Техническая электродинамика Черенков (Кривець)

Из формулы (2.22) следует, что в среде с потерями фазовая скорость

среды, в которых фазовая скорость плоской волны зависит от частоты, называются диспергирующими. Наличие дисперсии приводит к искажению сигналов, так как при передаче сигналов различные составляющие спектра сигнала распространяются с разными скоростями. Это приводит к изменению спектра сигнала, а значит к искажениям во временной области.

Сравнивая формулы (2.21) и (2.22), видим, что

λ = νф = νфT , f

где Т – перид.

Последнюю формулу часто принимают за определение длины волны. Именно, длина волны равна расстоянию, которое проходит волна (фронт волны) за перид.

Отметим следующее. При рассмотрении электромагнитных волн, распространяющихся в однородных средах длину волны принято обозначать через λ , как это сделано в этом и предыдущем разделах. При рассмотрении электромагнитных волн в направляющих системах, вблизи границы раздела двух сред используется обозначение λв . Величину, равную отношению

скорости света в вакууме к частоте генератора, называют длиной волны генератора и обозначают через

λ0 = 3 108 . f

3. Сдвиг фаз 2δ между векторами E и H приводит к появлению мнимой части в комплексном векторе Пойнтинга:

Действительная часть, т.е. средняя за период плотность потока энергии,

равна

Отметим, что реактивная составляющая вектора Пойнтинга соответствует колеблющемуся потоку энергии, периодически (четыре раза за период) изменяющему направление своего движения.

4. Для характеристики скорости распространения сигнала в среде с потерями вводят понятие групповой скорости. Под групповой скоростью (vгр) понимают скорость распространения огибающей спектра двух гармонических

Пусть волна создается двумя взаимно перпендикулярными вибраторами, которые ориентированы вдоль осей “ x “ и “ y “. В этом случае вектор E

монохроматической электромагнитной волны, создаваемой этими вибраторами на больших расстояниях, может быть представлен в следующем виде:

соотношения амплитуд Еxm и Еym и разности фаз суммируемых волн описывает волну той или иной поляризации: линейной, круговой и эллиптической.

Поляризация волны – характеристика, которая определяет ориентацию вектора E . Если плоскость поляризации со временем вращается по часовой стрелке вокруг вектора П, то волну называют правополяризованной, если против часовой стрелки – то левополяризованной. Конец вектора E при вращении вокруг вектора П в общем случае описывает эллипс. Волны такого типа называют эллиптически поляризованными. Волну, у которой малая ось поляризационного эллипса равна большой оси, называют волной круговой поляризации (с левым или правым вращением), а волну, у которой малая ось поляризационного эллипса равна нулю – волной линейной поляризации.

Запишем выражения для модуля вектора E волны (2.24) и угла θ между

Из выражения (2.26) видно, что в этом случае формула (2.24) описывает линейнополяризованную волну, плоскость поляризации которой составляет угол θ с осью x , величина которого определяется отношением величин Eym и

Еxm.

– циркулятор – трехили четырехплечий узел, пропускающий волну между соседними плечами в определенном направлении. В противоположном направлении волна испытывает большое поглощение.

Ферриты начали применяться в сантиметровом диапазоне волн. Для получения соответствующих эффектов в диапазоне миллиметровых волн нужны сильные магнитные поля порядка 10 МА/м, которые невозможно создать внешними магнитами, имеющими приемлемые размеры. В настоящее время получены ферритовые кристаллы с очень сильными эффективными внутренними магнитными полями (естественной анизотропией), которые работают при отсутствии внешних полей или в слабых полях. Это позволило использовать ферритовые устройства в дециметровом диапазоне. Современные ферритовые устройства занимают диапазон от 20 МГц до 150 ГГц.

Раздел 3

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

ВНАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ

3.1.Типы направляющих систем

Направляемые волны, в отличие от свободно распространяющихся электромагнитных волн, могут существовать только при наличии каких-либо направляющих элементов: металлических, диэлектрических или полупроводниковых поверхностей, трубок, стержней и др.

Устройство, ограничивающее область, в которой распространяются электромагнитные волны, и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении (например, от генератора к антенне), называют линией

передачи (ЛП), волноводом или направляющей системой (НС).

Регулярной линией передачи называется такая линия, характеристики которой (форма поперечного сечения, параметры среды) не зависят от продольной координаты z.

Все линии передачи можно разделить на линии передачи открытого типа (двухпроводная линия, однопроводная линия, диэлектрический волновод, световод, волноводы поверхностной волны, линзовые и зеркальные системы) и линии передачи закрытого типа (коаксиальный волновод (кабель), прямоугольный, круглый, эллиптический волноводы и др.).

В качестве примеров на рис. 3.1. приведена двухпроводная линия, на рис. 3.2. – диэлектрический волновод, на рис. 3.3. – коаксиальный волновод (коаксиальный кабель), а на рис. 3.4. – прямоугольный волновод.

z

D

Рисунок 3.1 – Двухпроводная линия

Рисунок 3.4 – Прямоугольный волновод

По выполняемым функциям направляющие системы разбивают на две группы: фидеры и линии дальней связи. Фидеры служат для передачи энергии между блоками аппаратуры, находящимися на сравнительно небольшом расстоянии: внутри усилителя или ЭВМ, между антенной и передатчиком или приемником. Линии дальней связи применяются для передачи электромагнитных сигналов на значительные расстояния (между городами, странами). Аналогичные функции выполняют линии радиосвязи, но в этом случае электромагнитная волна распространяется в свободном пространстве и поперечные размеры ее поля не ограничены.

Направляющие системы должны удовлетворять ряду технических требований. Основными из них являются следующие:

−малый коэффициент затухания, обеспечивающий высокий КПД фидера, либо достаточный уровень сигнала для качественного приема на конце участка линии связи;

−обеспечение заданной передаваемой мощности, что существенно для мощных фидеров. При этом не должен возникать электрический пробой и температурный перегрев фидера;

−экономическая целесообразность, определяемая малым весом, умеренными поперечными размерами, простотой конструкции, технологичностью выполнения и т.п.

Не существует универсальных НС, удовлетворяющих поставленным требованиям во всех диапазонах частот. Основное противоречие заключается в том, что коэффициент затухания НС обычно растет с ростом частоты. Освоение каждого нового участка частотного спектра сопровождается созданием новых типов НС, использование которых позволяет продвинуться по шкале частот при достаточно небольших значениях коэффициента затухания.

НС различных типов используются в различных частотных диапазонах. От постоянного тока до сотен мегагерц используются двухпроводные и коаксиальные линии. Полые металлические волноводы различных сечений используются от гигагерц до терагерц, волноводы поверхностной волны – от десятков мегагерц до тысяч терагерц. Световоды, линзовые и зеркальные системы используются в субмиллиметровом и оптическом диапазонах.

3.2. Классификация направляемых волн

Направляемыми или собственными волнами НС называются такие электромагнитные волны, структура поля которых не меняется по мере движения волны. Структура поля определяется поведением векторов электромагнитного поля в пространстве.

Собственные волны в НС принято классифицировать по величине фазовой скорости и по структуре векторов E и H .