составляющие и .

На границе раздела двух сред в любой направляющей системе выполняются граничные условия. Ранее мы рассмотрели распространение радиоволн вдоль одной проводящей поверхности. Для увеличения степени локализации энергии электромагнитной волны можно поставить вторую проводящую плоскость, параллельную первой. Система, состоящая из двух параллельных плоскостей, будет действовать, т.е. электромагнитная волна будет распространяться в пространстве между плоскостями, если на каждой границе раздела будут выполняться граничные условия. Иными словами, и на верхней, и на нижней плоскости должно выполняться условие .

На рис. 4.6 показаны некоторые картины силовых линий электромагнитного поля для простейших типов волн, распространяющихся между двумя плоскостями. В каждом примере указан тип волны, распространяющийся в направляющей системе, т.е. между двумя параллельными плоскостями.

Тип волны

X

Z

Тип волны

X

Z

Тип волны

X

Z

Рис. 4.6

Из рис. 4.6 а, б видно, что один и тот же тип волн различается числом стоячих полуволн, укладывающихся вдоль поперечной координаты х, Это принцип положен в основу классификации одного типа волн.

На рис. 4.6а видно, что укладывается одна полуволна (одна замкнутая силовая линия), которую обозначают с помощью индекса 1, т.е. . На рис. 4.6 б показано существование между двумя плоскостями двух полуволн, что соответствует волне . Можно сказать, что индекс волны показывает число полуволн, укладывающихся вдоль поперечной координаты (в нашем случае - вдоль оси х).