Глава 4 Направляющие системы и направляемые электромагнитные волны

4.1.КЛАССИФИКАЦИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ И НАПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Важнейшей проблемой в теории электродинамики является распространение энергии электромагнитных волн без затухания в средах, содержащих взаимосвязанную систему проводников и диэлектриков. По данным системам возможно распространение так называемых направляемых волн. Устройства, в которых распространяются направляемые волны, получили название направляющих систем. Направляющие системы предназначены для передачи энергии электромагнитных волн от генератора к потребителю, поэтому на практике их также называют линиями передачи, которые у специалистов связи ВМФ РФ называются фидерными (от английского слова – передавать) линиями [1-6].

Конструктивное исполнение линий передачи отличается широким разнообразием. Однако классификацию направляющих систем проводят по способу формирования электромагнитного поля в окружающем линию передачи пространстве. Установлено два типа линий передачи: открытого и закрытого [1-12]. Для открытого типа линий передачи энергия электромагнитных волн зани-

мает все пространство, окружающее линию. Наиболее понятным примером линии открытого типа может являться воздушная двухпроводная линия. На

d

α

Рис. 4.1

рисунке 4.1 представлена воздушная двухпроводная линия с диаметром α для каждого проводника и расстоянием d между ними.

Для закрытого типа линий передачи энергия электромагнитных волн при распространении занимает ограниченное пространство, окружающее линию. Примером может стать экранированная двухпроводная линия, приведенная на рисунке 4.2. Распространяющаяся волна ограничена экраном. К закрытого типа

_ЭКРАН

Рис. 4.2

линиям относятся: коаксиальные, экранированные двухпроводные и четырехпроводные, волноводные линии различных профилей [1-6].

Направляющая система в зависимости от конструктивных особенностей формирует волну, соответствующую параметрам этой системы. На основе существующих конструктивных особенностей в настоящее время направляемые волны в линиях передачи классифицированы как:

- поперечная волна (обозначаются как ТЭМ волна);

- поперечная электрическая волна или магнитная волна (обозначается

как ТЕ волна;

- поперечная магнитная волна или электрическая волна (обозначается

как ТН волна);

- комбинированная волна.

Структура поля ТЭМ волны

Поперечная волна имеет только поперечные составляющие поля, то есть векторы поля Е и Н расположены в плоскости, поперечной к направлению распространения волны, и не имеют так называемых, продольных, то есть нет векторов поля совпадающих с направлением распространения волны. Пусть векторы поля (рис.4.3) лежат в поперечной плоскости, причем вектора не совпадают с осями Х и У. Следовательно, векторы поля будут иметь проекции на оси Х и У, то есть Е_х и Е_у, Н_х и Н_у. В то же время проекций Е_z и Н_z не будет существовать.

х

Е_х Е

Н_х

Н Е_у z

у Н_у

Рис. 4.3

На основании рисунка 4.3 существует поперечная волна в направляющей системе, которая называется ТЭМ волной. Описание ТЕМ волны, как правило, дается условием E_x ≠ 0; E_y ≠ 0; Е_z = 0; Н_х ≠ 0; Н_у ≠ 0; Н_z = 0. (4.1)

Таким образом, ТЭМ волна в линии передачи будет существовать и иметь место распространение энергии поля при условии, что поперечные составляющие не равны нулю (E_x,y ≠ 0; H_x,y ≠ 0), а продольные составляющие равны нулю (E_z = 0; Н_z = 0).

Структура поля ТЕ волны

ТЕ волна имеет проекции электрических составляющих только поперечные (Е_x,y ≠ 0; Е_z = 0), поэтому называется поперечной электрической волной. Но может также называться магнитной волной, так как имеет все проекции магнитных составляющих (Н_x,y,z ≠ 0). Несложно понять поляризацию векторов Е и Н при распространении вдоль оси z в линии передачи ТЕ волны. Вектор Е лежит в поперечной плоскости. А вектор Н не совпадает ни с поперечной, ни с продольной плоскостями, поэтому он имеет все проекции, изображенные на рисунке 4.4.

х

Е

Е_х

Н_х

Е_у Н

z

Н_z

Н_у

У Рис. 4.4

Таким образом, ТЕ волна существует и будет иметь распространение энергии поля по направляющей системе при условии, что

Е_х,у ≠ 0; Е_z = 0; Н_х,у,z ≠ 0. (4.2)

Структура поля ТН волны

ТН волна имеет только поперечные проекции вектора Н, то есть Н_х,у ≠ 0 и Н_z = 0, поэтому называется поперечной магнитной волной. Но так как волна имеет все проекции составляющих вектора Е, то есть Е_x,y,z ≠ 0, то она может также называться электрической волной.

Таким образом, условием существования ТН волны в линии передачи является наличие следующих проекций векторов поля:

Е_х,у,z ≠ 0; Н_х,у ≠ 0; Н_z = 0. (4.3)

ТН волна отличается от ТЕ тем, что поменялись местами вектора Е и Н, если рассматривать применительно к рисунку 4.4.

Структура комбинированных волн

Комбинированные (смешанные или гибридные) волны имеют место распространения в линиях передачи, если для векторов поля Е и Н существуют все проекции, то есть как поперечные, так и продольные

Е_х,у,z ≠ 0 и Н_х,у,z ≠ 0. (4.4)

Таким образом, в разделе рассмотрены вопросы классификации направляющих систем и направляемых в них волн, при этом даны конструктивные особенности различных систем, а также приведены типы волн, распространяющиеся по этим системам и условия их существования.