Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи

.pdf
Скачиваний:
295
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
23.29 Mб
Скачать

нию, не представляет труда

вычислить или даже

найти

графически

дх g r a d x и отыскать затем

Е ±

и Н ±

. П о аналогии

с

электроста­

тикой можно утверждать,

что Ег

и Hz

являются

потенциальными

функциями для Е ± и Н ± .

 

 

 

 

 

 

 

8.4. Классификация направляемых волн

 

 

ПРИНЦИПЫ КЛАССИФИКАЦИИ

 

 

 

Особенности структуры

электромагнитного поля

направляемых

волн позволяют выделить их классы и типы. При классификации волн предполагается, что проводники, входящие в направляющую систему, обладают бесконечной проводимостью. Дополнительные составляющие поля, которые возникают в реальных устройствах, изготовленных из хорошо проводящих металлов, пренебрежимо малы.

Отметим, прежде всего, одно универсальное свойство направля­

емых волн: поле любой волны

обязательно имеет поперечные элек­

трическую Ех и магнитную Н

составляющие, лежащие в плоско­

сти, перпендикулярной оси z. Это необходимое условие для суще­ ствования продольной компоненты вектора Пойнтинга Пг, обус­ ловливающей передачу энергии вдоль продольной оси направляю­ щей системы.

К л а с с в о л н ы определяется наличием либо отсутствием продольных составляющих поля Ег и Hz, параллельных направле­

нию ее распространения. При

классификации используется два

принципа: либо указывается,

какой

вектор

имеет

продольную

составляющую: Е, Н; либо какой

вектор является

поперечным

(transversal), т. е. целиком лежит

в

поперечной

плоскости ТМ,

ТЕМ.

 

 

модой

 

 

 

Т и п в о л н ы , называемый

также

(mode),

определяется

сложностью структуры поля волны данного класса

(числом макси­

мумов и минимумов поля в поперечном сечении) для конкретного

направляющего

устройства. Он

обозначается

двумя

числовыми

индексами,

например,

Е0ь Ни. Смысл этих

обозначений

 

подробно

объясняется

в гл. 9. Рассмотрим

 

классы

направляемых

волн.

 

КЛАСС ТЕМ (ПОПЕРЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ)

Поле

поперечной

электромагнитной

волны

имеет

только

попереч­

ные электрическую

и

магнитную

составляющие

(EZ=Q;

# z ==0)„

Иногда их называют лехеровыми

или L-волнами. Так как продоль­

ные .составляющие

Ez

и Нг у этих

волн

отсутствуют, то

согласно

ф-лам

(8.9) и (8Л0) поперечные составляющие

Е±

и Hj

 

могут от­

личаться от нуля, только в том случае, если %z

0. Тогда

из ф-лы

(8.3)

следует, что у = к, т. е. коэффициент

 

распространения

волны

• ТЕМ

всегда

равен

коэффициенту

 

распространения

волны

в среде,

которой заполнена данная направляющая система. Это исключает возможность существования волны ТЕМ в системе, состоящей из

двух

или нескольких

разнородных

диэлектрических слоев, так как

-у не

может

одновременно равняться разным

к*. Трехмерные

волновые ур-ния (8.5)

при %2=0 вырождаются в двумерные вектор­

ные уравнения

Лапласа:

 

 

 

 

 

V l E = 0;

V 2 X H = 0 .

(8.П)

Достаточно решить лишь одно из этих уравнений в поперечной плоскости данной направляющей системы, так как для волн ТЕМ существует однозначное соответствие между электрической и маг­ нитной поперечными составляющими. Действительно, из ур-ний (8.8)

при £ 2 = # 2 = 0 получаем:

 

 

 

 

 

Ё-х =

1 сое,

( Н ± X ez) = ZB (Н X ег )

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.12)

 

 

 

 

 

 

Н ± = — ^ ( Ё х

X ег ) = - - ± - ( Ё х

X ez )

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

Zt=-A^-

=

-A^=

ІоУьІЇа

= ,

/ й . _ _ .

