Учебники 80361

Воронеж 2004

УДК 621.378.325

Филатов И.А. Электромагнитные волны и колебания в устройствах СВЧ: Учеб. пособие. - Воронеж: Воронеж. гос. техн.

ун-т, 2004. 110 с.

В настоящем учебном пособии изложены вопросы построения картин полей электромагнитных волн и колебаний в различных устройствах сверхвысоких частот: коаксиальных, двухпроводных и полосковых линиях, прямоугольных и круглых волноводах, призматических, цилиндрических и тороидальных объемных резонаторах.

Учебное пособие соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210200 «Проектирование и технология электронных средств» специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», дисциплине «Техническая электродинамика».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе Microsoft Word и содержится в файле.

Табл.1. Ил.37. Библиогр.: 6 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Пастернак Рецензенты: Воронежский научно-исследовательский

институт связи, канд. техн. наук, доц. Б.В. Матвеев

©Филатов И.А. ,2004

©Оформление.Воронежский государственный технический университет, 2004

4

ВВЕДЕНИЕ

Техника сверхвысоких частот (СВЧ) является важной составной частью радиоэлектроники и отличается специфическими методами расчета и конструирования. В соответствии с рекомендациями международного консультативного комитета по радио к диапазону СВЧ относят лишь сантиметровые волны. В то же время на практике частотный спектр СВЧ колебаний принято считать значительно более широким и включают в него также метровые, дециметровые, миллиметровые и субмиллиметровые волны. Значение длин волн и частот для всех указанных СВЧ диапазонов приведены в таблице В.1.

Таблица В.1 Значение длин волн и частот СВЧ колебаний.

Особенность волн СВЧ состоит в том, что они, как и свет, распространяются в основном по линии прямой видимости и очень плохо огибают встречающиеся на их пути препятствия, но зато хорошо отражаются от них, причем отражение тем лучше, чем меньше длина волны по сравнению с размерами препятствия. Следовательно, эти волны обладают слабо выраженными дифракционными свойствами. Кроме того, они слабо преломляются в ионосфере и, пройдя ее, не возвращаются назад.

СВЧ колебания при их практической реализации позволяют обеспечить широкую полосу пропускания частот, создать малогабаритные остронаправленные антенные системы, существенно повысить помехоустойчивость при

5

приеме сигналов. В подтверждение сказанного достаточно указать, что на сантиметровых волнах возможна одновременная передача сотен и тысяч телефонных разговоров или нескольких телевизионных программ, а остронаправленное излучение сигналов приводит к уменьшению взаимных помех различных радиоустройств, увеличению их дальности действия и повышению точности радиолокационного измерения координат объектов. К тому же на СВЧ, в отличие от более длинных волн, атмосферные заряды почти не влияют на качество приема информации.

СВЧ сигналы и устройства широко используются в таких областях современной радиотехники, как: радиолокация, телевидение, радиорелейная и многоканальная связь, радионавигация, радиометеорология, радиоастрономия, космическая радиоэлектроника и т. д.

В последние годы становится все больше и больше отраслей народного хозяйства, в которых находит применение СВЧ техника, позволяющая создавать неосуществимые ранее технологические процессы или коренным образом улучшить их. К ним относятся: создание сверхчистой плазмы с широким интервалом температур; полимеризация и упрочнение разнообразных изделий и материалов, например шин и лакокрасочных покрытий; стабилизация параметров полупроводников; СВЧ нагрев и сушка различных материалов, в частности приготовление и разогрев пищи, пастеризация молока и т.п.

СВЧ устройства применяют также для измерения и контроля параметров материальных сред, в ускорителях элементарных частиц, при бесконтактной передаче мощности и в медицине.

Отличительной особенностью большинства СВЧ устройств является то, что они характеризуются распределенными постоянными, так как у них каждая единица длины обладает некоторыми значениями емкости, индуктивности и активного сопротивления. Это в полной мере относится и к колебательным системам СВЧ, нашедшим весьма широкое

6

применение в передающей, приемной, измерительной и другой специальной аппаратуре сверхвысоких частот.

Колебательные цепи СВЧ, являясь одними из наиболее распространенных пассивных элементов трактов СВЧ, представляют собой, как правило, конструктивное сочетание проводников, диэлектриков и магнитодиэлектриков и относятся к классу линейных радиотехнических устройств, причем их размеры соизмеримы с длиной волн СВЧ колебаний.

В зависимости от диапазона рабочих частот и предъявляемых требований к добротности, резонансному (или входному) сопротивлению, стабильности, точности установки частоты, пределам настройки, электрической прочности, эксплуатационной надежности, удобству конструктивного выполнения и т.п. колебательные системы СВЧ наиболее часто изготавливают в виде коротких отрезков двухпроводных, коаксиальных и полосковых линий, а также в виде полых объемных резонаторов прямоугольной, цилиндрической и тороидальной формы. Возможны и другие типы колебательных систем, Методы расчета их параметров и характеристик разработаны на основе теории цепей и теории электромагнитного поля.

