Плоские электромагнитные волны. Особенности и параметры направляемых волн

1.

Кафедра радиосвязи
ДИСЦИПЛИНА: ЭМП
и В ( Д-1105-1 )
Тема 2. Плоские электромагнитные волны
Лекция 2/5 (№11). Особенности и
параметры направляемых волн
Учебные вопросы:
1. Общие сведения о направляющих системах и
направляемых волнах.
2. Классификация направляемых волн.
3. Условие распространения электромагнитных волн в
направляющих системах.
4. ЭМ поле в неоднородных линиях передачи.

2.

1. Общие сведения о направляющих системах
и направляемых волнах
№2
Кроме свободно распространяющих ЭМ волн существуют
волны, которые распространяются только при наличии какихлибо направляющих систем.
По конструкции направляющие системы или линии передачи
могут быть открытого или закрытого типа.
а
д
б
е
в
ж
г
з
и

3.

Направляющие системы и направляемые волны
№3
Направляющими системами называются устройства, ограничивающие
область распространения ЭМ волн и направляющие основной поток
энергии поля в заданном направлении.
ЭМ волны в направляющих системах называют направляемыми .
Направляющие системы выполняются в виде металлических или
диэлектрических проводников или поверхностей различных
геометрических форм, которые образуют направляющую систему.
В данном вопросе рассмотрим однородные линии
длины.
бесконечной

4.

Принцип формирования направленной
продольной волны
№4
1) При вертикальной поляризации может возникать Ez
2) При горизонтальной поляризации может возникать Hz
а
Вертикальная поляризация
y
Ey
б
Горизонтальная поляризация
y
Hy
E
H
Отраженная волна
Отраженная волна
Ez
Hz
Падающая волна
x=0
Направляющая система
Падающая волна
z
x=0
Направляющая система
z

5.

2. Классификация направляемых волн
По структуре поля ЭМ волны в направляющих системах делят на
поперечные (1-е) и продольные (2,3,4-е).
1. Поперечные ЭМ волны или волны Т (ТЕМ), (Т – первая буква
слова tzansvezs), у которых вектора E , H перпендикулярны
направлению распространения волны.
2. Электрические волны или Е-волны, у которых вектор E имеет как
поперечные, так и. продольную (Ez ≠ 0), но вектор H не имеет
продольной составляющей (Hz = 0).
,
3. Магнитные волны или Н-волны, у которых вектор H имеет как
поперечные, так и продольную (Hz) составляющие, а продольная
составляющая вектора E равна нулю (Ez = 0).
4. Гибридные или смешанные волны, у которых оба вектора E и H
наряду с поперечными имеют продольные
составляющие (Ez и Hz).
.
№5

6.

Типы (Моды) продольных направляемых волн
№6
Е-, Н- и гибридных волн имеют большое
многообразие типов волн, различающихся
структурой поля в поперечном сечении.
Для классификации этих волн вводят двумерную
нумерацию и обозначают Етn, Нтn, ЕНтn,
НЕтn, где m и n – целые числа, зависимые от
числа полуволн, укладывающихся вдоль
поперечных размеров направляющей системы.
Типы этих волн иногда называют модами.
Волну класса ТЕМ можно считать как предельный случай
продольных волн.
Поперечный размер линии первой моды:
h1 = /2

7.

3. Условие распространения электромагнитных
волн в направляющих системах
№7
В однородных линиях распространяется только бегущая волна.
Баланс энергии ЭМ волны вдоль направляющей системы:
y
0
1 , 1 , 1 0
0
в
в
z
2 x 0 Направляющая
система
0
г
г
ЭМ поле не переносит энергии по нормали (оси у), а поэтому
образуется стоячая волна. Энергия переносится только вдоль границы
распространяющей неоднородной волной.
Граница раздела как бы направляет волну.

8.

Особенности и параметры
направляемых волн
№8
Постоянная распространения вдоль координат x, y, z
Из треугольника, получаем:
k , k1 sin ,
2
1
2
2
k1 cos ,
поперечное ( x, y ) волновое число.
продольное (z) волновое число.
Все коэффициенты могут быть комплексными σ = # 0
k
2
1
2
или в общем
При σ = 0 фазовый коэффициент равен
i
k .
2
2

9.

Возможные случаи при распространении
ЭМ волн
1.
2.
3.
k , 0.
k , i .
k , 0.
№9
Волна распространяется.
Волна не распространяется
Режим критический
k 2 ,
k 2 f кр
Для критического случая
.
k
Для критического режима
2
кр
.

10.

Критические частоты в среде без потерь зависят
от длины волны или поперечных размеров линии (h)
1 0,
В линии:
f кр
,
2
n hn n , λ
n
кр
n=1,2,3...
2 ,
№10
k γ .
кр 2 .
.
2h
n
, 2 n .
n
кр
( h1 = λ/2 )
Принято называть основной волной - ЭМ волна, у которой первая
критическая длина волны имеет максимальное значение.
Распространяющиеся волны (рабочие) должны быть меньшими
соответствующих критических длин волн.
р
1
кр

11.

4. ЭМ поле в неоднородных линиях передачи
№11
(В линии конечных размеров существуют:
падающая и отраженная волны)
E ( x) Em
α iβ ik ,
Коэффициент отражения
R
Е(ОТР
х)
ПАД
( х)
Е
,
e Em
ПАД -γx
2
k ,
Z В Л ,
ОТР γx
e
ξ=
λ0
Λ
.
Входное сопротивление
U ( x)
1 R ( х)
Z вх ( х)
л
.
I ( x)
1 R ( х)

12.

Входное сопротивление линии
конечной длины
При
№12
0, 1.
Z ВХ
Z Н i л tg( k )
л л iZ Н tg( k )
.
Короткозамкнутая и разомкнутая линии:
Z
кз
вх
i л tg(kl ) ; Z
хх
вх
i л ctg(kl ).
Такие линии передачи широко применяются в различных
радиотехнических устройствах.

13.

Короткозамкнутая (КЗ) линия
0
z
E
H
t t0
1 0
№13
Em ( z ), H m ( z )
II
I
2
2
z 0
z
Если амплитуды падающей и отраженной волн равны:
E 0.
sin( ) 0, p ,
p p
p .
2
2
p 1, 2,3...,
Em i 2E п sin( z),
Число полуволн из граничных условий:

14.

Типы стоячих волн в короткозамкнутой линии
Em ( z )
2
№14
1 0
p 1
2 z
p 2
z
p 3
z
Короткозамкнутые и разомкнутые линии применяются
в колебательных системах, в элементах антенн,
в переходных устройствах линий передачи.

15.

ВЫВОДЫ
№15
По конструкции направляющие системы или линии передачи могут быть
открытого или закрытого типа. Поле в открытых линиях не экранировано
снаружи и существует в пространстве, окружающем направляющую систему.
Кроме однородных линий передачи существуют линии конечных размеров.
Такие линии широко применяются в различных радиотехнических системах в
качестве элементов фидерных трактов, линейных устройств СВЧ и, в
частности, в качестве колебательных устройств.
В связи с миниатюризацией техники радиосвязи находят применение
полосковые и микрополосковые резонаторы, выполненные на отрезках МПЛ.
Такие резонаторы, так же как и их линии, работают на квази – ТЕМ-волне и
разомкнутые с обоих концов. В отличие от других резонаторов, резонаторы на
МПЛ имеют большое поле излучения, поэтому их добротность относительно
невысокая.