Материал: Электромагнитные волны и колебания в устройствах СВЧ. Филатов И.А

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