Учебники 80361

другое отсутствует в волноводе, в связи с чем существование в нем волны Т невозможно.

В концентрических линиях могут распространяться все три типа волн: Т , Е и Н , поскольку поперечные магнитные силовые линии охватывают внутренний проводник с током, а парциальные волны совершают скачкообразные перемещения, отражаясь от стенок экрана линии. В силу изложенного волны Е и Н могут существовать и в двухпроводной линии, помещенной в экран.

53

3.СТРУКТУРА ПОЛЕЙ Т-ВОЛН В УСТРОЙСТВАХ

СРАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

3.1. Т-волны в коаксиальных и двухпроводных линиях

При подключении длинной линии к источнику переменного напряжения вдоль ее длины будут распространяться волны тока и напряжения. Волна, распространяющаяся от источника к нагрузке, называется прямой, или падающей, а волна, распространяющаяся в обратном направлении (от нагрузки к источнику) называется обратной, или отраженной.

В зависимости от характера нагрузки и ее величины в линии могут существовать различные типы волн: 1) бегущие, 2) стоячие и 3) комбинированные, или смешанные.

Бегущая волна устанавливается в линии при нагрузке ее на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. При этом отраженной волны нет, есть только падающая, и амплитуды тока и напряжения имеют постоянные значения по всей длине линии, что уменьшает опасность пробоя. Линия в режиме бегущей волны используется для передачи энергии с минимальными потерями, т.е. с максимальным коэффициентом полезного действия.

Если линия нагружена на активное сопротивление, не равное ее волновому сопротивлению, или на комплексное сопротивление, то в ней возникает комбинированная (смешанная) волна, при которой амплитуда падающей волны будет больше, чем отраженной.

Стоячие волны возникают в короткозамкнутых и разомкнутых линиях, а также в линиях, нагруженных на чистое реактивное сопротивление. Во всех этих линиях энергия не потребляется нагрузкой, а полностью отражается в линию и возвращается к генератору, в связи с чем амплитуды падающей и отраженной волн будут иметь одинаковые значения.

54

Линия в режиме стоячей волны обладает резко выраженными резонансными свойствами, и потому ее называют резонансной, т.к. она по многим параметрам эквивалентна колебательному контуру (последовательному или параллельному).

При стоячих волнах амплитуды тока и напряжения распределяются вдоль линии по гармоническому закону, который не изменяется с течением времени [4]:

Здесь I max , U max - максимальные значения тока и напряжения (в пучности); - длина волны колебаний; I l , U l , l - значения

тока и напряжения в рассматриваемой точке и расстояние до нее от конца линии.

Из (3.1) и (3.2) следует, что узлы (или пучности) тока и напряжения сдвинуты друг относительно друга по фазе на угол в 90˚ (или на расстояние в четверть волны).

Знание закона распределения I l и U l вдоль линии позволяет определить характер строения электрического и магнитного полей, поскольку величины Е и Н пропорциональны U l и I l соответственно. Поэтому в точках

линии с пучностью напряжения возникает пучность электрического поля, а в точках с пучностью тока – пучность магнитного поля.

В линиях коаксиального типа электромагнитное поле полностью сосредоточено в пространстве между их проводниками, что обеспечивает совершенное самоэкранирование, причем электрические силовые линии направлены по радиусам, а магнитные имеют форму

55

концентрических колец, окружающих центральный проводник (рис. 10а). При этом электрическое поле в цилиндрической

составляющие максимальны вблизи внутреннего проводника и минимальны у поверхности оболочки.

При передаче по коаксиальной линии электромагнитной энергии по ее проводникам текут высокочастотные токи. Последние из-за влияния поверхностного эффекта сосредоточены в очень тонком поверхностном слое металла. Его толщина тем меньше, чем больше электропроводность проводниковых материалов линии и чем выше частота передаваемого сигнала, так как при таких условиях глубина проникновения тока в металл уменьшается. В то же время увеличивается активная составляющая сопротивления линии, что влечет за собой рост потерь на нагрев.

Токи в коаксиальной линии протекают по наружному слою центрального проводника и по внутреннему слою оболочки. На сверхвысоких частотах глубина проникновения тока в металл составляет единицы микрометров и меньше.

В двухпроводных линиях конфигурация силовых линий будет более сложной (рис. 10б) и поле расположено в пространстве, окружающем проводники, что приводит к излучению. Электрические силовые линии и здесь идут от одного проводника к другому, а магнитные охватывают их.

Картины полей на рис. 10 изображены для случая стоячих волн, поскольку обе линии являются короткозамкнутыми.

