Воробьев Теория электромагн поля и СВЧ (Кривець)
.pdf
151
Как правило, передача энергии по волноводу производится на основной волне с выполнением условия её единственности. Если помимо основной волны возможно распространение и некоторых высших типов волн, то между всеми волнами возникает взаимодействие, приводящее к искажению передаваемого сигнала. Наряду с этим затрудняется согласование волновода с нагрузкой, поскольку для различных типов распространяющихся волн, возбуждаемых на одной и той же частоте генератора, такие их характеристики, как длина волны в волноводе, фазовая скорость и другие, различны.
Согласно (3.61) критическая частота, являясь характеристикой волновода, зависит от формы и размеров контура поперечного сечения волновода, типа волны (от данных характеристик зависит K ) и проницаемостей εa и
µa среды, заполняющей волновод.
Чем больше значения εa и µa , тем меньше fкр . Следовательно, с ростом εa и µa условие распространения
заданной волны выполняется на более низких частотах. Подобное обстоятельство в ряде случаев используется для уменьшения поперечных размеров волновода при работе на заданной частоте f .
Так как для T -волн K =0, то λкрT = ∞ ( fкрT = 0 ). Это означает, что T -волна всегда является основной (если она вообще существует в данном волноводе) и распространяющейся.
Пример 3.5 (запаздывающие потенциалы). Обсудим,
в чём состоит физический смысл подынтегральных выражений в (3.52) и (3.53):
|
|
|
|
|
r |
|
|
1 |
|
ρ t − |
|
|
dV |
|
|
|
|
|||
ϕ = |
V∫ |
|
|
v |
||
4πεa |
|
r |
||||
→= µa
;A 4π
|
→ |
|
r |
|
|
|
δ t − |
|
|
dV |
|
|
|
|
|||
∫ |
|
|
v |
. |
|
|
r |
||||
V |
|
||||
152
Электромагнитная волна распространяется со скоростью v . Расстояние r она пройдёт за время r / v . Поэтому значение составляющей потенциала ϕ в
переменном электромагнитном поле в некоторой точке, удалённой от заряда на расстояние r в момент времени t ,
|
|
r |
|
определяется значением заряда в момент времени |
t − |
|
. |
|
|||
|
|
v |
|
→
Точно так же следует понимать и выражение для A .
В силу конечной скорости распространения электромагнитной волны значение вектора-потенциала от
→
элемента тока δ dV в точке, удалённой от элемента тока на расстояние r , изменяется с запаздыванием во времени
на величину r / v . |
Поэтому |
потенциалы переменного |
|||
электромагнитного |
поля |
называют |
запаздывающими |
||
потенциалами. |
|
|
|
|
|
Запаздывание объясняется тем, что электромагнитная |
|||||
волна проходит расстояние |
r |
до точки наблюдения не |
|||
мгновенно, а с конечной скоростью v = |
c |
. |
|||
|
|||||
|
|
|
|
εµ |
|
Вопросы для самопроверки
1.Какой физический смысл волновой функции?
2.В чём отличие волновых однородных уравнений Гельмгольца от неоднородных волновых уравнений Даламбера?
3.Каким образом из уравнений Гельмгольца можно получить уравнения плоской волны в однородной среде?
4.Чем отличаются параметры плоской волны в диэлектрике от её параметров в проводящей среде?
5.Чем отличается линейная поляризация волны от круговой и эллиптической?
153
6.В чём заключается отличие распространения волн в однородной среде и на поверхности раздела двух сред?
7.Какими физическими факторами обусловлено явление скин-эффекта и для каких целей оно применяется?
8.В чём отличие направляемых электромагнитных волн от волн в однородной среде?
9.Какой физический смысл критической длины волны (частоты)?
10.Чем отличаются фазовая и групповая скорости
волн?
11.Какие основные типы волн в направляющих системах могут распространяться?
12.Какие режимы существования полей возможны в волноводе?
13.В чём заключаются основные принципы излучения электромагнитных волн?
14.Чем отличаются элементарные электрические и магнитные излучатели?
15.Какой физический смысл термина «запаздывающие потенциалы»?
154
ГЛАВА 4 ОСНОВЫ ТЕХНИКИ СВЧ И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ
Техника СВЧ особенно широко применяется в радиосистемах передачи и извлечения информации (радиосвязи, радиовещании, радиоастрономии, космонавтике и др.).
