Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч - страница 21

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 

Випадок 3 - нехай K = k . Отже a =0, ( =0, що відпові­дає переходу від хвиль, що поширюються, до хвиль, що не поширюються. Тоді E - та Н -хвилі у будь-якому хвилево­ді можуть бути або такими, що поширюються, або такими, що не поширюються. Належність до того або іншого типу визначається співвідношенням між K і k .

Частота,        яка        визначається        з умови

K = k = скРфйї = 2p їкрФ, є критичною:

4 %   K     • (3-61) Відповідно до даної частоти критична довжина хвилі

Ікр = f = f, (3.62)

де v = 1/у]eаjla - швидкість електромагнітної хвилі у сере­довищі із параметрами eа і \іа, що відповідають парамет­рам діелектричного заповнення хвилеводу. Із (3.61) і (3.62) випливає, що умову поширення хвилі у хвилеводі (k > K)можна подати як f > fKp (l<Ікр). Отже, критичною дов­жиною хвилі називається така довжина хвилі електро­магнітного поля у необмеженому вільному просторі, яка має такі самі параметри, що і діелектрик хвилеводу, при якій відбувається перехід від поля, яке поширюється, до поля, яке не поширюється, і навпаки.

Оскільки кожний конкретний хвилевід має свій спектр значень K , то він має і свій спектр критичних довжин хвиль (критичних частот). Оскільки значення K в задано­му хвилеводі являють собою дискретний ряд чисел, які по­чинаються з мінімального значення K1 і зростають нескін­ченно, то значення Ікр також являють собою безліч дис­кретних чисел, які починаються від максимального зна­чення lкр1 і прямують до нуля, а значення 1кр являють со­бою ряд дискретних чисел, аналогічний до K (рис. 3.19). Як видно із рис. 3.19, при заданій частоті (довжині хвилі у вільному просторі) у хвилеводі існує кінцеве число полів, що поширюються, для яких f > 1кр (l < Ікр ), та нескінчен­не число полів, що не поширюються, для яких f < 1кр

( l > Ікр ).

 

 

0        K,        K2       K3 . . .K  . . .

I____ |_____ її____ |___ I |'| І І___

K

0            . . .   кр' . . .   кр3        кр2 Лкрі

І______________ І____ І____ І__ ►

0 fкрі fкр2 fкр3   ' ' ' f кр '

І____ І____ І____ І___ ................. ►

f

к

Рисунок 3.19 - Діаграма дискретних значень K, l  і fK

 

При виконанні умови1р1< f < 1кр2  ( 1кр2< l < ікрі) (3.63)

у хвилеводі буде поширюватися тільки одна хвиля, у якої

1р=(К=). хвиля має мінімальну критичну ча­стоту (максимальну критичну довжину хвилі) і називається основною хвилею. Співвідношення (3.63) називають умо­вою одиничності основної хвилі.

Як правило, передача енергії по хвилеводу відбуваєть­ся на основній хвилі з виконанням умови її одиничності. Якщо крім основної хвилі можливе поширення і деяких вищих типів хвиль, то між усіма хвилями виникає взаємо­дія, яка приводить до викривлення переданого сигналу. Поряд із цим ускладнюється узгодження хвилеводу із на­вантаженням, оскільки для різних типів хвиль, які поши­рюються, їхні характеристики, такі, як довжина хвилі у хвилеводі, фазова швидкість та інші - різні.

Згідно з (3.61) критична частота, будучи характеристи­кою хвилеводу, залежить від форми і розмірів контура по­перечного перерізу хвилеводу, типу хвилі (від даних харак­теристик залежить K) і проникностей eа і \іа середовища, яке заповнює хвилевід.

Чим більше значення eа і іла, тим менше f . Отже, із

а      а кр

зростанням eа і \±а умова поширення заданої хвилі вико­нується на більш низьких частотах. Подібну обставину у ряді випадків використовують для зменшення поперечних розмірів хвилеводу при роботі на заданій частоті f.

Оскільки для T -хвиль K =0, то ікрт о (= 0). Це

означає, що T -хвиля завжди є основною (якщо вона взага­лі існує в даному хвилеводі) і такою, що поширюється.

