Тема 5 Виды направляющих систем. Распространение электромагнитных волн в волноводах (4/2/2/2 часа)

План лекции

1. Классификация направляемых волн

2. Типы волн в волноводах

3. Режимы работ в волноводных линиях связи

Передачу энергии по длинной линии рассматривают как распространение электромагнитных волн по направляющим системам, которыми, кроме двухпроводных линий, могут быть металлические, диэлектрические и полупроводниковые поверхности, трубки, стержни. Электромагнитные волны в направляющих системах движутся вдоль граничных поверхностей в заданном направлении. Такие направляемые волны в зависимости от ориентации векторов напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей делятся на поперечные, электрические, магнитные и смешанные волны.

Поперечными, или волнами типа Т, называются волны, у которых в направлении распространения энергии отсутствуют составляющие векторов Е и Н, то есть эти векторы лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения энергии.

Электрическими, или волнами типа Е, называются волны, у которых вектор Е имеет и поперечные и продольную составляющие, а вектор Н - только поперечные. Магнитными, или волнами типа Н, называются волны, у которых вектор Н имеет и поперечные и продольную составляющие, а вектор Е – только поперечные.

Смешанными, или гибридными типа НЕ или ЕН, называются волны, у которых векторы Е и Н имеют как поперечные, так и продольные составляющие. Все направляющие системы делятся на два класса: открытого и закрытого типов. В линиях передачи открытого типа переносимая энергия распределена во всем окружающем линию пространстве. Конструкции линий открытого типа выполняют так, чтобы большая часть энергии была сосредоточена в непосредственной близости от линии. Типичным примером линий открытого типа являются симметричные кабели. Открытые линии подвержены влиянию среды и окружающих предметов, то есть в них всегда наблюдаются потери на излучения. В линиях передачи закрытого типа вся передаваемая энергия сосредоточена в пределах объема, экранированного от окружающей среды металлической оболочкой той или иной формы. Пример – коаксиальный кабель. Потери на излучение здесь отсутствуют, но по мере увеличения частоты электромагнитной энергии в коаксиальных линиях передачи растут потери в диэлектрике, поэтому они применяются до частот не более 1…3 ГГц.

Если в коаксиальной линии убрать внутренний проводник, то потери резко упадут. Ток проводимости по одному проводу проходить не будет, а электромагнитные волны могут распространяться по полым металлическим трубам различной формы поперечного сечения. Такие линии связи называются волноводами. Режим работы волновода сильно отличается от режима работы двухпроводной линии с согласованной нагрузкой. В волноводе, кроме бегущей волны, распространяющейся в направлении оси, существуют и стоячие волны в поперечном сечении. Эти волны образуются за счет энергии, ответвляющейся от бегущей вдоль оси волны в металлический изолятор. Картина силовых линий в волноводе имеет вид, показанный на рисунке 1.

Густота силовых линий характеризует напряженность (интенсивность поля). Если изменить рабочую длину волны так, что размер широкой стенки волновода станет меньше то передача энергии по волноводу прекратится, то есть существует определенная длина волны – критическая, при превышении которой распространение энергии вдоль волновода невозможно. Для передачи энергии по волноводу необходимо, чтобы рабочая длина волны была меньше критической:

E_y

Рисунок 1 – Структура поля (волны типа Н₁₀) в поперечном сечении волновода

Для прямоугольного волновода:

В волноводе могут существовать различные типы волн, отличающиеся структурой силовых линий, эти типы волн называются модами волновода. Для нахождения выражений, описывающих векторы поля Е и Н в волноводе, необходимо решить систему уравнений Максвелла с учетом геометрии конструкции. Полученная конкретная структура поля указывается индексами m и n, то есть волны обозначаются как Н_mn, Е _mn, НЕ _mn, ЕН _mn. Число m равно числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль широкой стенки волновода а, число n - числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль узкой стенки волновода b. Для круглого волновода индекс m характеризует число волн поля по периметру, а n - полуволн по диаметру.

Например, для рисунка 1 вдоль широкой стенки волновода укладывается одна полуволна изменения интенсивности, значит, Вдоль узкой стенки волновода интенсивность поля не меняется, Волну обозначают Н₁₀. Зная тип волны, можно построить картину поля в сечениях волновода и без применения формул для векторов Е и Н. Например, волна Н₁₁:

- вектор Е будет иметь только поперечные составляющие, а вектор Н имеет и продольную составляющую;

- для заданных значений m и n, указывающих число полуволн вдоль стенок а и b соответственно, отмечаются на графике характерные точки (максимумы и минимумы);

- при построении графиков поля необходимо учитывать, что силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на проводниках и перпендикулярны к их поверхности, а магнитные – всегда замкнуты и касательные к поверхности проводника.

Картина поля для волны Н₁₁ в поперечном сечении прямоугольного волновода изображена на рисунке 2.