Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Конспект лекций Электродинамика и РРВ

.pdf
Скачиваний:
374
Добавлен:
10.05.2015
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

Лекция № 14. Локально плоские волны и геометрическая оптика

Если фронт волны, представляющий собой некоторую поверхность ϕ(x, y, z) = const, в малой области пространства близок к плоскому, волну называют

локально плоской.

Будем рассматривать некоторое электромагнитное поле, напряженность которого характеризуется комплексными амплитудами

Em = E e−iϕ , Hm =H e−iϕ .

(1)

Если компоненты векторов E и H изменяются в зависимости от коор-

динат значительно медленнее, чем ϕ, то в уравнениях Максвелла при

jст = 0

 

m

можем записать

×Em = ×(E e−iϕ )= e−iϕ ×E + ( e−iϕ ×E )= e−iϕ ×E −ie−iϕ ( ϕ×E ).

Аналогично

×Hm = e−iϕ ×H −ie−iϕ ( ϕ×H ).

Уравнения Максвелла примут вид

×H + i(H × ϕ)= iωεε0E,

×E −i( ϕ×E )= −iωµµ0H.

Чем медленнее меняются компоненты векторов E и тем с большим основанием можно в (2) пренебречь членами приводит к уравнениям

H × ϕ = ωεε0E,

ϕ×E = ωµµ0H.

(2)

Hв пространстве,

×E и ×H . Это

(3)

Заметим, что в случае плоской однородной волны эти уравнения переходят в такие соотношения

H ×k = ωεε0E, k ×E = ωµµ0H.

Как видно из (3), векторы E ,H и ϕ взаимно перпендикулярны и образуют правую тройку векторов: такую же тройку образуют векторы Е, Н и ϕ. Это значит Е и Н синфазны, а рассматриваемое поле есть волна с фронтом ϕ = const. Вектор Пойтинга П = Е х Н направлен, как ϕ, т.е. по нормали к фронту. Очевидно, что орт нормали ν0 есть

ν0 = ϕ/

 

ϕ

 

.

(4)

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1

 

нение

Для функции ϕ, которая называется эйконалом, из (3) получается урав-

 

( ϕ×E )× ϕ= k2E , ϕ×( ϕ×H )= k2H .

 

 

 

(5)

 

Среда предполагается изотропной, но может быть неоднородной. При-

меняя формулу

 

 

 

A ×(В×С) = В(А С)−С(А В)

 

к одному из равенств (5), например первому, получим

 

 

 

( ϕ)2 = k2 .

(6)

Найденное соотношение называется уравнением эйконала. В декартовых координатах оно принимает вид

 

∂ϕ 2

 

∂ϕ 2

 

∂ϕ 2

= k

2

.

(7)

 

 

+

 

+

 

 

 

∂x

 

∂y

 

∂z

 

 

 

 

Уравнение эйконала есть основное уравнение геометрической оптики. Учитывая (6), из (4) имеем

ϕ = ν0

 

ϕ

 

= ν0k = k ,

(8)

 

 

где k - волновой вектор. Взяв некоторую локальную систему координат, имеем

e−iϕ = exp −iϕ(0)+ i

∂ϕ

 

 

v +... ≈ e−iϕ(0)e−ikv ,

 

 

∂v

 

ν=0

 

 

где множитель exp(-iϕ(0)) можно рассматривать в качестве неопределенного коэффициента. Это значит, что согласно предыдущему

Em = E e−ikv , Hm

=H e−ikv ;

 

Em = Z (Hm × ν0 ),

 

(9)

Z =

µµ0 .

 

 

εε0

Мы видим, что локально волновой процесс описывается как плоская однородная волна.

В геометрической оптике поверхности ϕ = const рассматриваются как ортогональные поверхности к семействам лучей (рис 2б). В силу (8)

∂ϕ

= k =

ωn.

(10)

∂ν

 

c

 

Поэтому, интегрируя вдоль луча от А до В, получаем следующее выражение оптической длины данного отрезка луча:

∫B kdν =

ω∫B ndν = ϕ(B) − ϕ(A).

(11)

A

c A

 

Это разность фаз начальной и конечной точек. В случае однородной среды (n = const)

ϕ(B) −ϕ(A) = kd =

ωnd ,

(12)

 

c

 

где d – длина пути вдоль луча.

