empiv

где Е0 – амплитуда напряженности электрического поля у поверхности внутреннего проводни-

ка. Добавляя множитель e−ikz , находим составляющие поля Т-волны в коаксиальном волноводе следующим образом

Анализ структуры поля в других линиях передачи с Т-волной производится аналогично. Структура поля Т-волны в коаксиальном волноводе показана на рис.15.

Потенциальный характер электрических и магнитных полей в линиях передачи с Т- волной позволяет ввести понятия тока и напряжения.

Рис.15 – Структура поля поперечной волны в коаксиальном кабеле Разность потенциалов между внутренним и внешним проводником в коаксиальном ка-

беле равна:

Ток, текущий по поверхности внутреннего проводника и по внутренней поверхности внешнего проводника, равен:

I m

Волновое сопротивление, как видно из (92), зависит от геометрии волновода и среды заполнения. В случае диэлектрического заполнения:

41

для воздушного заполнения:

Коаксиальные волноводы (кабели) в основном используются в диапазонах ОВЧ и УВЧ.

При λ<10 см значительно возрастают потери в проводниках и диэлектрике, поэому в сантиметровом диапазоне длин волн применяются лишь короткие отрезки коаксиального кабеля.

весьма сложными и поэтому здесь не приводятся. Картина силовых линий для этой волны изображена на рис.17.

Волновое сопротивление и коэффициент ослабления определяются по формулам:

Основным преимуществом двухпроводной линии являются простота конструкции и удобство соединения с симметричными нагрузками. К недостаткам линии относятся: потери мощности в проводах и изоляторах; индукционные потери за счет того, что поле линии наводит токи в находящихся поблизости металлических предметах; потери на излучение, вызванные неточностью выполнения проводников («антенный эффект»). Последний снижает помехоза-

щищенность линии передачи и делает ее саму источником помех. Для устранения антенного эффекта двухпроводные линии выполняются в виде экранированного симметричного кабеля. Но в этом кабеле появляются дополнительные потери на поляризацию диэлектрика и вихревые токи, наводимые в экране.

К симметричным линиям относятся также четырехпроводные открытые (воздушные) фидеры, имеющие меньший антенный эффект по сравнению с двухпроводными аналогами. Ослабление излучения вызвано тем, что направление токов на каждой паре встречное. Вторым достоинством четырехпроводной линии является возможность передачи более высокого, чем у

42

двухпроводной линии уровня мощности. Двухпроводные и четырехпроводные линии передачи используются в диапазонах сверхдлинных, длинных и средних частот.

14.Общие подходы к расчету направляющих систем

Врамках классической физики уравнения Максвелла дают возможность решить практически любую электродинамическую задачу, включая передачу сигналов связи по различным направляющим системам в различных диапазонах частот. Однако во многих случаях крайне сложно, а подчас и нецелесообразно искать точные решения на основе теории электромагнитного поля. В связи этим весьма популярными являются приближенные методы решения задач различных классов. Наиболее характерными методами, которые можно считать предельными для электродинамики, явились методы теории электрических цепей и геометрической оптики. В первом случае совершается переход от волновых процессов к колебательным, а во втором – к лучевым (геометрическим) процессам.

Взависимости от соотношения длины волны К и поперечных геометрических размеров D системы можно выделить три режима передачи (рис. 18)

Электродинамический режим Уравнения Максвелла

Рис.18 – Режимы передачи электромагнитной энергии по направляющим системам

В квазистационарном режиме передача ведется на поперечно-электромагнитной волне Т. Здесь волновые уравнения электромагнитного поля вырождаются в уравнения электромагнитостатики и решаются с помощью законов Ома, Кирхгофа и обычных телеграфных уравнений теории цепей. Это справедливо для частот до 108... 109 Гц (метровый диапазон). В данном режиме осуществляется передача по двухпроводным воздушным линиям, симметричному кабелю, полосковым линиям, ленточному кабелю, а также по коаксиальному кабелю.

В электродинамическом (резонансном) режиме работают направляющие системы,

передача по которым ведется на волнах типов Е и H. К таким системам относятся волново-

43

ды, линии поверхностной волны, а также коаксиальные кабели при передачах сверхвысоких частот 1010... 1012 Гц (сантиметровый и миллиметровый диапазоны). Одномодовые световоды также работают в этом режиме (микронные волны). Этот режим наиболее сложен для исследования, так как здесь имеют место резонансные процессы.

В квазиоптическом режиме действуют законы геометрической (лучевой) и волновой оптики. Здесь приходится иметь дело с лазерными системами, диэлектрическими волноводами, световодами, работающими на смешанных гибридных волнах (ЕН или НЕ) и симметричных волнах в оптическом диапазоне 1013... 1015 Гц (микронные волны).

15.Контрольные вопросы

1.Электромагнитное поле как особый вид материи. Электрический заряд и электрический ток. Электрическое и магнитное поля как два проявления электромагнитного поля. Предмет изучения макроскопической электродинамики.

2.Основные характеристики электромагнитного поля. Пондеромоторные силы.

3.Макроскопические параметры среды. Виды сред и их классификация по характеру взаимодействия с электромагнитным полем. Материальные уравнения.

4.Закон полного тока. Первое уравнение Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Структура и физический смысл. Токи проводимости и смещения.

5.Закон электромагнитной индукции. Второе уравнение Максвелла в интегральной

идифференциальной формах. Структура и физический смысл.

6.Теорема Гаусса для электростатического поля и постулат Максвелла. Третье уравнение Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Структура и физический смысл.

7.Четвертое уравнение Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Структура и физический смысл.

8.Закон сохранения электрического заряда и уравнение непрерывности линий электрического тока. Закон Ома в дифференциальной форме.

9.Классификация электродинамических задач. Степень взаимной обусловленности электрического и магнитного полей.

10.Граничные условия на поверхности раздела сред с различными макроскопическими параметрами. Поверхностные заряды и токи

11.Граничные условия на поверхности идеального проводника.

12.Монохроматическое электромагнитное поле. Метод комплексных амплитуд. Уравнения Максвелла для монохроматического поля. Комплексная диэлектрическая проницаемость среды. Диэлектрические потери.

13.Баланс энергии электромагнитного поля. Теорема Умова-Пойнтинга. Физический смысл слагаемых входящих в уравнение баланса. Плотность потока энергии поля.

44