- •Лекции по курсу «Электродинамика и распространение радиоволн»
- •Лекция 9
- •Примеры линий передачи
- •Лекция 10
- •Распространение между двумя проводящими плоскостями
- •Падение плоской волны с параллельной поляризацией
- •Падение плоской волны с перпендикулярной поляризацией
- •Классификация направляемых волн
- •Фазовая скорость направляемых волн
- •Типы волн в волноводах
- •Критическая длина волны
- •Связь между продольными и поперечными составляющими поля
- •Лекция 11
- •Прямоугольный металлический волновод
- •Постановка задачи
- •Волны типа е в прямоугольном волноводе
- •Вычисление критической длины волны и длины волны в волноводе
- •Лекция 12
- •Волны типа н в прямоугольном волноводе
- •Волна типа
- •Лекция 13
- •Токи на стенках прямоугольного волновода
- •Излучающие и неизлучающие щели
- •Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода из условия одноволновой передачи
- •Волноводы п- и н-образной формы
- •Характеристические сопротивления волноводов
- •Круглый металлический волновод
- •Постановка задачи
- •Волны типа е в круглом волноводе
- •Волны типа н в круглом волноводе
- •Лекция 14
- •Линии передачи с волнами тем
- •Коаксиальная линия передачи
- •Волновое сопротивление
- •Полосковые линии передачи
- •Симметричная полосковая линия
- •Несимметричная полосковая линия
- •Лекция 15
- •Микрополосковая линия
- •Щелевая полосковая линия
- •Линии поверхностной волны
- •Световоды
- •Квазиоптические направляющие системы
- •Замедляющие системы
- •Объемные резонаторы
- •Объемный резонатор, образованный отрезком прямоугольного волновода
- •Общая задача о колебаниях в прямоугольном резонаторе. Классификация типов колебаний
- •Круглые объемные резонаторы
- •Некоторые способы возбуждения и включения объемных резонаторов
- •Добротность объемных резонаторов
- •Некоторые другие типы объемных резонаторов
- •Лекция 16
- •Решение неоднородных уравнений Максвелла
- •Векторный и скалярный потенциалы электромагнитного поля
- •Калибровка потенциалов. Неоднородное уравнение Гельмгольца
- •Решение неоднородного уравнения Гельмгольца
- •Элементарный электрический излучатель
- •Векторный электрический потенциал для элементарного электрического излучателя
- •Составляющие электромагнитного поля
- •Ближняя и дальняя зоны элементарного электрического излучателя
- •Диаграмма направленности элементарного электрического излучателя
- •Вычисление излученной мощности. Сопротивление излучения
- •Понятие о магнитном токе
- •Принцип перестановочной двойственности
- •Элементарный щелевой излучатель
Коаксиальная линия передачи
Из числа линий передачи с волнами ТЕМ
в технике СВЧ чаще всего используется
коаксиальная линия передачи, которая
представляет собой систему из двух
соосных металлических цилиндров с
радиусами
и
,
разделенных слоем диэлектрика (рисунок
Рисунок 34 ). Для конкретности будем
полагать, что диалектрик не обладает
собственными магнитными свойствами
(
),
тепловые потери в нем отсутствуют (
),
в то время как относительная диэлектрическая
проницаемость его равна
.
Анализировать структуру поля в данном
устройстве целесообразно в цилиндрической
системе координат (
,
,
).
Ввиду полной симметрии поперечного
сечения данного волновода, будем искать
составляющие электромагнитного поля
волны ТЕМ, удовлетворяющие следующим
условиям: а) поле симметрично по координате
,
т. е.
;
б) составляющие поля зависят только от
координаты
.

−Поперечное сечение коаксиальной линии передачи.
Поскольку распределение электрического
поля в поперечной плоскости коаксиальной
линии передачи, работающей на волне
типа ТЕМ, должно повторять структуру
поля в цилиндрическом конденсаторе,
приходим к выводу, что единственной
составляющей электрического вектора
здесь служит составляющая Е. Для
нахождения конкретного вида зависимости
будем считать, что напряжение (разность
потенциалов) между внутренним п внешним
проводниками равно
.
Тогда должны быть справедливы следующие
соотношения:
.
Из первого соотношения, а также из
формулы для вычисления операции
дивергенции в цилиндрической системе
координат следует, что составляющая
должна удовлетворять соотношению
,
откуда с точностью до произвольной
постоянной
![]()
![]()
Постоянную
следует выбирать так, чтобы выполнялось
второе равенство в предыдущей системе
уравнений. Окончательно получим

Комплексная амплитуда вектора Е бегущей волны запишется следующим образом:

Принципиальной особенностью коаксиальной
линии передачи является то, что ток в
ней идущий от генератора к нагрузке по
внутреннему цилиндру, возвращается в
генератор по наружному проводнику. В
силу этого нетрудно понять, что силовые
линии магнитного вектора в пространстве
между цилиндрами имеют такой же вид,
как и в случае протекания тока по
одиночному цилиндрическому проводнику,
т. е. представляют собой концентрические
окружности; в цилиндрической системе
координат вектор
имеет при этом единственную составляющую
(рисунок Рисунок 35 ). Амплитудное значение
напряженности магнитного поля легко
может быть найдено через характеристическое
сопротивление волны ТЕМ:

Соответствующая комплексная амплитуда принимает вид
.



−Структура электромагнитного поля волны типа ТЕМ в коаксиальной линии передачи
Волновое сопротивление
Зная комплексные амплитуды электрического
и магнитного полей в коаксиальной линии
передачи, можно вычислить мощность
электромагнитного поля, переносимую
вдоль оси
:

Подставляя сюда выражения для комплексных амплитуд поля и проводя интегрирование, получаем
,
Вт
Эту формулу можно рассматривать как
выражение для мощности, выделяемой на
некотором резисторе
при подаче на него синусоидального
напряжения
.
Поскольку
,
можно записать
.
Величина
носит название волнового сопротивления
коаксиальной линии передачи и имеет
большое значение при решении вопросов
ее реализации. Это объясняется тем, что
часто используют последовательное
включение линий передачи, обладающих
различающимися параметрами, например,
диаметрами проводников. Естественным
требованием, предъявляемым к стыку двух
линий, является согласование, т. е.
отсутствие отражений от данной
сосредоточенной неоднородности.
Поскольку в плоскости стыка напряжение
есть непрерывная функция координаты
,
мощность может быть целиком передана
из одной линии в другую лишь при условии
согласования:
![]()
Данная формула во многих случаях служит критерием согласования с достаточной для инженерных целей точностью. Приближенность ее заключается в том, что здесь не учитывается изменения структуры поля в непосредственной близости от плоскости скачка геометрических размеров, происходящее за счет возбуждения нераспространяющихся колебаний высших типов.
Возможность использования понятия
волнового сопротивления для линий
передачи с волнами ТЕМ объясняется тем,
что здесь напряжение
,
в отличие от волноводов, может быть
введено однозначным образом. Поэтому
волновое сопротивление полностью
характеризуется геометрическими
параметрами поперечного сечения, а
также диэлектрической проницаемостью
использованного материала.
Отметим также, что волновое сопротивление
линии можно выразить через ее погонную
емкость. В случае ТЕМ-волны в любой
однородной идеальной линии текут только
продольные поверхностные токи. Их
плотность
связана с плотностью поверхностных
зарядов уравнением непрерывности
,
которое можно записать в виде
.
Интегрируя последнее равенство по контуру поперечного сечения проводника, по которому течет рассматриваемый ток, получим
,
где
− комплексная амплитуда заряда на
единицу длины проводника. Учитывая
общее выражение для волнового сопротивления
и определение понятия емкости конденсатора
,
получим
,
где
− погонная емкость линии. В случае
коаксиальной линии
определяется выражением для емкости
цилиндрического конденсатора, которое
получается при рассмотрении задач
электростатики в курсе общей физики:

где
и
− радиусы внешней и внутренней обкладок
соответственно. Подставляя это равенство
в предыдущую формулу для волнового
сопротивления, получим выражение для
волнового сопротивления коаксиальной
линии, аналогичное выведенному выше:
,
так как
(характеристическое сопротивление
свободного пространства), а
,
то
.