При бегущих волнах конфигурация линий поля не изменится, однако, в отличие от рис. 10, фазовый сдвиг между электрическим и магнитным полями будет отсутствовать. Отметим, что с физической точки зрения напряженность поля характеризуется густотой силовых линий. Чем больше Е и Н , тем больше густота соответствующих линий.

56

Рис. 10

57

Векторы Е , Н и I l ориентированы в пространстве определенным образом, что позволяет по известному направлению одного из них определить направление для двух других оставшихся векторов.

При построении картин полей в длинных линиях при волнах типа Т первоначально удобно задаться направлением электрических силовых линий, которые идут от положительного заряда к отрицательному, а затем определить направление тока и по нему направление силовых линий магнитного поля.

3.2. Т – волны в полосковых линиях

Полосковая линия в технике сверхвысоких частот представляет собой плоскостную линию, канализирующую электромагнитные волны в воздушной или иной диэлектрической среде вдоль двух или нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин. Электропроводящим материалом полосок и пластин служат медь, сплавы металлов, обладающие высокой проводимостью, серебро или (реже) золото, а в качестве диэлектрика выбирается фторопласт, полиэтилен, ситаллы, керамика или другой материал с малыми потерями энергии на СВЧ и высокой диэлектрической проницаемостью (до 20) [5].

Полосковые линии, называемые иначе ленточными радиоволноводами, делятся на два основных типа: симметричные и несимметричные. Первые из них состоят из ленточного проводника, расположенного между двумя заземленными пластинами, а вторые отличаются от первых лишь тем, что вместо двух используется одна пластина (основание).

Симметричная линия является видоизменением концентрической линии, а несимметричная – открытой двухпроводной. Поэтому в полосковых линиях так же, как и в длинных, основной будет Т-волна.

58

Структура полей в полосковых линиях с воздушным заполнением представлена на рис.11, из которого видно, что электрическое и магнитное поля имеют лишь поперечные составляющие.

Рис. 11

Несимметричная линия характеризуется большими потерями на излучение. При введении в линию диэлектрика потери будут уменьшаться, что объясняется концентрацией электрического поля.

59

4. СТРУКТУРА ПОЛЕЙ Е- И Н-ВОЛН В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

4.1. Общие вопросы построения картин полей Е- и Н- волн

Пространственное распределение составляющих электромагнитного поля во внутренней полости волноводных устройств находится путем решения основных уравнений электродинамики, т.е. уравнений Максвелла, причем решение их производится при наложении определенных граничных условий.

Вволноводах, как уже отмечалось, могут существовать лишь два типа волн: электрические и магнитные.

Взависимости от характера и величины нагрузки, включенной на конце волновода, в нем вдоль его продольных размеров распределение поля так же, как и в длинных линиях, может иметь характер бегущих, комбинированных или стоячих волн. Вдоль поперечных размеров распределение поля имеет характер только стоячей волны, что можно пояснить следующим образом. Для доказательства принципиальной возможности передачи энергии по волноводу его рассматривают как двухпроводную линию с подключенными к ней четвертьволновыми металлическими изоляторами, представляющими собой короткозамкнутые

линии длиной l 4 (рис. 12) с входным сопротивлением,

равным бесконечности (в идеальном случае). При безграничном увеличении числа изоляторов они сольются в сплошную конструкцию, замыкая пространство с четырех сторон.

Следовательно, в поперечном направлении волновод как бы состоит из параллельно включенных короткозамкнутых линий, распределение поля вдоль которых, как известно, носит характер стоячей волны.

Решение уравнений Максвелла показывает, что в волноводе может существовать бесчисленное множество волн

60

одного и того же вида, отличающихся друг от друга различным числом стоячих полуволн, укладывающихся вдоль поперечных размеров волновода. Вид волны принято обозначать буквой ( Е или Н ) с двумя индексами m и n .

Рис. 12

В волноводе с прямоугольным поперечным сечением индекс m означает количество стоячих полуволн, укладывающихся вдоль наибольшего поперечного размера, а n - вдоль наименьшего. В волноводе с круглым сечением индекс m означает число полных циклов изменения радиальной составляющей поля по окружности, а n - число нулей угловых составляющих поля при движении по радиусу волновода (исключая для Н - волн нуль на самой оси, если он имеется). Совершенно ясно, что m и n - целые числа, одно из которых может быть равным нулю. Можно показать, что в прямоугольных волноводах не существует волн типа Еm 0 и

E0n , а в круглых – волн типа Еm 0 и Н m0 .

61

Не рассматривая способа решения уравнений Максвелла, приведем общие выражения для составляющих электромагнитного поля.

В прямоугольном волноводе имеем: а) при электрических волнах:

имеющие размерность напряженностей электрического и магнитного полей; - круговая частота колебаний;

62