Отметим, что проектирование и инженерный расчет резонансных цепей СВЧ является достаточно сложной технической задачей.

7

1.ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И СПОСОБЫ ИХ ОПИСАНИЯ

В физике для разграничения различных объектов окружающего нас материального мира введены такие понятия, как вещество и поле. Для вещества характерным является наличие инерциальной массы, в связи с чем движение макроскопических объектов, состоящих из вещества, списывается известными законами классической механики. Поля, в отличие от веществ, обладают ничтожно малой массой, поэтому законы механики к ним неприменимы. В качестве примера можно назвать электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие каким-либо частицам, в частности, электронам, протонам, нейтронам и т.п.

Электромагнитное поле представляет собой особый вид материи и характеризуется следующими основными свойствами: I) непрерывностью распределения в пространстве; 2) способностью распространяться со скоростью света; 3) способностью силового воздействия на электрические заряды и электрические цепи, в процессе которого энергия может переходить из одного вида в другой.

Первое из отмеченных свойств справедливо лишь при макроскопическом рассмотрении поля, чаще всего обычном для радиотехники.

При микроскопическом рассмотрении электромагнитное поле следует считать состоящим из фотонов, в связи с чем в его структуре обнаруживается дискретность. К тому же следует указать, что, как установлено экспериментально, величины любых электрических зарядов, встречающихся в природе,

кратны заряду электрона е, равному приблизительно

1,6 ∙ 10-19 Кл.

8

Следовательно, электромагнитное поле есть колебательный процесс, заполняющий все новые и новые части окружающей среды.

Электромагнитное поле характеризуется энергией и

Из-за большой величины скорости с масса поля в соответствии с (1.1) действительно оказывается ничтожно малой и ею в большинстве случаев пренебрегают. Однако сам

факт существования m0 объясняет давление света на освещаемую им поверхность и подтверждает материальность поля. Последняя подтверждается и взаимным превращением

Материалистической концепции поля придерживались еще Фарадей и Максвелл, которые полагали, что взаимодействие зарядов (или токов) происходит через окружающую их материю, представляющую собой не что иное, как электромагнитное поле, изменяющееся во времени с конечной скоростью.

Основные принципы теоретических положений Максвелла были признаны лишь с появлением работ Г.Герца, который экспериментальным путем получил свободные электромагнитные волны и показал способность их к преломлению и отражению. Дальнейшее подтверждение теории Максвелла связано с изобретением радио А.С.Поповым и обнаружением давления света П.Н.Лебедевым.

Силовое воздействие электромагнитного поля на электрические заряды или токи оценивается с помощью векторных величин, называемых напряженностью электрического поля и магнитной индукцией.

Напряженность электрического поля по величине и знаку равна механической силе, действующей на единичный

10

положительный заряд, расположенный в рассматриваемой

величиной силы, действующей на единичный заряд, движущийся в магнитном поле с единичной скоростью.

Электрическое поле оказывает силовое воздействие как на неподвижные, так и на движущиеся заряды; при этом движущаяся заряженная частица вещества изменяет свою

где F э - вектор силы, действующей на пробный заряд q.

При рассмотрении полей в материальных средах, например в диэлектриках, вводят второй вектор Д ,названный вектором электрического смещения (или электрической индукцией). В вакууме между Д и E существует связь

проницаемость вакуума или воздуха.

Магнитное поле взаимодействует только с движущимися зарядами, причем кинетическая энергия заряженных тел остается неизменной, а изменяется лишь траектория движения.

В вакууме магнитное поле полностью определяется его

где q, V - точечный заряд и его скорость движения в магнитном поле; Fм - сила, действующая на движущийся заряд q.

11

Из (1.3) видно, что Fм и V взаимно перпендикулярны, вследствие чего и не изменяется кинетическая энергия заряда.

Для полей в магнитных материалах помимо B вводят

еще и вектор H , называемый напряженностью магнитного

поля. В вакууме B и H связаны между собой зависимостью

а0 ,

Где ao = 410 7 Гн/м- абсолютная магнитная проницаемость вакуума или воздуха.

В системе единиц СИ вектор H имеет размерность А/м, а B - T = Вб/м2

На основании ( 1.2) и (1.3) результирующую силу электромагнитного поля, называемую силой Лоренца, можно определить по формуле

F л Fэ Fм q E q [V B].

При исследованиях электрических и магнитных полей для их изображения широко пользуются силовыми линиями, которые расположены так, что касательные к ним указывают направление вектора напряженности соответствующего поля. Для более полной характеристики свойств поля считают, что густота силовых линий определяет величину его напряженности, т.е. чем больше число силовых линий, приходящихся на единицу площади поверхности, перпендикулярной к силовым линиям, тем больше напряженность поля.

Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное условно и возможно лишь при макроскопическом рассмотрении явлений; при микроскопическом всегда обнаруживается действие обоих полей.

12