(

8 Л З )

І ШЄд

І С0Єа

І Сі) 8 а

 

\ Єд

 

 

волновое сопротивление среды.

 

 

 

 

Полученные соотношения

идентичны

ф-лам

(3.33) и

(3.34)

для

плоской однородной волны ТЕМ в свободном пространстве. Итак,

электрический

и магнитный

векторы

в любой

точке

поля

волны

ТЕМ

взаимно

перпендикулярны

и

пропорциональны

 

по

величине.

Коэффициент пропорциональности Z B зависит лишь от параметров'

среды и одинаков для волн ТЕМ

в

направляющей

системе и не­

ограниченном

пространстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

Докажем следующее важное свойство: структура

 

электрической

составляющей

поля

волны

ТЕМ в

поперечной

плоскости

направ­

ляющей

системы с

идеальными

проводниками

идентична

электро­

статическому

полю

в этой системе. В однородной среде, где отсут­

ствуют заряды (р =

0), электростатическое поле [ф-ла

(5.2)] подчи­

няется

уравнениям:

rot Е = 0 ;

div

Е = 0 . Согласно

(3.17),

отсюда

следует,

что rot rot Е = — V 2 E = 0, т. e.V2 E = 0.

Таким

 

образом, при

р = 0

уравнению Лапласа в

электростатическом поле

подчиняется

не только потенциал ф [ф-ла (5.9)], но и вектор Е. Если стацио­ нарное поле создано в системе, геометрия которой не меняется по оси z, то d/dz=Q и трехмерный оператор Лапласа превращается в двумерный. При этом справедливо равенство V^ _ E=0, что совпа­ дает с (8.L1). Граничные условия для вектора Е на границе с иде­ альным проводником (2.27) одинаковы в случае стационарных и переменных полей. Одинаковые ' уравнения и граничные условия приводят к одинаковым решениям для обоих случаев, что и требо­ валось доказать.

С л е д с т в и е ! . Структура ггегляволны ТЕМ в поперечном се­ чении не зависит от частоты. Действительно, поле Е х волны ТЕМ идентично электростатическому при любой частоте, а иоле Н± од­ нозначно связано с Ё х соотношением (8.12).

С л е д с т в и е 2. Волна ТЕМ может распространяться лишь в та­ ких направляющих системах, где возможно существование элект­ ростатического поля. Так как речь идет о полях, ограниченных в плоскости S ± , перпендикулярной оси г, то электростатическое поле может быть создано лишь в системе из двух или нескольких изоли­ рованных проводников. В поперечном сечении границы диэлектри­ ка с проводниками образуют многосвязную область (границы обла­ сти нельзя начертить, не отрывая карандаша от бумаги).

Итак, структура поля Ёх волны ТЕМ определяется решением электростатической задачи. Поэтому можно непосредственно ис­ пользовать найденные в параграфе 5.3 электрические поля коакси­ альной линии [ф-ла (5.15.) при a^.r^b—r0] и двухпроводной ли­ нии (двух заряженных цилиндров) (ф-ла (5-22)]. В электростати­

ческом поле линиям

вектора1 Е перпендикулярны эквипотенциаль­

ные поверхности, а

в поле волны

ТЕМ справедливо соотношение

Н Х 1 Е Х .

 

 

 

 

Следовательно,

в поперечной плоскости линии

магнитного

поля

Н х волны ТЕ М совпадают

с эквипотенциальными

поверхно­

стями

электростатического поля

ф=const,

описанными

соотноше­

ниями (5.16) и (5.L8).

