9.5. Концепция парциальных волн

Свойства Е-, Н- и гибридных волн существенно отличаются от свойств ТЕМ-волн. Эти отличия легко объясняются, если пред­положить, что Е-, Н- и гибридные волны могут быть представлены в виде суперпозиции парциальных ТЕМ-волн, распространяю­щихся под некоторым углом к оси линии передачи (оси Z). Распространение парциальных волн в этом случае может про­исходить, например, вдоль ломаной линии путем многократных отражений от стенок (рис. 9.4) или других элементов направ­ляющей системы. Если направляющая система заполнена неод­нородной средой, характер распространения парциальной волны может быть более сложным.

У ТЕМ-волны, распространяющейся непосредственно вдоль оси Z (рис. 9.5), векторы Ё_т и Н_т лежат в поперечной плоскости (перпендикулярны оси 2). У парциальной ТЕМ-волны векторы Ё_т и Н_т лежат в плоскостях, перпендикулярных отрезкам ломаной линии (рис. 9.4), вдоль которой распространяется парциальная волна. В данном случае по меньшей мере один из векторов (Ё_т или Н_т) будет не перпендикулярен оси Z. При этом либо вектор Ё_т (рис. 9.6), либо вектор Н_т (рис.9.7), либо оба вектора (и Ё_т и Н_т) будут иметь продольные составляющие, что соответствует Е-, Н- и гибридной волнам, распространяющимся вдоль оси Z.

Используем представление о парциальных волнах для объяс­нения полученных выше результатов: длина волны в линии и фазовая скорость у Е-, Н- и гибридных волн больше соответ­ствующих параметров ТЕМ-волны, характеристическое сопротив­ление у Е-волны меньше, а у Н-волны больше характеристи­ческого сопротивления ТЕМ-волны.

В случае Е-, Н- и гибридных волн парциальная ТЕМ-волна распространяется вдоль линии, образующей угол ф с осью Z (рис. 9.8). Поверхности равных фаз (ПРФ) этой волны перпен­дикулярны оси Z' и перемещаются вдоль нее с фазовой скоростью -период электромагнитных колебаний. За время Т каждая ПРФ, например ПРФ 1-1’ на рис. 9.8, переместится вдоль оси Z' на расстояние λ (расстояние 1-2 на рис. 9.8). Путь, прой­денный этой же ПРФ за время Г вдоль оси Z, будет больше и равен расстоянию между точками 1' и 2'. Соответственно длина волны вдоль оси Z (длина волны в линии в случае Е-, Н- и гибридных волн) будет больше λ и равна Λ = λlcos ф. Отсюда фазовая скорость по оси Z равна у_ф=Λ/T= λ/(Тcos ф) = с/соsф, т.е. фазовые скорости Е-, Н- и гибридных волн больше скорости света в данной среде.

Из рис. 9.6, соответствующего Е-волне, видно, что амплитуда поперечной относительно оси Z составляющей напряженности электрического поля (Е_х на рис. 9.6) меньше амплитуды вектора Е парциальной волны, тогда как амплитуды напряженности маг­нитных полей у обеих волн совпадают (см. рис.9.6). Сле­довательно, у Е-волны, распространяющейся вдоль оси Z, отноше- ние поперечных составляющих на-пряженностей электрического и маг­нитного полей меньше, чем у пар­циальной ТЕМ-волны. Соответст­венно Z_C^E<Z_C^TEM. У Н-волн амп­литуда поперечной составляющей напряженности магнитного поля (Н_у на рис. 9.7) меньше амплитуды попе­речной составляющей напряженноети

магнитного поля парциальной ТЕМ-волны, тогда как амплитуды поперечных составляющих напряженностей электрических полей у обеих волн совпадают (см. рис. 9.7). Следовательно, характерис­тическое сопротивление /-/-волны больше, чем характеристическое сопротивление ТЕМ-волны (Z_C^H> Z_C^TEM).

Концепция парциальных волн впервые была сформулирована Бриллюэном применительно к частному случаю распространения волны Ню (см. 10.1) в прямоугольном волноводе. В дальнейшем она была обобщена Г.З.Айзенбергом [25] на случай любых на­правляемых волн.