книги из ГПНТБ / Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи
.pdf12.4. Волна |
Зоммерфельда |
|
|
|
Поверхносгная волна типа |
£0 о образуется также на |
неидеальном |
проводнике |
|
без диэлектрического покрытия за счет |
его конечной |
проводимости. |
Эта волна |
|
была изучена Г. Герцом; |
достаточно |
полное исследование провел |
в 1899 г. |
|
Зоммерфельд. Реальный проводник также является замедляющей системой, так как часть проникающей в него волны возвращается на поверхность с заметным запозданием, пройдя с очень малой скоростью расстояние порядка Д. Принци
пиальный |
недостаток проводника |
как замедлителя — значительные |
тепловые |
|||||||||
потери волны на этом пути. |
|
|
|
при сильном |
скин-эффекте |
обладает |
||||||
Известно, |
что поверхность проводника |
|||||||||||
комплексным |
импедансом |
(6.25) |
с положительной |
мнимой |
частью |
Zg = |
||||||
=i?s ( l + i ) . |
где |
/?8 = 1/сгД = соіііаД/2 |
(считаем |
к ш = 1). |
Очевидно, |
на |
такой по |
|||||
верхности может возникнуть только затухающая волна класса Е. |
|
|
|
|||||||||
Приравняем |
имледансы |
проводника при \ia-Wo и поверхностной |
волны с |
|||||||||
осесимметрвчным |
полем (12.35), |
перейдя |
к |
нормированному значению |
£=£а: |
|||||||
- |
1 123 klaA |
|
p i n b p = - 2 _ ( l _ i ) . |
(12.43) |
|
Это дисперсионное уравнение для волны Зоммерфельда. Из-за того что поверхностный импеданс провода, кроме индуктивной составляющей имеет еще и активную, правая часть уравнения — комплексная, поэтому комплексным будет решение для нормированного поперечного коэффициента:
Заметим, что
Ш С = Ш І Є Ї + І п е - " * == in іЄГ— I 4>c •
Заменим теперь ур-ние (12.43) уравнениями для модулей и фаз комплекс ных величин [имея в виду, что г|Э(. •<ln(I,I23/|£|)]:
| ^ 1 п ( 1 , 1 2 3 / 1 Ш = ^ а Д / / 2 7 |
|
^ c = f [ l - 2 ] n |
( l |
] l |
s m ] ~ l |
• |
( 1 2 - 4 4 > |
|||||||
Первое уравнение легко решается методом итераций. Второе дает фазовий |
||||||||||||||
угол близкий к 23-f-25°. |
|
|
|
распространения |
y = a+i$ |
подставим в |
||||||||
Для |
определения |
коэффициента |
||||||||||||
ф-лу |
(8.3) коэффициенты, |
относящиеся |
к воздуху. |
Диэлектрические |
потери в |
|||||||||
нем |
не |
учитываем, |
поэтому |
к=—ik0. |
По ф-ле (12.3) |
заменим |
х | |
на —£2 . |
||||||
Тогда |
v 2 = |
(&о^~^ |
Р а з Д е л я я |
|
э т о |
соотношение на |
вещественную |
и |
мнимую |
|||||
части и считая р 2 » а 2 , |
получаем коэффициенты фазы и затухания: |
|
|
|||||||||||
|
|
|
Р = |
Vk20 + i 2 |
R e - i 2 m ; |
a = C I m t R e / P . |
|
|
(12.45) |
|||||
Фазовая |
скорость, как обычно, а = |
сйо/Р- |
|
|
|
|
|
|
||||||
Для определения коэффициента распространения в данном случае исполь |
||||||||||||||
зован |
метод комплексных |
параметров. Суть этого метода |
состоит |
в |
том, что |
|||||||||
комплексные параметры сред, обусловленные потерями |
в них, учитываются уже |
|||||||||||||
при выводе характеристического |
уравнения. Его решением является |
комплексный |
||||||||||||
поперечный |
коэффициент. Затем |
по ф-лам '(12.45) определяются обе компоненты |
||||||||||||
коэффициента распространения. В данном случае решение энергетическим мето дом 'невозможно, так как само существование поверхностной волны обусловлено неидеальной проводимостью металла; предположение сг-»-оо приведет совсем к иной структуре поля.