Лучи являются внутренними (силовыми) линиями градиента эйконалаϕ, а следовательно, и вектора Пойтинга П. Поэтому их естественно наносить с густотой, отражающей интенсивность, а точнее, модуль плотности потока энергии П.

Рассмотрим определенный интеграл

 

∫B ϕ dl = ϕ(B) − ϕ(A).

(13)

 

A

 

 

Если путь интегрирования не совпадает с лучом (рис 1в), то

 

B

B

B

 

∫ ϕ dl = ∫k dl =

ω∫ncosαdl ,

 

A

A

c A

 

где cosα = ν0τ0 (ν0 и τ0 - касательные орты для пути интегрирования и луча соответственно). Взяв, в частности, путь интегрирования вдоль луча, следует положить cosα = 1. Но интеграл (13) от пути не зависит, поэтому

∫B ncosαdl = ∫B ndl.

A A

Существование множителя cosα ≤1 может привести только к уменьшению интеграла слева. Убрав его, имеем

B

B

 

∫ndl ≥ ∫ndν,

(14)

A

A

 

B B

т.е. ∫ndν = min ∫ndl.

A A

Полученное соотношение есть математическая запись принципа Ферма: из всех возможных линий, соединяющих точки А и В, луч – это такая линия, вдоль которой оптическая длина минимальна.

Распространение локально плоских волн в неоднороных средах описывается при помощи криволинейных лучей (рис 2). Здесь имеем среду, оптическая плотность которой меняется в направлении оси Z. Рассмотрим два положения фронта локально плоской волны ϕ1 и ϕ2 (рис 3).

Рис. 2

Рис. 3

При данном смещении фронта на разных уровнях будут пройдены раз-

ные пути. В частности пути ∆l1 и ∆l2 (вдоль лучей ν1 и ν2) равны

∆l1 = cωτ , ∆l2 = n + dϕcτ∆z +..., dz

где τ - время смещения фронта волны. Дело в том, что на нижнем уровне фазовая скорость есть v(z) = c/n, а при вычислении v(z + ∆z) необходимо учесть приращение показателя преломления. Из подобия треугольников на рис 3

∆l2 − ∆l1

 

∆l2

,

∆z /sin ϑ

 

R

 

где R – радиус кривизны луча. Отсюда с учетом выражений ∆l1 и ∆l2 получаем

R = lim

∆z / sin ϑ

=

−n / sin ϑ

, т.е.

R =

−n

.

(15)

1− ∆l1 / ∆l2

dn / dz

(dn / dz)sin ϑ

∆z→0

 

 

 

 

 

Рассмотрим следствия из формулы (15). При переходе к однородной среде ( dn / dz → 0 ) согласно (15) R → ∞: радиус кривизны неограниченно возрастает, т.е. луч становится прямым.

В силу записи формулы (15) радиус кривизны R считается положительным, если кривая (луч) обращена выпоклостью в сторону возрастания z. Поэтому луч уклоняется вниз при уменьшении показателя преломления с высотой и вверх – при увеличении. На рис 2. Эти случаи соответствуют зонам z < z’ и z > z’.

Искривление лучей, описывающих распространение локально плоских электромагнитных волн в неоднородных средах, обычно называется рефракци-

ей.

О пределах применимости геометрической оптики

Переход от уравнений Максвелла к уравнениям (3) и, далее, к уравнению эйконала (6) был проведен в предположении, что

 

 

 

×E

 

 

 

 

<<1,

 

 

 

×H

 

 

 

 

<<1,

(16)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ×E

 

 

 

 

H × ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×E

 

 

 

<<1,

 

 

 

 

 

 

×H

 

 

 

<<1.

(17)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωµ0

 

µH

 

 

 

 

 

ωε0

 

εE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проще всего воспользоваться этими неравенствами, когда некоторое поле Е, Н уже известно и представлено в форме (1). Тогда можно сказать, правомерно ли трактовать поле с позиции геометрической оптики.

Неравенства (16), (17) дают информацию о допустимой быстроте изме-

нения векторных амплитудных коэффициентов E и H в представлении (1). Перепишем (17) в форме:

λ ×E

<<1,

λ ×H

<<1

(18)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π Z

 

H

 

2π Z −1

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(проницаемости считаем вещественными); величины Z и λ = 2π/k определяем обычным образом, но полагаем изменяющимися в пространстве вместе с ε и µ.