Приклад 3.5 (запізнені потенціали). З'ясуємо, у чому полягає фізичний зміст підінтегральних виразів у (3.52) і (3.53):Pi t


r

v

rЕлектромагнітна хвиля поширюється зі швидкістю v. Відстань r вона пройде за час r / v . Тому значення складо­вої потенціалу j у змінному електромагнітному полі в де­якій точці, віддаленій від заряду на відстань r у момент

часу t, визначається значенням заряду в момент часу
Внаслідок кінцевої швидкості поширення електромаг­нітної хвилі значення вектора-потенціалу від елемента

струму 8 dV в точці, віддаленій від елемента струму на відстань r , змінюється із запізнюванням у часі на величи­ну r/ v. Тому потенціали змінного електромагнітного поля називають запізненими потенціалами.

Запізнювання пояснюється тим, що електромагнітна

хвиля проходить відстань r до точки спостереження не

миттєво, а з кінцевою швидкістю v = cjsjem .

 

Запитання для самоперевірки

1  Який фізичний зміст хвильової функції?

2  У чому відмінність хвильових однорідних рівнянь Гельмгольца від неоднорідних хвильових рівнянь Далам­бера?

3  Яким способом із рівнянь Гельмгольца можна одер­жати рівняння плоскої хвилі в однорідному середовищі?

4  Чим відрізняються параметри плоскої хвилі в діелек­трику від параметрів у провідному середовищі?

5  Чим відрізняється лінійна поляризація хвилі від ко­лової та еліптичної?У чому полягає відмінність поширення хвиль в одно­рідному середовищі і на поверхні поділу двох середовищ?

6  Якими фізичними факторами обумовлене явище скін-ефекту і для яких цілей воно застосовується?

7  У чому відмінність спрямованих електромагнітних хвиль від хвиль в однорідному середовищі?

8  Який фізичний зміст критичної довжини хвилі (час­тоти)?

 

10 Чим відрізняються фазова і групова швидкості хвиль?

11 Які основні типи хвиль у спрямовуючих системах можуть поширюватися?

12 Які режими існування полів можливі у хвилеводі?

13 У чому полягають основні принципи випроміню­вання електромагнітних хвиль?

14 Чим відрізняються елементарні електричні та маг­нітні випромінювачі?

Який фізичний зміст терміна «запізнені потенціа­ли»?РОЗДІЛ 4 ОСНОВИ ТЕХНІКИ НВЧ ТА ЇЇ ЗАСТОСУВАННЯ

 

Техніка НВЧ особливо широко застосовується в радіо­системах передавання і отримання інформації (радіозв'яз­ку, радіомовленні, радіоастрономії, космонавтиці та ін.).

У системі передавання інформації дані про фізичний процес за допомогою електрофізичного перетворювача трансформуються в електричний сигнал і подаються на модулятор. До модулятора підходить також НВЧ-сигнал несучої частоти. У модуляторі корисний сигнал (сигнал електрофізичного перетворювача) модулює один із пара­метрів сигналу несучої частоти (амплітуду, фазу, частоту). Після модулятора НВЧ-сигнал (радіосигнал) надходить на підсилювач потужності, проходить через фільтр, який га­сить побічні коливання і за допомогою лінії передачі під­ходить до антени, яка випромінює модульований сигнал у вільний простір у вигляді електромагнітних хвиль (радіо­хвиль). Випромінена радіохвиля збуджує в приймальній антені, яка, як правило, перебуває на великій відстані, ма­лопотужні коливання переданого радіосигналу НВЧ, які виділяються преселектором (фільтром НВЧ) серед безлічі різних за частотою сигналів, перетворюються в коливання проміжної частоти, підсилюються, детектуються, зазнають додаткового посилення і надходять на пристрій обробки та відображення інформації.

У більшості радіолокаційних систем спостереження, що належать до систем отримання інформації, для переда­вання і приймання радіосигналів використовується одна антена. У цьому випадку для розділення приймання і пере­давання застосовуються антенні перемикачі. Для спосте­реження та сканування вільного простору застосовуються механізми обертання або спеціальні конструкції антен.НВЧ-пристрої широко застосовуються у ядерній фізиці для розганяння елементарних частинок до швидкостей, близьких до швидкості світла, за допомогою електромаг­нітних полів хвилеводів.