 

 

 

Для определения

магнитного поля Н ±

в линиях с волной ТЕМ

можно также использовать их идентичность стационарному магнит­

ному полю в диэлектрике,- если

у последнего Я „ = 0 на

границе с

проводником. В частности, Н±

в коаксиальной линии

находится

из ф-лы (1.7) при a^r^J& _

 

 

КЛАССЫ Я И Я

I

 

 

 

В направляющих системах могут также распространяться электро­ магнитные волны, поле которых имеет одну продольную состав­ ляющую Ez или Hz. Эти волны существуют в односвязных и много­ связных волноводах с металлическими стенками и однородным диэлектрическим заполнением, а также в структурах, состоящих из нескольких концентрических диэлектрических слоев; в послед­

нем случае структура поля волны должна обладать

осевой

сим­

метрией.

 

 

 

Е-в о л н ы, или «электрические»,

имеют только

электрическую

продольную составляющую 2Ф0)

н поперечные компоненты

Е ±

и Н , . Так как Я2 =іО, магнитное поле этих волн поперечно, и их называют также поперечно магнитными (ТМ) волнами.

Продольная компонента Ez определяется ур-нием (8.5) в. за­

данных границах:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V2LEz

+ fEz

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

(8.14)

Из соотношения

(8.9) при Я 2

= 0 находим

затем

поперечную со­

ставляющую электрического

поля:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е

 

=

 

grad

Ёг

«

— i P -

grad . Ёг.

 

 

(8.15а)

 

 

 

 

 

 

х2

 

 

 

 

 

 

 

у.2

 

 

 

 

 

 

 

 

Для магнитной составляющей из соотношений

(8.10)

и

(8.15а)

получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HJ! = 5 l H g r a d

± £

X ^

= -

~

 

Х ( Ё

х X ег ) =

-

- 1 - ( Е ±

X е.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.156)

где

 

Z

E

=

 

J L

=

_V_ z B B

« Aр

 

ZBB

= - £

 

 

 

 

(8.15в)

 

 

 

L

=

-Х- Z

«

-

k

- Z

=

соє

 

 

 

 

 

 

 

 

І

coe

 

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

С0Єаa

 

К

 

 

 

£

 

 

 

СОЄд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— волновое

сопротивление

 

для

поперечных

составляющих

ПОЛЯ

£-волны; ZB=]/

 

[Ха/ва — волновое

 

сопротивление

заполняющей

волновод среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из ф-л (8.15) следует, что, во-первых,

поперечная

составляю­

щая электрического

поля Е j

пропорциональна градиенту продоль­

ной составляющей поля Ег, взятому

в поперечном

сечении;

во-вто­

рых, поля Ёх и Нх

синфазны,

взаимно перпендикулярны

и

про­

порциональны друг другу по величине в любой точке сечения

вол­

новода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я - в о л н ы ,

или «магнитные»,

обладают

только

магнитной

про­

дольной составляющей 2фО)

и обеими

поперечными

Е ±

и

Н ± .

Их называют также поперечно электрическими

(ТЕ)

волнами, так

как £ z = 0 .

Волновое

уравнение

для продольной

компоненты

 

 

 

 

 

 

 

у 2

, Я 2 +

Х 2 Я 2 = 0

 

 

 

 

 

 

 

(8.16)

решается при заданных условиях на границах поперечного сечения

волновода. Поперечные составляющие находятся

по ф-лам

(8.10)

и (8.9):

 

 

 

 

 

 

 

НL

=

- - Г grad± Я г «

-

Ц- grad± Я.

1

 

 

 

і

(grad± Я г X ег ) = ZH (Н ±

X ег )

(8.17)

7н

_

ІІФа

_ ±_ 7

k__ 7

ш^

 

 

где — волновое

 

Р

 

 

 

сопротивление

для поперечных составляющих

поля Я-волны. Здесь

также сохраняется синфазность, пропОрцио-

6 - 2

 

 

 

 

 

-

1 6 1

яальность

и

взаимная перпендикулярность

векторов Ej_ и Н ± .

Причем,

в

свою очередь, составляющая

Н х пропорциональна

grad x # z .

