Устройства, ограничивающие область, в которой распространяются электромагнитные волны, и направляющие поток электромагнитной энергии в заданном направлении ( например, от передатчика к антенне), называют линиями передачи.

Регулярные линии передачи – это линии, электродинамические и геометрические свойства которых в любом поперечном сечении линии постоянны.

Основные типы регулярных линий передачи (рисунок 1) можно разделить на две группы – открытые линии (многосвязные системы ) и волноводы (односвязные системы). Поперечные сечения открытой линии не имеет замкнутого проводящего ( металлического ) контура, охватывающего снаружи область распространения электромагнитной энергии. Поэтому в открытых линиях передачи поле направляемой волны не экранировано снаружи и существует в пространстве, окружающем линию. Основными типами этих линий являются: симметричная двухпроводная линия, выполненная из круглых проводов (рисунок 1а), полосковая линия, состоящая из металлических полосок, разделенных диэлектриком (рисунок 1б), диэлектрическая линия, представляющая собой стержень из диэлектрика (рисунок 1в) и т.д.

Поперечное сечение закрытых линий имеет замкнутый проводящий контур, охватывающий снаружи область распространения электромагнитной энергии. Основными типами закрытых линий являются волноводы: прямоугольный (рисунок 1г), круглый (рисунок 1д), П-образный (рисунок 1е), эллиптический (рисунок 1ж) и коаксиальный кабель (рисунок 1з).

Симметричные двухпроводные линии целесообразно применять на метровых и более длинных волнах, коаксиальные линии на дециметровых и более длинных волнах, прямоугольный, круглый и эллиптический волноводы – на сантиметровых и миллиметровых волнах, диэлектрическую линию – на миллиметровых и более коротких волнах

 

а) б) в)

 

 

   

г) д) е)

 

 

ж) з)

Рисунок 1 – Основные типы линий передачи

Недостатки двухпроводных и коаксиальных линий передачи :

В двухпроводных и коаксиальных линиях резко возрастают потери энергии с ростом частоты. Основные факторы потерь энергии:

1. Поверхностный эффект в проводниках приводит к росту потерь с увеличением частоты пропорционально  .

2. Диэлектрические потери увеличиваются с ростом частоты пропорционально f.

3. Потери на излучение. В двухпроводных линиях эффект излучения очень значительный. Мощность излучения пропорциональна квадрату f².

Некоторые примеры:

В двухпроводных линиях при l = 1м и короче потери такие большие, что их нецелесообразно применять.

В коаксиальном кабеле на l = 3м затухание в среднем 0.2 дБ/м, а на

l = 10 см затухание 2 дБ/м .

Достоинства волноводов:

1. Простота и жесткость конструкции.

2. Отсутствие диэлектрических потерь в полых волноводах.

3. Фактор потерь на излучение исключается, так как система закрыта.

 

Особенности направляемых электромагнитных волн

 

В любой направляющей системе, ориентированной вдоль оси Z, распространяются разные типы (моды) плоских электромагнитных волн, отличающиеся друг от друга продольным волновым числом g .

 (1)

где : F (x,y.z) любая компонента напряженности электромагнитного поля (E_x, E_y, E_z, H_x, H_y, H_z)

g - продольное волновое число

 (2)

k_s – поперечное волновое число, разное для различных типов волн.

k – волновое число в свободном пространстве

 , l - длина волны генератора.

k_s – называют критическим волновым числом, потому что при k < k_{s g} становится чисто мнимым числом, поэтому волна в волноводе отсутствует. Помимо критического волнового числа вводят понятия критической длины волны l _кр и критической частоты f_кр по определению

 (3)

где 

Каждый тип волны имеет свое критическое волновое число k_s, свою критическую длину волны l _кр и свою критическую частоту f_кр .

Из приведенных формул следует, что фазовая скорость V_ф=  всегда больше скорости света С , а групповая скорость   всегда меньше скорости света С . Нетрудно показать, что произведение   .

В произвольных направляющих системах различают 4 класса волн (мод).

1-й класс – Электрические волны Е_z ≠ 0, Н_z = 0 (Е-волны)

2-й класс – Магнитные волны Н_z ≠ 0, Е_z = 0 (Н-волны)

3-й класс – Поперечные волны Н_z = 0, Е_z = 0 (Т-волны) плоская ЭМВ

4-й класс – Гибридные волны Е_z ≠ 0, Н_z ≠ 0 ( характерны для световодов)

Классификация волн позволяет упростить анализ волн в волноводах и записать все составляющие полей через одну продольную составляющую

{ Е_х , Е_у , Н_х , Н_у} = f (Е_z , Н_z )

Любая электромагнитная волна в волноводе может быть представлена в виде линейной комбинации этих типов волн. В волноводах могут существовать только моды Е и Н, в открытых системах и коаксиальном кабеле могут существовать 1,2,3 классы. В диэлектрических направляющих системах, как правило, существуют гибридные волны.

Прямоугольный волновод

Прямоугольный волновод представляет собой полую металлическую трубу прямоугольного сечения (рисунок 2).

Рисунок 2 – Прямоугольный волновод

Моды ЭМВ обозначают с помощью двух индексов m и n . В случае электрических волн (E_mn), в случае магнитных волн (H_mn).

Е – волны в прямоугольном волноводе ( Е_z ≠ 0, Н_z = 0)

Решая граничные задачи в прямоугольном волноводе для волн типа Е_mn , с граничным условием равенства нулю касательной составляющей на поверхности волновода Еt = 0 имеем :

   (4)

 

где : m – число полуволн вдоль оси х

n – число полуволн вдоль оси y

 - характеристическое сопротивление в случае Е-волн

Если m = 0 и n = 0, то E_z = 0 - поля в волноводе нет . Основная волна Е₁₁ .

Н – волны в прямоугольном волноводе (Н_z ≠ 0, Е_z = 0)

Решая граничные задачи в прямоугольном волноводе для волн типа Н_mn , с граничным условием равенства нулю касательной составляющей на поверхности волновода Еt = 0 имеем :

   (5)

 

 - характеристическое сопротивление в случае Н-волн

 - продольное волновое число

 - поперечное волновое число

,  ,   ,   ,  ,  ,

 ,   ,   ,   (6)

 - волновое число в свободном пространстве

В случае Н-волн в прямоугольном волноводе индексы m и n одновременно не могут быть равны 0 . Минимальные значения индексов m и n в случае Н_mn

m = 1, n = 0 . Основная волна в прямоугольном волноводе Н₁₀ .