IB качестве примера определим фазовую скорость, граничный радиус и коэф фициент затухания волны £оо, распространяющейся вдоль медного провода
зубца толщиной б равно нулю. Среднюю напряженность электри ческого поля в плоскости 5 определим, отнеся напряжение к пе риоду гофров d,
Следовательно, усредненный поверхностный импеданс гофров
ZES = ^ = i ( l - - ^ Z B O t g £ 0 a . ) - |
(12.53) |
При а<Я/4, т. е. /г0 а<л/2, этот импеданс индуктивен и возмож но существование поверхностной Е-вюлпы.
Из равенства импедансов (12.49) и (12.53) на поверхности най дем дисперсионное уравнение для £-волн:
|
E a = ( 1 - - ^ ) * o f l t g f t e a . |
(12.54) |
|
|
|
|
|||||
Так |
как |
ko=<x>fc |
определяется |
частотой, |
|
|
|
|
|||
уравнение содержит только один неизвест |
|
|
|
|
|||||||
ный коэффициент £. Поверхностная |
|
волна |
|
|
|
|
|||||
существует лишь при 5>0, поэтому реше |
|
|
|
|
|||||||
ния этого уравнения возможны лишь в дис |
|
|
|
|
|||||||
кретных |
частотных |
интервалах, |
|
когда |
|
|
|
|
|||
tg&od>0, т. е. |
0 < & 0 а < 0 , 5 я ; |
n<k0a<l,5n |
и |
|
|
|
|
||||
т. д. На |
рис. 12.14 показана |
дисперсионная |
|
|
|
|
|||||
характеристика |
основной волны типа |
£оо, |
О |
0,5 |
|
|
|||||
начинающаяся |
в начале координат. Первый |
Рис. |
12.14 |
|
|
||||||
индекс — число полных стоячих полуволн |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
||||||||
внутри гофра по оси х, т = 0, второй индекс — число |
вариаций |
по |
|||||||||
оси у, п=0. |
Волны высших |
порядков |
практического |
значения |
не |
||||||
имеют. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДИСКРЕТНОСТЬ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ
Дисперсионное уравнение получено в предположении, что тан генциальные составляющие полей с обеих сторон поверхности S распределены вдоль оси z одинаково. Однако фаза поля поверх ностной волны меняется непрерывно, а фаза поля в ряде последова тельно расположенных канавок гофры — скачками, так как в пре делах каждой канавки она неизменна. Разность фаз между сосед ними канавками Дг|> = $d=2nd/A. Пока d<g.A скачки фазы малы и практически не играют роли. Однако с ростом частоты длина волны в системе A~v/<f уменьшается, что ведет к увеличению погрешности ур-ния .(12.54), не учитывающего дискретности гофрированной структуры.
Более строгий анализ [8] выявил необходимость следующих уточнений. Во-первых, при определении входного сопротивления
цилиндр обладает высокой проводимостью и эквивалентен |
метал |
||
лическому проводу, на котором |
волны класса Н не |
существуют. |
|
Для Ё-волп с касательными |
к S составляющими |
Ez и |
Я ф су |
ществен поверхностный импеданс, определяемый структурой элек тромагнитного поля в кольцевых канавках.
Как и в случае плоских гофров, при d = A/2 происходит срыв волны, поэтому минимальная фазовая скорость определяется соот
ношением |
(12.55) и |
частотный диапазон любой волны ограничен |
|||||||
частотой |
/ в , которая |
определяется совместным |
решением |
ур-ний |
|||||
(12.8) и |
(12.55). |
Е00 в воздухе (f^a) |
|
|
|
|
|||
Поле волны типа |
идентично полю в линии |
||||||||
поверхностной волны [ф-лы (12.34), |
(12.35)]. В каждой |
канавке |
|||||||
(г^Га) |
поле |
этой |
волны представляет |
собой |
цилиндрическую |
||||
ТЕМ-волну |
с составляющими Ez и Hv, |
движущуюся |
по радиусу и |
||||||
отражающуюся |
от стержня при г = Ь (проводимость |
металла пола |
|||||||
гаем бесконечной). Поле в канавке описывается ф-лами (12.36) при
условии неизменности по оси 2 , что обеспечивается при р = 0 ; сле |
|||||
довательно, Ег = 0 и, согласно (12.4), % = ki = k0, |
так как в канавках |
||||
находится воздух ( є = 1 ) . |
Толщина дисков б |
учитывается, |
как и |
||
в ф-ле (12.53), умножением Z f (12.35) на (1—6/d). |
|
||||
Дисперсионное уравнение для волны Е0о гофрированного |
стерж |
||||
ня получается при k0a^.0,5 |
из ф-лы |
(12.37) как равенство |
поверх |
||
ностных импедансов с вышеуказанными заменами |
величин: |
|
|||
(1 - - ja- X W l n - fb = |
&af\nlj™ L,a . |
|
(12.57) |
||
Итак, вдоль гофрированного провода |
с идеальной |
проводимостью |
|||
распространяется замедленная поверхностная волна типа £оо, ко торая при 6-KZ превращается в волну ТЕМ.