 

 

 

 

КЛАССЫ ЕН И НЕ

^

Волны, поле которых имеет одновременно обе продольных состав­

ляющих Ez и Нназываются гибридными и обозначаются ЕН

или

НЕ в зависимости от величины отношения Ez/Hz. Эти волны

воз­

никают в волноводах, состоящих из нескольких сред с различаю­ щимися параметрами, например, в диэлектрическом стержне, окру­ женном воздухом. Условия на границе двух диэлектриков не могут выполняться, если поле волны содержит одну продольную состав­ ляющую (исключение составляют волны, обладающие круговой симметрией поля).

Волновые ур-ния (8.5) в случае гибридных волн решаются од­ новременно для обеих продольных составляющих Ez и Hz с наложе­ нием соответствующих граничных условий. Поперечные составляю­ щие поля Ej и определяются общими соотношениями (8.9) и (8Л0).

8.5. Парциальные волны в волноводах

КОНЦЕПЦИЯ БРИЛЛЮЭНА

Поле в любом волноводе (кроме волн ТЕМ) можно рассматривать, как результат сложения плоских однородных волн, называемых парциальными, многократно отраженных от его граничных поверх­ ностей, т. е. допустима лучевая трактовка явлений в волноводах. Это свойство называют концепцией Бриллюэна по имени француз­ ского физика, доказавшего его для Е- и Я-волн в полых металли­ ческих волноводах. Рассмотрим концепцию парциальных волн на двух примерах.

іПОЛЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

Чтобы установить, возможно ли распространение электромагнитной волны внутри металлической трубы (рис. 8.4), необходимо пока­ зать, что суперпозиция парциальных волн удовлетворяет граничным условиям на внутренних стенках волновода S. Пусть парциальные волны поляризованы параллельно оси у, т. е. ЕЦе,,, тогда сразу удовлетворяется граничное условие £ T | s 0 на двух стенках, ле­ жащих в плоскостях у=0 и у=Ь параллельных плоскости xoz. Что­ бы показать возможность выполнения этого же условия при х=0 цх—а, рассмотрим вспомогательную задачу.

102

 

Пусть перпендикулярно

по­

 

ляризованная

волна

 

падает

 

под

некоторым

углом

на

 

идеально проводящую

поверх­

 

ность, лежащую

в

 

плоскости

 

уог.

На рис.

8.5

показано

рас­

 

пределение поля для

некоторо­

 

го момента

 

времени:

вектор

 

магнитного

поля

 

расположен

 

в плоскости чертежа, а вектор

 

электрического

поля

•— пер­

 

пендикулярно

этой

плоскости.

 

Штрих-пунктирные

линии

по­

 

казывают фронты

волны, соот­

 

ветствующие

положительному

Рис. 8.4

максимуму

( + Ет),

а

пунктир­

 

ные

— отрицательному

( — Е т )\ точечный пунктир соответствует

линиям нулевого поля

( £ = 0).

 

Под тем же углом ф волна отражается от проводящей поверхности, причем так, что удовлетворяются граничные условия напро-

Рис. 8.5

воднике: результирующая тангенциальная составляющая Е на отражающей поверхности равна нулю. Если через какую-то точку

на этой поверхности проходит фронт максимума

(+Ет)

падающей

волны, то у отраженной волны

должен проходить фронт

минимума.

Из рисунка видно, что условие Е х = Е + + Е - = 0

соблюдается

на

всей граничной поверхности.

Вследствие этого

появляется

ряд

плоскостей, параллельных отражающей поверхности, где выполня­ ется это же условие: по оси Ох образуется стоячая волна с рядом параллельных узловых поверхностей.