Поскольку в числителях (18) фигурируют первые производные компо-

нент E и H по координатам, то неравенства (18) будут заведомо выполнены, если

1 1

∂e

λ

<<1,

1 1

 

∂h

λ

<<1,

(19)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π Z

 

h

 

∂ξ

2π Z −1

 

e

 

∂ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где е и h – любые компоненты та. Заметим, что (де/дξ)λ и (дh нии λ.

E и H , а ξ - любая пространственная координа- /дξ)λ это приращения величин е и h на расстоя-

Требуемое слабое изменение поля мыслимо только при соответственно слабом изменении свойств среды. Таким образом, в случае неоднородных сред представления геометрической оптики применяют, когда относительные изменения ε и µ на расстояниях порядка длины волны малы.

Лекция № 15. Электромагнитные волны в продольно–однородных

структурах

Рассмотрим решения однородного скалярного уравнения Гельмгольца

2um + k2um = 0

(1)

для пространственной структуры, которая является однородной в направлении z, т.е. все ее сечения плоскостями z = const тождественны. Примеры таких структур показаны на рис.1.

Рис. 1

Функция u рассматривается внутри и (или) вне обобщенного цилиндра (а) или при наличии нескольких аналогичных подобластей (б). Параметр k может принимать разные постоянные значения в подобластях, на их границах um удовлетворяет некоторым условиям. Например, могут рассматриваться ре-

шения уравнения (1) внутри цилиндрической области (рис.1а) при граничном условии um = 0 .

Предположим, что решение um можно представить в виде произведения

двух неизвестных функций

разных аргументов: um (x, y, z) =T (x, y) Z (z) . В ре-

зультате подстановки этого представления в (1), получаем:

 

Z (

∂2

+

 

∂2

+ k

2

)T

+

∂2 Z

T = 0.

 

∂x2

 

∂y2

 

∂z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разделим все члены на TZ и введем обозначение

 

 

 

 

 

 

2 =

 

∂2

+

 

∂

2

.

 

 

(2)

Теперь имеем

 

 

 

 

 

∂x2

 

∂y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ∂2Z

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( T

+ k T ) +

 

 

∂z2 = 0.

(3)

 

 

 

T

 

Z

Говорят, что в этом равенстве разделены переменные: оба слагаемых – функции разных аргументов. Поэтому, в частности, изменяя z, нельзя повлиять на первый член, и он наверняка сохраняет при этом постоянное значение. Но

ввиду равенства (3) это означает, что остается постоянным и второй член, т.е. он равен некоторой константе. Обозначим ее -Г 2, т.е. Z”/Z = -Г 2. Мы видим, что первый член равен противоположной константе - Г2. Таким образом, от (3) приходим к двум независимым уравнениям.

d 2Z

+ Г2Z =0;

(4)

d z2

 

 

2 T +χ2T = 0; χ2 = k2 −T 2 .

(5)

Если решения Z и T найдены, то тем самым найдено и решение первоначального уравнения Гельмгольца u = TZ. Использованный прием называется

методом разделения переменные.

Вид решений обыкновенного дифференциального уравнения (4) хорошо

известен: Z = Ae−iГz + BeiГz , где A и В - неопределенные коэффициенты. Поэтому

um = AT (x y )e −iГz + BT (x y )eiГz .

(6)

По форме два члена решения – не что иное, как комплексные амплитуды волн. Поскольку они зависят от поперечных координат x, y, то эти волны – неоднородные. Величина Г называется продольным волновым числом, а также по-

стоянной распространения. Введенный параметр χ называют поперечным волновым числом.

Можно сказать, что трехмерную задачу о распространении волн в про- дольно-однородной структуре мы свели к рассмотрению двумерного уравнения Гельмгольца. При этом неизвестна не только функция T(x, y), но и параметр χ2. Само по себе уравнение (5) не имеет определенных решений. Необходимо поставить краевую (граничную) задачу. Пусть, например, L - контур поперечного сечения цилиндра на рис. 1а. Первый краевой задачей для двумерного уравнения Гельмгольца называют следующую:

2 T +χ2T = 0 , T = 0 на L .

(7)

Пусть, эта задача внутренняя (т.е. Т ищется цилиндра). Тогда она имеет бесконечное множество решений {Tn}, каждое из которых реализуется при определенном значении параметра χ2. Решения Tn называются собственными функциями, а соответствующие им значения χn2 параметра χ2 - собственными значениями. Нумерация производится в порядке неубывания собственных значений: χ12 ≤χ22 ≤.... Если разным собственным функциям соответствует оди-

наковые собственные значения, то последние называются вырожденными.