Волна ЕНю имеет большее практическое значение, так как гоф рированный стержень с этой волной используется в антеннах осе вого излучения. В отличие от диэлектрического волновода, анизо тропно-проводящие гофры подавляют продольную магнитную со ставляющую # z этой волны, так что HZ<^EZ/ZB0 [19].
В остальном свойства волны ЕНІ0 для гофрированного стержня, диэлектрического волновода и линии поверхностной волны совпа дают. В частности, ее рабочий диапазон находится выше, чем у волны Е00, а поле близко к линейно поляризованному (рис. 12.4).
Строгое решение задач о волнах в периодических структурах можно найти в [8], [9].
12.7.Диафрагмированный волновод
Вкруглом волноводе с периодической .структурой в виде попереч ных диафрагм (рис. 12.16) поверхностная волна образуется в сече нии центральных отверстий. Такая система используется в элек тронных приборах свч с бегущей волной и линейных ускорителях, где медленная волна взаимодействует с пучком электронов.
В диафрагмированном |
волноводе, |
как и в гладком, могут 'су |
|||||||||
ществовать так называемые быстрые |
волны |
с |
фазовой |
скоростью |
|||||||
1>>с. В частности, при радиусе а>0,6Я, в нем будет |
распростра |
||||||||||
няться |
быстрая волна типа |
Я 0 і с кольцевыми токами, поле |
которой |
||||||||
|
|
|
почти не проникает в канавки |
||||||||
|
|
|
между |
дисками. Необходимым |
|||||||
|
|
|
условием |
существования |
мед |
||||||
|
|
|
ленных |
волн |
(v<c) |
|
является |
||||
|
|
|
проникновение поля в эти ка |
||||||||
|
|
|
навки и создание в них стоя |
||||||||
|
|
|
чих волн. |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Вследствие |
анизотропной |
||||||
Рис. |
12.16 |
|
проводимости |
граничной |
по |
||||||
|
|
|
верхности |
г = а |
медленные вол |
||||||
ны не могут иметь составляющую Еф |
на этой поверхности. Этому |
||||||||||
условию удовлетворяют |
только волны |
класса |
Ё |
с осевой |
симмет |
||||||
рией поля. Простейшей |
из них Е00 соответствует глубина |
канавок, |
|||||||||
меньшая четверти длины волны, т. е. |
b—с<Я/4. |
|
|
|
|
|
|||||
Поле медленной волны в цилиндре О ^ г ^ а |
должно |
удовлетво |
|||||||||
рять модифицированному уравнению Бесселя (12.12). Рассматри
ваемая |
область включает |
ось |
волновода / = 0 , поэтому |
функция |
||||||
Ко(у), |
принимающая на оси бесконечные значения, не может опи |
|||||||||
сывать |
искомое поле. Используем второе решение h(y), |
конечное |
||||||||
при конечных значениях аргумента. |
|
|
|
|
||||||
По |
аналогии с (12.14) запишем выражение для продольного |
|||||||||
поля в виде: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ёг(г) |
= Ё010{1г)/10&а), |
|
г^а. |
|
(12.58) |
||||
По |
ф-ле (12.15) |
находим, что поле имеет |
также составляющие |
|||||||
Ёг и Я ф |
; в частности, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Я ф (г) = і |
со 8 0 |
д Ё г |
= 1 |
СО 8л А |
& Л ) |
|
|||
|
|
дг |
|
с |
£о |
/о (С а) |
|
|||
Из рис. 12.2 видно, что функция h(y) |
имеет минимум |
при г = 0. |
||||||||
Следовательно, напряженность поля поверхностной волны умень
шается по направлению к центру |
волновода. |
|
|
|||||||
Найдем импеданс поверхностной волны на цилиндрической по |
||||||||||
верхности г = а: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С / |
0 |
(С а) |
= 1 |
|
1 |
(12.59) |
|
|
|
|
|
ш е0 |
а ф0 |
||||
|
|
• Н<р |
|
сое0 /0 (Са) |
|
(С а) |
||||
знак |
минус перед |
Я ф |
соответствует, направлению |
вектора Пойн- |
||||||
тинга |
внутрь канавок, |
в 'сторону |
|
растущих г. |
Здесь по аналогии |
|||||
с (12.16) введена |
новая |
вспомогательная функция |
|
|||||||
|
|
(£ А ) |
= |
/р(Сд) |
|
|
/ і (С а) |
(12.60) |
||
|
|
С а / , ( С а ) |
|
Є а / 0 (С а) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
При малых аргументах функции / |
и -ф представляются первы |
ми членами рядов: |
|
Ш = і + ( f ) ' + i ( f ) ' + . . , |
Ш = у + - f ( f ) ' + . . , |
|
16 |
При £ а = 1 'погрешность последнего |
соотношения составляет око |
ло 1%.