Дадим математическое описание поля Е, образованного суперпо­ зицией падающей и отраженной волн. Если принять, что потери в

диэлектрике отсутствуют, то для падающей волны по ф-ле

(6.2)

по­

лучим показатель экспоненты: K+-r—ik(ysinф+zcosф),

а для

от­

раженной волны: K - - r = i & ( # s i n ф — г с о з ф ) . П р и идеально отражаю-

6*

163

щей поверхности

(Z B 2 = 0) согласно

ф-лам

(6.7) — (6.11) находим

Г± =—1; В = —А. Тогда результирующее

поле

Ё = Ё + + Ё - =

л ( е

- к + - '

—к

е

е„

А[ё Лк(г situp—х созф)

-ife (г з і п ф + * соэф)!

іш< е^, =

і 2 Л sin (fe cos ф • х) е'( < в '-* З І П ф ' г ) е„ (8.18)

представляет собой неоднородную плоскую волну, распространяю­ щуюся вдоль оси Oz. Удобно описать ее структуру с помощью фа­

зового коэффициента р и поперечного

волнового

коэффициента %:

Ё = i 2 A s i n x x e i ( u > M 3 z ) e y ; p =

*sinq>; х = ^соэф;

(8.19)

справедливость уравнения коэффициентов (8.4)

в данном

случае

очевидна. Электрическое поле Е образует стоячую волну вдоль по­

перечной оси х и бегущую — вдоль ОСИ Z.

 

 

 

 

 

 

 

 

В ряде равноотстоящих плоскостей

электрическое

поле

равно

нулю: Еу = Е^

*Г=0 при sinx* = 0.

Положение

этих

плоскостей

определяется

условием: %х=тп

{т — 0, 1, 2,...),

откуда

х = 0; х —

= аі = я/х;... x = am=mnli=mai

и т.

д. Поэтому рассмотренная

структура поля может быть создана между двумя

параллельными

проводящими плоскостями, расстояние между которыми

 

 

 

 

 

а = тах •=

=

=

2cos ф

,

 

 

 

 

(8.20)

 

X

k cos ф

 

 

 

 

 

 

где X — длина

плоской однородной волны в среде.

 

 

 

 

 

Ограничим

ноле на рис. 8.5

сверху, поместив

в одну из узловых

 

 

плоскостей

вторую

металличе­

 

 

скую пластину. Теперь

 

плоская

 

 

волна

распространяется

меж­

 

 

ду

двумя

плоскостями,

 

много­

 

 

кратно

отражаясь

от

 

каждой

 

 

из

них

(рис.

8.6).

Суперпози­

 

 

ция полей падающей

 

и

отра­

 

 

женной волн равна нулю у ме­

 

 

таллических

стенок,

а

 

между

 

 

ними один или несколько раз

 

 

достигает

максимума,

 

равного

Рис. 8.6

 

двойной

амплитуде

падающей

 

волны.

Число

полуволн

стоя-

 

 

чей волны, укладывающихся по оси х между проводящими стен-

ками, равно пг.

 

 

 

Ограничив пространство металлическими поверхностями

еще

в двух плоскостях

у = 0 и у=Ь,

перпендикулярных вектору Е, при­

ходим к полю в прямоугольном

волноводе (рис. 8.4), удовлетворяю­

щему граничному

условию Ех

|s=0 на всех его стенках. Если

раз­

мер волновода а задан, то угол ф падения парциальной волны не произволен, а определяется соотношением (8.20); он зависит также от числа т, определяющего сложность структуры поля волны, рас-

пространяющейся в волноводе. Магнитное поле определяется ана­ логично электрическому. Из рис. 8.5 видно, что оно имеет состав­

ляющие Нх

и Нг. В плоскостях, где Еу=0

суммарное поле Hz

мак­

симально и равно удвоенному значению Hz

парциальной

волны.

