
- •Общие положения теории эмп Основные законы электродинамики
- •Материальные уравнения
- •Теорема Остроградского-Гаусса
- •Принцип перестановочной двойственности
- •Лемма Лоренца
- •Плоские электромагнитные волны
- •Частотная дисперсия характерна также для плазмы (ионизированный газ), для нее:
- •Поляризация волн
- •Частные случаи:
- •Граничные условия для векторов эмп
- •Нормальные составляющие
- •Тангесальные составляющие
- •Падение плоских электромагнитных волн на границу раздела двух сред
- •Нормальная поляризация.
- •Угол Брюстера
- •Угол полного внутреннего отражения
- •Рассмотрим более подробно второй закон Снелля
- •Рассмотрим поле во второй среде:
- •Отражение от системы слоёв
- •Частные случаи
- •Усвч (Устройства сверх – высоких частот)
- •Связь между продольными и поперечными составляющими электромагнитного поля
- •Будем полагать:
- •Прямоугольный металлический волновод
- •Структура эмп волны типа
- •Волна .
- •Щ ель эффективно излучает, если она перерезает линии поверхностного тока.
- •Круглый металлический волновод
- •Коаксиальный волновод
- •Высшие типы волн в коаксиальном волноводе.
- •Особенности использования коаксиального волновода
- •Полосковые линии передачи
- •С имметричная волновая линия.
- •В ысокодобротная линия.
- •Л иния с подвешенной подложкой.
- •Волноводы п и н формы
- •З амедляющие системы
- •Линия Губо
- •Диэлектрические волноводы
- •Потери в линиях передачи электромагнитной энергии
- •Коаксиальный волновод:
- •Прямоугольный и цилиндрический волноводы:
- •Распространение эмв в линиях конечной длины
- •Кпд линии
- •Возбуждение эм колебаний
- •Достаточно часто используют коаксиальные резонаторы, у которых кри значит: .
- •Магнитронный резонатор
- •Резонатор бегущей волны
- •Элементы свч трактов Волноводные тройники
- •Основные свойства волноводного тройника.
- •Элементы конструкций линий передачи свч
- •1.Неподвижные прямые соединения.
- •2. Подвижные соединения.
- •3.Вращающиеся сочленения.
- •Изгибы и скрутки линий передач свч
- •Емкость можно уменьшить, если уменьшить размер центрального проводника.
- •Трансформаторы типов
- •В клиновидном трансформаторе обычный прямоугольный волновод с помощью клиньев длиной (2в переходит в н образный волновод, имеющий пониженное волновое сопротивление.
- •Согласование линий передачи
- •Узкополосное согласование
- •Широкополосное согласование
- •Волноводно-ферритовые элементы
- •Случай продольной волны в поперечно намагниченном феррите
- •Рассмотрим работу циркуляторов, исследуемых в лабораторных работах
- •Развязывающие устройства
- •Н аправленные ответвители
- •Примеры использования циркулятора:
- •Фазирующие устройства
- •Механический фазовращатель «тромбонного типа».
- •Поляризационные устройства
- •Поляризационные устройства бывают механические и электрические.
- •Симметрирующие устройства (в дальнейшем су)
- •Конструкции симметрирующих устройств
- •Щелевые симметрирующие устройства
- •Симметрирующие устройства на основе плавных переходов
- •Коммутационные устройства свч на полупроводниковых диодах
- •Свч выключатели на коммутационных диодах
- •Полупроводниковые свч коммутаторы
- •Дискретные отражательные диодные фазовращатели свч
Линия Губо
Ц
илиндрический
проводник радиуса R,
покрытый тонким слоем диэлектрика.
Структуру волны легче всего представить, если свернуть в трубку металлическую пластину, покрытую слоем диэлектрика.
Чем толще слой диэлектрика и тоньше проводник, тем больше потери на СВЧ диапазоне, диэлектрик порядка 0.05...0.1мм, проводник диаметром не меньше 1мм.
Затухание в такой линии с полистироловым покрытием в 2-3 раза меньше, чем в прямоугольном волноводе.
Роль диэлектрика может выполнять окисел (или даже скин-слой).
Г
лавный
недостаток - линия открытого типа. Если,
кроме того, есть изгибы линии, потери
резко возрастут.