У наш час досліджується проблема (у деяких випадках реалізується) передавання енергії у вільному просторі за допомогою електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону. Ши­роке застосування знаходить НВЧ-нагрівання у харчовій промисловості з метою прискореного готування їжі, пасте­ризації, стерилізації та зневоднення харчових продуктів.

Особливо широке застосування останнім часом хвилі НВЧ-діапазону отримали в медицині для глибинних ло­кальних нагрівів і прискорення лікування багатьох захво­рювань [17].

Далеко не повний перелік використання техніки НВЧ вимагає розроблення спеціальних пристроїв, які внаслідок причин принципового характеру істотно відрізняються від пристроїв діапазону низьких частот, де фізичні явища в основному описуються за допомогою понять струму і на­пруги. До основних пристроїв техніки НВЧ можна віднес­ти хвилеводні, резонаторні та випромінювальні системи, на підставі яких будується вимірювальна і функціональна бази техніки НВЧ: генераторні й підсилювальні пристрої, розгалужувачі і розділювачі потужності, антенні системи, вимірювачі рівня НВЧ-потужності і т. д. Принцип роботи та конструктивне виконання елементів і вузлів НВЧ-техніки значною мірою визначається діапазоном хвиль, у якому вони повинні функціонувати (табл. 4.1).

Крім того, практично будь-яка радіоелектронна систе­ма (РЕС) перебуває у полі дії небажаних джерел електро­магнітних перешкод і сама випромінює перешкоди на роз­міщене поряд електронне обладнання.

Забезпечення спільної нормальної роботи РЕС без втрати інформації і погіршення їх функціональних елек­
тричних характеристик - основна проблема електромагніт­ної сумісності [18].

Одним із основних конструктивних засобів забезпе­чення електромагнітної сумісності є екранування, призна­чене для значного зменшення небажаної електромагнітної енергії, яка випромінюється РЕС та проникає в апаратуру. Частково на рівні загальних понять дані питання викладе­но у розділах 2 та 3 (див. приклади 2.8 і 3.3), а більш до­кладну інформацію можна знайти в [14, 18].Ураховуючи широкий спектр питань, що стосуються техніки НВЧ (прикладної електродинаміки), які достат­ньою мірою висвітлені у спеціальній літературі, наприклад [18-21], даний розділ в основному містить оглядово-методичний матеріал, який дозволяє студенту або аспіран­ту сформувати загальне уявлення про практичне застосу­вання теорії поля у техніці НВЧ і за необхідності поглиби­ти свої знання з конкретних питань, користуючись додат­ковими літературними джерелами.

 

4.1 Загальні відомості про лінії передачі

Усі лінії передачі можна поділити на два великі класи: лінії передачі закритого і відкритого типів. У лініях пере­дачі закритого типу вся енергія зосереджена в просторі, екранованому від зовнішнього середовища металевою оболонкою. У лініях передачі відкритого типу електромаг­нітне поле, строго кажучи, розподілене у всьому просторі, який оточує лінію. Однак лінії виконують таким чином, що більша частина енергії електромагнітного поля зосереджу­ється в безпосередній близькості від її поверхні. Відкриті лінії зазнають впливу навколишнього середовища.

Очевидно, не існує універсальних спрямовуючих сис­тем, які задовільно працюють у всіх діапазонах частот. Освоєння кожної нової ділянки частотного спектра не­змінно супроводжується створенням нових типів спрямо­вуючих систем.

Класифікація ліній передачі, пов'язана з їхньою конс­трукцією і належністю до різних частотних діапазонів, на­ведена на рис. 4.1 [22].

До основних ліній передачі діапазону НВЧ слід віднес­ти коаксіальні і порожні металеві хвилеводи (рис. 4.2 а), смугові і діелектричні хвилеводи (рис. 4.2 б, в), променеві хвилеводи (рис. 4.2 г).
Розрізняють регулярні та нерегулярні хвилеводи. Регу­лярним називають хвилевід, який має у напрямку поши­рення енергії незмінну форму і постійні розміри попереч­ного перерізу.

Середовище, яке заповнює хвилевід, також повинне мати незмінні властивості в зазначеному напрямку. Якщо в напрямку поширення енергії характеристики хвилеводу змінюються, хвилевід називають нерегулярним.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 


Похожие статьи

Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч