10. Конфигурация силовых линий основного типа поля

Вформулах (3.27), (3.28) индекс «–» в показательной функции соответствует волне, бегущей в направлении +z, а индекс «+» – волне обратного направления. На рис. 3.5 изображен мгновенный «снимок» силовых линий электрического и магнитного полей волныЭлектрическое поле линейно поляризовано вдоль ортамагнитное имеет эллиптическую поляризацию, которая у боковых стенок вырождается в линейную по ортуа при– в линейную по ортуНа верхней и нижней стенках волноводаимеются поверхностные заряды, плотность которыхпропорциональна густоте силовых линий векторав данной точке тонки. По стенкам текут поверхностные токи. Связь между вектороми вектором плотности поверхностного токаопределяется известным граничным условием на поверхности металла:

(3.0)

где – орт, направленный перпендикулярно к поверхности металла (рис. 3.6,б). На рис. 3.6,аизображена мгновенная картина линий вектора плотности поверхностного тока, построенная согласно формуле (3.29). Направление линий тока определяется правилом «правого винта» (рис. 3.6,б).

11. Перенос мощности по волноводу

Использование нормированных собственных функций (3.27), (3.28) позволяет представить реальное поле в волноводе основного типа в следующем виде:

(3.0)

где – безразмерные комплексные амплитуды, соответственно падающей «–» и обратной «+» волн;определяется мощностью генератора, аеще зависит и от согласования волновода с нагрузкой. Средняя за период колебаний мощность, переносимая по волноводу падающей (прямой) и отраженной (обратной) волнами (3.30) определится очевидным образом:

(3.0)

где – площадь поперечного сечения волновода. Таким образом, уровень переносимой мощности по волноводу (3.30) пропорционален квадратам модулей безразмерных амплитуд волн, а нормаNиграет роль параметра, определяющего размерность мощности в ваттах (3.31).

12. Режим бегущей волны

В лабораторной работе исследуется волновой режим в волноводе, связывающем генератор и нагрузку. Рабочая частота выбирается так, чтобы в нем могла распространяться лишь основная мода (одномодовый режим). Если на конце волновода включена, согласованная Нагрузка, то в волноводе присутствует лишь падающая волнас некоторой амплитудойС_–; ее поле можно представить в виде

(3.0)

Модули всех компонент электрического и магнитного полей (3.32) не зависят от z, а их фазы изменяются по линейному закону. Свойствами согласованной нагрузки могут обладать самые различные волновые двухполюсники. В практике измерений на СВЧ согласованные нагрузки обычно представляют собой отрезки волновода с клинообразной поглощающей вставкой из ферроэпоксида.

13. Режим смешанных волн

В общем случае нагрузка, включенная на конце волноводной линии в той или иной мере отражает, так что в волноводе одновременно присутствуют падающая и отраженная волны с амплитудами и(режим смешанных волн). Электрическое и магнитное поля этих волн могут быть записаны в виде формул (3.30). Для удобства, анализа явлений в волноводе целесообразно ввести (аналогично тому, как это сделано в длинной линии, см. 2) обратную продольную координату, отсчитываемую от нагрузки в сторону генератора, выразив координатуzследующим образом:

(3.0)

где – длина волновода от генератора до нагрузки.

Целесообразно также, как это сделано в длинной линии (см. (2.26)), ввести понятие коэффициента отражения от нагрузки:

(3.0)

где – амплитуды падающей и отраженной волн на нагрузке (на конце волновода). Подстановка формул (3.33) и (3.34) в формулы (3.30) позволяет электрическое и магнитное поля представить в следующем виде:

(3.0)

(3.0)

где

(3.0)

(3.0)

где – комплексная амплитуда напряженности электрического поля волновода;– комплексная амплитуда поперечной составляющей вектора напряженности магнитного поля волновода.

Из (3.35)–(3.38) видно, что продольная составляющая вектора напряженности магнитного поля распределена так, как вектор напряженности электрического поля. Сравнивая (3.35) и (3.36) с (2.24) и (2.25), можно обнаружить прямую аналогию в описании волновых явлений волновода и длинной линии.

Функция продольного распределения электрического поля аналогична распределению напряженияв длинной линии. Распределение поперечной составляющей магнитного поля в волноводе (функция) аналогична распределению токав длинной линии. В силу этой аналогии функциииподчиняются тем же закономерностям, которые известны для функцийисоответственно. Все, что сказано о распределении модулейиполностью относится к функциями(наличие максимумов и минимумов, их величины, понятия КБВ и КСВ, их связь с модулем коэффициента отражения, режимы бегущей, стоячей и смешанных волн, понятия условных концов и т. д.). При переходе от длинных линий к волноводам необходимо произвести следующие замены в соответствующих формулах, рисунках, векторных диаграммах, функциях продольного распределения амплитуд и т. п.:

и т. д. Коэффициент отражения в волноводе обладает теми же свойствами, что и коэффициент отражения в длинной линии. Изложенная в 2 методика измерений длины волны, коэффициентов отражения и другое полностью распространяется на волноводы.

Поэтому при подготовке к выполнению данной работы следует подробно ознакомиться с 2. Выражения из 2 перепишутся для волноводов следующим образом:

1) распределение нормированного значения модуля амплитуды электрического поля:

(3.0)

2) распределение нормированного значения модуля амплитуды поперечной составляющей магнитного поля :

(3.0)

3) КБВ, КСВ и модуль коэффициента отражения :

(3.0)

(3.0)

4) расстояние между соседними условными концами волновода:

(3.0)

5) определение фазы коэффициента отражения от нагрузки (см. (1.23)):

(3.0)

где ,– положение условного конца;– положение минимума электрического поля при установке на конце волновода нагрузки.

Формулы (3.39.) – (3.42), (3.44) идентичны формулам (2.32), (2.33). (2.36), (2.37), (1.23).