Всистеме передачи информации данные о происходящем физическом процессе с помощью электрофизического преобразователя трансформируются в электрический сигнал и подаются на модулятор. К модулятору подводится также СВЧ-сигнал несущей частоты. В модуляторе полезный сигнал (сигнал электрофизического преобразователя) модулирует один из параметров сигнала несущей частоты (амплитуду, фазу, частоту). После модулятора СВЧ-сигнал (радиосигнал) поступает на усилитель мощности, проходит через фильтр, отсеивающий побочные колебания, и с помощью линии передачи подводится к антенне, которая излучает модулированный сигнал в свободное пространство в виде электромагнитных волн (радиоволн). Излученная радиоволна возбуждает в приёмной антенне, часто находящейся на большом расстоянии, маломощные колебания передаваемого радиосигнала СВЧ, которые выделяются преселектором (фильтром СВЧ) среди множества отличающихся по частоте сигналов, преобразуются в колебания промежуточной частоты, усиливаются, детектируются, подвергаются добавочному усилению и поступают на устройство обработки и отображения информации.
Вбольшинстве радиолокационных систем обзора, относящихся к системам извлечения информации, для передачи и приёма радиосигналов используется одна антенна. В этом случае для разделения приёма и передачи
155
применяются антенные переключатели. Для обзора, сканирования свободного пространства применяются механизмы вращения или специальные конструкции антенн.
СВЧ-устройства широко применяются в ядерной физике для разгона элементарных частиц до скоростей, близких скорости света, с помощью электромагнитных полей волноводов.
В настоящее время исследуется проблема (в некоторых случаях реализуется) передачи энергии в свободном пространстве с помощью электромагнитных волн СВЧдиапазона. Широкое применение находит СВЧ-нагрев в пищевой промышленности с целью ускоренного приготовления пищи, пастеризации, стерилизации и обезвоживания пищевых продуктов.
Особенно широкое применение в последнее время волны СВЧ-диапазона получили в медицине для глубинных локальных нагревов и ускорения лечения многих заболеваний [17].
Далеко не полный перечень использования техники СВЧ требует разработки специальных устройств, которые в силу причин принципиального характера, кратко изложенных во введении, существенным образом отличаются от устройств диапазона низких частот, где физические явления в основном описываются с помощью понятий тока и напряжения. К основным устройствам техники СВЧ можно отнести волноведущие, резонаторные и излучающие системы, на основании которых строится измерительная и функциональная база СВЧ-техники: генераторные и усилительные устройства, разветвители и делители мощности, антенные системы, измерители уровня СВЧ-мощности и т.д. Принцип работы и конструктивное выполнение элементов и узлов СВЧ-
156
техники в значительной мере определяется диапазоном волн, в котором они должны функционировать (табл. 4.1).
Таблица 4.1 – Диапазон электромагнитных волн по международному регламенту
Номе |
Границы по |
|
р |
частоте f и |
Название |
диапа |
длине волны λ |
|
- |
|
|
зона |
|
|
4 |
3-30 кГц |
Очень низкие частоты (ОНЧ) |
|
100-10 км |
Мириаметровые волны |
5 |
30-300 кГц |
Низкие частоты (НЧ) |
|
10-1 км |
Километровые волны |
6 |
300-3000 кГц |
Средние частоты (СЧ) |
|
1000-100 м |
Гектометровые волны |
7 |
3-30 МГц |
Высокие частоты (ВЧ) |
|
100-10 м |
Декаметровые волны |
8 |
30-300 МГц |
Очень высокие частоты (ОВЧ) |
|
10-1 м |
Метровые волны |
9 |
300-3000 МГц |
Ультравысокие частоты (УВЧ) |
|
100-10 см |
Дециметровые волны |
10 |
3-30 ГГц |
Сверхвысокие частоты (СВЧ) |
|
10-1 см |
Сантиметровые волны |
11 |
30-300 ГГц |
Крайне высокие частоты (КВЧ) |
|
10-1 мм |
Миллиметровые волны |
12 |
300-3000 ГГц |
Гипервысокие частоты (ГВЧ) |
|
1-0.1 мм |
Субмиллиметровые волны |
Кроме того, практически любая радиоэлектронная система (РЭС) находится в поле действия нежелательных источников электромагнитных помех и сама излучает помехи на расположенное рядом электронное оборудование. Обеспечение совместной нормальной
157
работы РЭС без потери информации и ухудшения их функциональных электрических характеристик – основная проблема электромагнитной совместимости [18]. Одним из основных конструктивных средств обеспечения электромагнитной совместимости является экранирование, предназначенное для значительного уменьшения нежелательной электромагнитной энергии как излучаемой РЭС, так и проникающей в аппаратуру. Частично на уровне общих понятий данные вопросы изложены в главах 2, 3 (см. примеры 2.8 и 3.3), а более подробную информацию можно найти в [14, 18].