Вторая краевая задача для уравнения (5):

2 T +χ2T = 0, ∂T ∂ν = 0 на L .

(8)

Эта задача также порождает систему собственных функций,

которым

отвечают собственные значения.

 

Умножим обе части уравнения (5) на Т* и проинтегрируем по поперечному сечению S цилиндра (рис. 1а).

 

 

2

 

*

+ χ

2

 

T

 

2

 

 

 

 

∫

 

( T

)T

 

 

 

 

d S .

 

 

 

 

 

 

S

Т.к. согласно двумерному аналогу теоремы Грина

∫T * 2 TdS = ∫T * ∂∂νT dl − ∫ T * TdS = − ∫ T 2 dS,

S

L

S

S

то можем получить следующее интегральное соотношение, определенное как для первой, так и для второй краевой задачи

 

∫

 

T

 

2 dS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

χ2 =

S

 

 

 

 

 

 

.

(9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

T

2 dS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

Отсюда следует, что собственные значения рассматриваемых задач неотрицательны.

Если фигурируют несколько подобластей (рис. 2б) и для каждой из них k принимает свое значение ki, то соответственно этому в (5) возникают разные поперечные волновые числа

χi2 = ki2 − Γ2 .

(10)

Постоянная распространения Г является общей для всей продольно– однородной структуры: в противном случае было бы невозможно связать решения в подобластях граничными условиями на поверхностях их раздела.

Общее представление поля в продольно-однородных структурах

Рассмотрим структуры (рис. 2), имеющие важное практическое значение. Это различные полые волноводы (рис. 2а) – металлические трубы того или иного поперечного сечения; диэлектрические волноводы (рис. 2б); открытые и замкнутые структуры с несколькими металлическими элементами (рис. 2в) и ряд других, включая линии передачи, используемые в так называемых инте-

гральных схемах (ИС) СВЧ (рис. 2г).

Рис. 2

Любая из компонент векторов Em и Hm , свободного электромагнитного

процесса в продольно–однородной структуре может быть представлена в виде

(6). Рассматривая волны одного направления, оставим первый член суммы (т.е. положим B = 0). Таким образом, векторы Em и Hm выразим в следующем виде:

Em = E (x, y)e−iГz , Hm =H (x, y)eiГz .

(11)

Подстановка (11) в однородные векторные уравнения Гельмгольца приводит к двумерным уравнениям

2 E + χ2E = 0,

2H + χ2H = 0,

(12)

 

 

 

где χ2 = k 2 − Г 2.

Если имеется несколько однородных областей i с разными свойствами, то столько же раз пишутся уравнения, причем χ2i = ki2 − Гi2.

Следующий шаг – использование однородных (jстm = 0) уравнений Мак-

свелла, которые записываются в координатной форме. При этом учтем, что поскольку продольная зависимость всех компонент поля описываются множителем exp(-iГz), дифференцирование по z сводится к умножению на -iГz. Итак, имеем следующие шесть скалярных уравнений:

∂H mz

 

+ iГH my = iωε0εEmx ,

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−iГH mx

−

 

∂H mz

= iωε0εEmy ,

(13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

∂H my

 

−

∂H

mx

 

= iωε0εEmz .

 

∂x

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

∂Emz

+iГE

= −iωµ

µH

mx

,

 

 

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

my

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−iГE

mx

−

∂Emz

= −iωµ

µH

my

,

(14)

∂x

 

∂Emy

 

 

 

0

 

 

 

 

 

−

∂E

= −iωµ0µHmz

,

 

 

 

 

 

 

mx

 

 

 

∂x

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим первое уравнение (13) и второе (14). Они представляют со-

бой систему линейных уравнений относительно двух компонент

Emx и Hmy .

Решая ее, найдем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂Emz

 

 

 

 

 

Hmy = −iГ2

 

∂Hmz

+

ωε0ε

 

.

 

(15а)

 

 

 

 

χ

 

∂y

 

Г ∂x

 

 

 

 

 

Аналогично находим второе решение