Как следует

из ф-лы (8.19), волна

распространяется вдоль оси

z с фазовым

коэффициентом

р. Эквифазными являются

поверхно­

сти

2 = const

(поперечные

сечения

волновода). В

волноводе рас­

пространяется плоская

неоднородная

 

волна

 

непостоянно в экви-

фазной плоскости).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Длина волны Л в волноводе определяется ф-лой

(3.30), в

кото­

рой

заменяется на

р:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л — — —

 

 

 

 

 

 

(8.21)

 

 

 

 

 

k sin ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

sin ф

 

 

 

 

Можно найти Л и по расстоянию

между

двумя

максимумами

поля

вдоль оси волновода. Из треугольника ACD на рис. 8.6

следует;

sin<p=A,/A,

что

совпадает

с

ф-лой

(8.21). Длина

волны

в

полоіч

металлическом

волноводе

А

больше,

чем

в неограниченном

прост­

ранстве Я при той же частоте

колебаний.

 

 

 

 

 

Выведем условие распространения волны в волноводе. При по­ стоянных а и т угол падения парциальной волны зависит от А: cos ф =/ПА/(2 а) . Если А,<С2а/т, угол ф близок к 90°, парциальные волны падают на стенки волновода полого (рис. 8.7). По ме'ре рос-

А.« 2а/т

Л<2а/т

Л=2а/т

Рис. 8.7

 

 

та А угол ф уменьшается

и, наконец,

при Х = 2а/т становится рав­

ным нулю; распространение волны прекращается. Таким образом, размер волновода ограничивает диапазон длин волн, которые спо­ собны в нем распространяться, неравенством: , л < 2 а/т.

Назовем верхнюю границу диапазона, в котором волна задан­

ного типа распространяется по волноводу, критической

длиной вол­

ны лК р (в данном случае Хкр —2а/т). В волноводе

могут распро­

страняться только те колебания, у которых длина волны в свобод­

ном пространстве меньше критической: л < л К р .

 

 

 

Соответственно определяются

критическая

частота i/Kp = f 8 Д К р

и условие

распространения />/крПрактически всегда

необходимо

определенное превышение частоты / над критической

частотой / к р

заданного типа волны.

 

 

 

 

 

 

Н-ОБРАЗНЫЙ МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД

Рассмотрим волновод (рис. 8.8)

в виде диэлектрической

пластины

ПРЯМОУГОЛЬНОГО СечеНИЯ

С ПрОНИЦаеМОСТЬЮ Єї

и волновым

числом

ki = ko У

гі, граничащей

с воздухом (є2=1; k2

= ko) в

плоскостях

х=±а,

параллельных yoz и с металлическими

пластинами

в плос­

костях

г/=0 и у = Ь. Пусть

парциальные

волны в диэлектрике по­

ляризованы параллельно оси у: Е\\еу.

 

В отличие от

металлического

волновода (рис. 8.4) парциальные волны

полностью отражаются от

границы двух

диэлектриков

в

плоскостях

х~±а

только

в

том

случае,

если

e i > e 2 и <p>cpKp,

где

согласно

ф-ле

(6.17)

 

фКр =

= arc sin У єг/є^агсзіпС&г/^і). По ф-ле (6.19)

коэффициент

отра­

жения от границы двух диэлектриков Г±

 

= 1 - е ' * ;

его модуль ра­

вен единице, а фазовый угол определяется

соотношением tg(ty/Q) =

= sh 0/( У~еі cos ф), откуда

следует,

что

0 < ф < я .

Поэтому

узло­

 

 

 

 

вые

плоскости, где

электрическое

 

 

 

 

поле

равно

нулю

(парциальные

 

 

 

 

волны складываются в противо-

 

 

 

 

фазе), теперь не совпадают с гра­

 

 

 

 

ницей.

Внутри

диэлектрической

 

 

 

 

пластины вдоль оси х возникает

 

 

 

 

стоячая волна с нецелым числом

 

 

 

 

полуволн

отсеченными

конца­

 

 

 

 

ми

синусоид,

изображающих из­

 

 

 

 

менение

 

поля

Е);

границы

пла-

Воздух

Рис. 8.8

 

 

 

 

Рис. 8.9

 

 

 

 

стины х=

±а

проходят в тех областях,

где

ЕуфО.

