Материал: Электромагнитные волны и колебания в устройствах СВЧ. Филатов И.А
Направление силовых линий можно установить на
основании равенства П [EH ] . Для этого достаточно
задаться направлением двух любых векторов произвольно, поскольку структура поля волны рассматривается для какогото одного текущего момента времени, а направление третьего вектора определить, используя данное соотношение.
Через V ГР на рис. 14 обозначен вектор групповой скорости, т.е. скорости распространения электромагнитной
энергии по волноводу. Векторы П и V ГР при рассмотрении структуры поля можно считать одинаково направленными. В
действительности V ГР совпадает по направлению с проекцией
П Z вектора П (рис. 9).
8. Непосредственно из полученной картины поля
можно найти закон изменения составляющих Е и Н вдоль оси волновода и его поперечных размеров. Для этой цели удобнее воспользоваться перемещением витка, установленного так, что его плоскость перпендикулярна соответствующим силовым линиям. Например, перемещение витка в направлении MN показывает, что Н ПОПЕР так же, как и E , имеет максимальное значение в середине широкой стенки волновода. Графики изменения E , Н ПОПЕР , H ПРОД и
токов iПОПЕР , iПРОД приведены на том же рис. 14.
О величине Н ПОПЕР и H ПРОД при обходе по какомулибо контуру, совпадающему с одной из магнитных силовых линий, можно судить и по количеству электрических силовых линий, охватываемых этим контуром. К примеру, напряженность магнитного поля в точках контура 1 больше напряженности в точках контура 2, так как последний охватывает меньшее число электрических силовых линий. Это можно объяснить и тем, что линия 1 расположена ближе к узким стенкам волновода, по которым протекают высокочастотные токи.
68
Из рис. 14 видно, что все составляющие поля изменяются по гармоническому закону, что связано с возбуждением волновода сигналом синусоидальной формы.
9. Характер распределения электромагнитного поля вдоль оси волновода и размера а можно определить по фазовым соотношениям составляющих поля, расположенных в плоскости, перпендикулярной исследуемому направлению. В частности, вдоль оси волновода распределение поля носит характер чистых бегущих волн, поскольку фазовый сдвиг между Е и Н ПОПЕР равен нулю. В то же время распределение поля вдоль размера а имеет характер стоячей волны, так как Е и Н ПРОД сдвинуты по фазе на 90˚, что подтверждает правильность построения картины электромагнитного поля.
Заметим, что длина волны в волноводе в за счет
зигзагообразного распространения волн между его стенками всегда больше длины волны колебаний , распространяющихся в свободном пространстве.
10. Двухпроводная линия с металлическими изоляторами, эквивалентная прямоугольному волноводу при волне Н 10 , показана также на рис. 14.
Структура токов в стенках волновода изображена на рис. 15. Кажущийся разрыв линий тока на самом деле отсутствует, поскольку они замыкаются через токи смещения.
69
Рис. 15 Знание структуры токов в стенках и внутренней
полости волноводов необходимо для правильного их конструирования и использования. Например, при работе волновода на волне Н 10 требуется обеспечение хорошего
электрического контакта в углах волноводного устройства, где протекает ток iПОПЕР .
В середине широкой стенки течет ток iПРОД . Поэтому
здесь допустимо наличие узкой продольной щели, поскольку она будет параллельна линиям тока и в связи с этим не нарушит нормальной работы волновода.
Размер а волновода может быть больше 2 , но не
должен превышать , так как это приведет к образованию волны Н 20 . Размер в можно изменять в более широких пределах, потому что поле вдоль него остается постоянным.
Однако при малых значениях в |
возможен пробой волновода, а |
|||||
при в |
2 |
- образование волны Н11 . Отсюда следует, что при |
||||
|
|
|
|
|
|
|
0 в |
2 |
и |
2 |
a |
в |
волноводе с прямоугольным |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
70 |
|
сечением будет распространяться только волна Н 10 . Обычно выбирают a 0.7 , в (0.3 0.35) .
Картины полей волн Н 20 (рис. 16а), H 30 и вообще H m0 представляют собой по существу картину поля волны Н 10 ,
повторенную соответствующее число раз; при этом сдвиг фаз в соседних ячейках поля составляет 180˚. На рис. 16б изображена двухпроводная линия, эквивалентная волноводу при волне Н 20 .
Повернув на 90˚ картину поля волны H m0 , получим
поле волны Н 0n , n 0 .
Структура поля значительно усложняется, если имеются стоячие волны вдоль обеих сторон сечения волновода. Подтверждением тому может служить волна типа Н11 , картина поля которой показана на рис. 17. Здесь, как и
раньше, электрические силовые линии изображены сплошными, а магнитные – штриховыми. Последовательность построения картины поля такая же, как и для волны Н 10 .
Повторяя поле волны Н11 несколько раз вдоль одного или обоих размеров сечения волновода, получим поля волн высших порядков: Н12 , Н13 , Н14 , …, Н 21 , Н 31 , …, Н 22 , Н 23 и т.д. В качестве примера на рис. 18а изображена структура поля волны Н 21 , а на рис. 18б – линия, эквивалентная
волноводу.
Характерной особенностью указанных волн высших порядков является наличие отражения от всех четырех стенок волновода, поскольку стоячие волны имеются вдоль обеих сторон его сечения. Следовательно, волну Н11 можно
рассматривать как состоящую из суммы четырех волн типа Т, попарно отражающихся от противоположных граней волновода.
71
Рис. 16
72