Возбуждают обычно с помощью рупора:
Диэлектрические волноводы
Диэлектрические волноводы это одно из наиболее перспективных направлений развития линий передачи электромагнитных сигналов в настоящее время (в основном в виде волоконного световода).
Рассмотрим бесконечно длинный диэлектрический цилиндр радиуса а, выполненный из диэлектрика с параметрами (1);
,
расположенный в среде с параметрами
(2).
Задачу удобнее решать в цилиндрической системе координат.
Для продольных составляющих:
где
.
Общее решение первого уравнения - линейная комбинация функций Бесселя и Неймана, однако, напряженность в любой точке внутри диэлектрического цилиндра (в том числе и в точке где r=0) должна быть конечной и следовательно:
.
Вне цилиндра, где структура должна соответствовать структуре поверхностной волны, амплитуды полей должны убывать по экспоненте при удалении от границы раздела.
Этому требованию удовлетворяют функции Ханкеля второго рода от чисто мнимого аргумента:
.
Поэтому:
Используем уравнение перехода от продольных к поперечным составляющим и получаем:
Продольное число h одинаково и в первой и во второй среде.
На границе раздела двух диэлектриков r = a, тангенсальные составляющие ЭМП должны быть непрерывны:
Подставляем в граничные условия выражения для составляющих Е и Н и исключаем коэффициенты Am, Bm, Cm, Dm. Получаем трансцендентное уравнение:
.
Это уравнение служит для определения неизвестного коэффициента h (численно или графически).
Детальный анализ позволяет заключить следующее:
1.
В диэлектрическом волноводе может
существовать бесконечно большое число
различных типов волн, имеющих различный
характер изменения поля по координатам
r,
.
2. В диэлектрическом волноводе невозможно раздельное существование несимметричных волн Е и Н.
Оба этих типа образуют единую смешанную волну и распространяются совместно.
Симметричные
волны
могут существовать в диэлектрическом
волноводе независимо друг от друга.
3. Каждый тип волны имеет свою критическую частоту, которая находится из условия:
.
Низшим
типом волны является волна
.
Эта волна не имеет критической частоты,
т.е. может распространяться вдоль
диэлектрического стержня на всех
частотах и при любом диаметре стержня.
Н11 Е11
Величина фазовой скорости волны в диэлектрическом волноводе лежит между величиной фазовой скорости волны Т-типа, распространяющейся в среде окружающей волновод, и величиной
этой волны в среде с параметрами
.
5.
Энергия волны распространяется внутри
и вне диэлектрического стержня. Чем
больше радиус стержня по сравнению с
длиной волны ЭМ колебания и чем больше
соотношение
,
тем большая часть энергии распространяется
внутри диэлектрического стержня. При
приближении
энергия внутри стержня стремится к
нулю.
У
волны
энергия внутри стержня стремится к нулю
при
.
Д
ля
возбуждения волн в диэлектрическом
стержне можно использовать схему:
Скосы служат для уменьшения отражения.
На практике диэлектрические волноводы используется в УКВ диапазоне в качестве элементов конструкции антенн и в более коротковолновом диапазоне как линии передачи.
Линии передачи (световоды) представляют собой тонкую (несколько микрометров) нить из особо чистого кварца или искусственного полимера.
Погонные
потери в такой линии не превышают
нескольких дБ/км (по данным опубликованных
в информационных сборниках получены
волокна, у которых затухание
дБ/км.)
Для сравнения, в прямоугольном на 10 ГГц затухания примерно 0.02 дБ/м.
Несущая частота в оптическом диапазоне очень высока и полоса пропускания очень широкая - скорость передачи информации до тысяч Мбит/с.
Н
а
практике используют световоды с различной
геометрией поперечного сечения и
различными профилями показателя
преломления (1-ступенчатый, 2-градиентный,
реальные профили изрезаны (чисто
технологически)).
Наиболее оптимальный закон для градиентного - параболический:
,
первая
формула при
,
вторая при
.
П
ри
таком законе все меридиональные лучи
лежат в плоскостях содержащих ось z,
входящие в волокно в одной точке под
разными углами, пересекают ось волноводе
в одной и той же точке, то же самое
относительно параллельно входящих
лучах в разных точках (смотри рисунок):
Т.е. различные моды имеют одинаковое время распространения - отсутствует межмодовая дисперсия. Моды - сигналы входящие под разными углами.
На самом деле есть не только меридиональные лучи, но и косые (винтовые) и т.д. - для них дисперсия есть.