Поле между диафрагмами в довольно грубом приближении счи таем близким по структуре к плоской ТЕМ-волне между плоскими
проводниками. |
Это приближение |
тем точнее, |
чем меньше глубина |
|||||||||||
канавок |
(Ь—а) |
.по сравнению |
с |
а. |
При Ь = 1,5а |
оно приводит к |
||||||||
ошибке |
порядка |
20%. Толщина |
диафрагм |
обычно |
очень |
мала |
||||||||
6<Cd, поэтому |
формулу |
вида (12.53) |
можно |
сокращенно записать |
||||||||||
как Z | = |
iZBotgk0(b—а). |
|
Из этого равенства |
и ф-лы |
(12.59) |
нахо |
||||||||
дим дисперсионное уравнение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
1 |
— a) = |
(£ а) |
|
(С а)* |
|
|
(12.61) |
|||
|
|
k0tgk0(b |
|
16 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Поверхностная |
волна |
существует |
при £ > 0 , 'следовательно, |
ле |
||||||||||
вая часть |
уравнения |
должна |
быть |
меньше |
0,5. |
Например, |
при |
|||||||
Ь/а=1,5 необходимо, чтобы k0a>l,8. |
Это условие |
определяет |
гра |
|||||||||||
ничную |
частоту |/Гр поверхностной |
волны. |
|
|
|
|
|
|||||||
Верхняя |
граница |
существования |
замедленной волны £0 о опре |
|||||||||||
деляется |
соотношением |
(12.55) |
для |
минимальной |
фазовой |
скоро |
||||||||
сти, зависящей |
от периода структуры d, и общим уравнением для v, |
|||||||||||||
как функции £ |
(12.8). С ростом |
частоты и коэффициента £, |
кроме |
|||||||||||
скорости, уменьшается также напряженность поля на оси волно
вода. Действительно, |
по |
ф-ле |
(12.58) |
£ 2 ( 0 ) =£, о//о(£а), так |
как |
||||||||
/о(0) = 1. |
Поэтому |
предел |
|
|
|
|
|
|
|||||
замедления |
может |
опре |
|
|
|
|
|
|
|||||
деляться |
|
также |
слишком |
|
|
|
|
|
|
||||
слабым |
полем |
Ez(0), |
не |
|
|
|
|
|
|||||
достаточным |
для |
эффек |
|
|
|
|
|
||||||
тивного |
взаимодействия с |
|
|
|
|
|
|
||||||
электронным |
потоком. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
На рис. 12.17 |
показана |
|
|
|
|
|
|
||||||
структура |
электрического |
Рве. |
12.17 |
|
|
|
|
||||||
поля |
в |
диафрагмирован |
|
|
|
|
|
|
|||||
ном |
волноводе. В линейных |
ускорителях |
замедление невелико, |
фа |
|||||||||
зовая скорость и л; с. В лампах |
бегущей |
волны, |
наоборот, |
необхо |
|||||||||
димо, чтобы |
v « 0 , 1 с. Для получения больших замедлений |
нужно |
|||||||||||
обеспечить |
значительную |
глубину канавки: b/a^i. |
Расчет |
волно |
|||||||||
вода в таком режиме требует более точного описания поля в канав ках, чем это сделано при получении ф-лы (12.61).