 

 

 

 

Как было

установлено в 6.3,

при ф > ф К р

плоская

волна

прохо­

дит через границу диэлектриков,

образуя в воздухе поверхностную

волну. Поле

этой волны при удалении

от -границы

убывает тем

быстрее, чем больше

коэффициент в экспоненциальном множителе

(6.20), который

назовем поперечным

коэффициентом

поверхност­

ной

волны:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£ = &2 sh в .

 

 

 

 

' (8.22)

 

Наглядное представление о поперечной протяженности поля по­

верхностной

волны, пропорционального

е ~ , ( * — а )

(для х^а),

дает

граничное

расстояние

Хо, измеренное от х—а

до той плоскости, где

напряженность

поля

в е раз меньше, чем у поверхности пластины.

Очевидно, что £*о=1 и хо=

 

 

 

 

 

 

Поверхностная волна образуется парциальными волнами, кото­

рые

распространяются в воздухе

по эллиптическим

траекториям,

возвращаясь

обратно

в диэлектрик (рис. 8.9). Формально это яв­

ление описывается комплексным углом преломления волны в воз­ духе т> = я/2 + Ю. Экспоненциально спадающие поля с обеих сторон

166

пластины являются непосредственным продолжением поля стоячей волны в диэлектрике. Все вместе они образуют единую волну, рас­ пространяющуюся вдоль оси z с фазовым коэффициентом р. Из ф-л (6.18), (6.20) и (8.19) следует, что

 

р" =

la ch в =

ki sin ф;

k, < р" < h.

(8.23)

Частотный диапазон волноводов с поверхностной волной ограни­

чен

снизу граничной

частотой / г р , соответствующей критическому

углу

падения парциальной

волны

ф = фкР = агс sin (kjki),

тогда

р = &2, 9 = 0 и поперечный коэффициент поверхностной волны

£ = 0.

Поле волны в воздухе не убывает с расстоянием от пластины: оно становится неограниченным по оси х; такую волну уже нельзя счи­ тать направляемой.

В случае />ifrp угол падения парциальной волны ф > ф К р , попе­ речный коэффициент £ > 0 , и на границе с диэлектриком формиру­ ется поверхностная волна. Для практического использования вол­

новода

необходимо определенное превышение f над /гр, чтобы

гра­

ничное

расстояние Xo—1/t, стадо соизмеримым с толщиной 2

а

(на­

пример,

10 а) .

 

 

При

дальнейшем росте частоты, как и в металлическом

волно­

воде, ф-»-90о; тогда (5-»-&i, а £ неограниченно растет, что приводит к все большей концентрации поля поверхностной волны, т. е. умень­ шению ее протяженности в поперечном направлении (XQ-*-0).

Таким образом, поверхностную волну можно считать специфи­ ческой формой парциальной, распространяющейся под комплекс­ ным углом к оси волновода. Это позволяет обобщить концепцию Бриллюэна на волноводы с поверхностной волной.

8.6. Скорости волны. Дисперсия. Мощность

ФАЗОВАЯ СКОРОСТЬ

Фазовая скорость волны была определена ранее как скорость дви­ жения фазового фронта. Фазовую скорость волны в направляющей системе найдем по ф-лам (3.28) и (3.30), в которых к р заменяет­ ся на р:

v = « = f A = T Z - = ^ - ,

(8.24)

где k и v — волновое число и скорость распространения парци­ альной волны во внутренней среде волновода («1» на рис. 8.4 и 8.8). Здесь учтены соотношения (8.19), (8;21) и (8.23). Фазовая скорость v > v e i l . При воздушном заполнении металлического вол­ новода V = с , тогда V>c. Согласно теории относительности материя не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света с. Уже поэтому фазовая скорость не может являться скоро­ стью движения электромагнитной волны, представляющей собой

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