Учитывая широкий спектр вопросов, имеющих отношение к технике СВЧ (прикладной электродинамике),
которые в достаточной мере освещены в специальной литературе, например [18-21], данная глава в основном содержит обзорно-методический материал, позволяющий студенту или аспиранту сформировать общее представление по практическому применению теории поля в технике СВЧ и при необходимости углубить свои знания по конкретным вопросам, пользуясь дополнительными литературными источниками.
4.1 Общие сведения о линиях передачи
Все линии передачи можно разделить на два больших класса: линии передачи закрытого и открытого типов. В линиях передачи закрытого типа вся энергия сосредоточена в пространстве, экранированном от внешней среды металлической оболочкой. В линиях передачи открытого типа электромагнитное поле, строго говоря, распределено во всем пространстве, окружающем линию. Однако линии выполняют таким образом, что подавляющая часть энергии электромагнитного поля сосредотачивается в непосредственной близости от её
158
поверхности. Открытые линии подвержены влиянию окружающей среды.
Очевидно, не существует универсальных направляющих систем, удовлетворительно работающих во всех диапазонах частот. Освоение каждого нового участка частотного спектра неизменно сопровождается созданием новых типов направляющих систем.
Классификация линий передачи, связанная с их конструкцией и принадлежностью к различным частотным диапазонам, представлена на рис. 4.1 [22].
|
|
|
|
Линии передачи |
|
|
|
|
|
|
Проволочные |
|
Волноводы |
|
|
Линии открытого типа |
|
||||
|
линии |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Двухпроводные |
Многопроводные |
Коаксиальные |
Прямоугольные |
Круглые |
Со специальным сечением |
Полосковые и микрополосковые |
Поверхностных волн |
Диэлектрические |
Лучевые волноводы |
Волоконные оптические |
ВЧ, ОВЧ, УВЧ |
|
УВЧ, СВЧ, КВЧ |
ОВЧ, УВЧ, СВЧ |
|
КВЧ, ГВЧ |
|||||
Рисунок 4.1 – Классификация линий передачи
К основным линиям передачи диапазона СВЧ следует отнести коаксиальные и полые металлические волноводы (рис. 4.2 а), полосковые и диэлектрические волноводы (рис. 4.2 б, в), лучевые волноводы (рис. 4.2 г).
Различают регулярные и нерегулярные волноводы.
Регулярным называют волновод, имеющий в направлении распространения энергии неизменную форму и постоянные размеры поперечного сечения.
159
Среда, заполняющая волновод, также должна обладать неизменными свойствами в указанном направлении. Если в направлении распространения энергии характеристики волновода изменяются, волновод называют нерегулярным.
а
б
в
г
Рисунок 4.2 – Основные линии передачи диапазона СВЧ
160
Волноводы могут быть однородными и неоднородными. Волновод, заполненный средой, свойства которой в поперечном сечении остаются неизменными, называется однородным. Если свойства среды, не изменяясь в продольном направлении, изменяются в поперечном, то волновод называют неоднородным. Следовательно, волновод постоянного сечения, заполненный средой, состоящей из изотропных и однородных слоёв различных диэлектриков, будет регулярным, но неоднородным.
Регулярный волновод называется изотропным, если среда, его заполняющая, изотропна как по электрическим, так и по магнитным свойствам.
Рассмотрим основные понятия, используемые при анализе регулярных волноводов, на примере волновода обобщённо-цилиндрической формы (рис. 4.3).
|
L2 |
S1 |
|
|
|
|
|
S2 |
|
|
L1 |
L3 |
|
S3 |
z
Рисунок 4.3 – Волновод обобщённо-цилиндрической формы
Такой волновод состоит из цилиндрических металлических поверхностей S1 , S2 , S3 , ... , образующих
боковую поверхность волновода S . Для описания боковой поверхности волновода и полей в нём используется