Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Лекция №4. Падение плоской электромагнитной волны на границу раздела с немагнитной хорошо проводящей средой. Линии передачи
|
|
Рассмотрим падение плоской электромагнитной волны из воздуха под углом j на границу раздела с немагнитной хорошо проводящей средой. Такая материальная среда имеет комплексный показатель преломления
.
По закону Снелля,
,
откуда видно, что в хорошо проводящей среде преломленная волна распространяется под комплексным углом и поэтому является неоднородной плоской волной (см. рисунок 4.1а).
Рисунок 4.1 – Падение плоской электромагнитной волны на границу раздела сред между воздухом и металлом: а) образование неоднородной плоской волны; б) образование стоячей волны
У неоднородной плоской волны поверхности равной амплитуды и поверхности равной фазы не совпадают. Поверхность равной амплитуды перпендикулярна оси х, т.е. на рисунке 4.1, а показана как х=const. Поверхности равной фазы соответствует плоскость 
.
Во второй среде направление распространения волны образует угол qД с осью x. qД - истинный (действительный) угол:
.
Волна расположена перпендикулярно поверхностям равных фаз.
Учитывая, что для металлов:
,
тогда 
То есть при любом угле падения j на поверхность хорошо проводящей среды преломлённая волна распространяется практически вдоль нормали к границе раздела.
Плоскости равных фаз и амплитуд практически совпадают – волна однородная. Волна – поперечная, причём Е и Н сдвинуты по фазе на 
.
Так как амплитуда быстро убывает по экспоненте из-за большого затухания (см. рисунок 4.1, б), то поле есть практически в тонком поверхностном слое (явление поверхностного эффекта), причём во второй среде есть продольная составляющая.
По закону Ома: J = dE, весь ток сосредоточен возле поверхности. Эффективное сечение меньше геометрического, а активное сопротивление на ВЧ может быть во много раз больше, чем по постоянному току (проводник можно выполнить в виде трубы), т.е. полагают, что ток течёт в виде бесконечно тонкого слоя.
,
где ZСМ – поверхностное сопротивление проводника, d – глубина проникновения.
В первой среде ЭМП имеет структуру плоской волны, распространяющейся вдоль поверхности раздела (вдоль z) – направленная волна. Поверхности равных фаз – плоскости, перпендикулярные z. Амплитуды E и H зависят от x и от j. Поверхности равных амплитуд – плоскости, перпендикулярные x (см. рисунок 4.1, б).
Эта волна – неоднородная плоская волна, у которой есть продольная составляющая Hz (для волны с параллельной поляризацией – Ez).
Фазовая скорость:
,
то есть 
больше 
, но меньше 
. Причём, чем больше j, тем меньше . Длина волны вдоль z:
.
Изменение Е и Н вдоль оси x имеет характер стоячей волны в первой среде (см. рисунок б):
.
Поперечные составляющие изменяются в фазе, а продольная сдвинута на 90°, в результате комплексный вектор Пойнтинга.
В среднем энергия распространяется только вдоль оси z, а в перпендикулярном по отношению к z направлении – только реактивный поток энергии. Это дает возможность создать направленную передачу ЭМВ, т.е. линии передач и другие устройства сверхвысоких частот (УСВЧ).
Классифицировать УСВЧ будем по функциям (см. таблица 4.1), которые они выполняют в линии передачи, независимо от того, для какой цели выполняется та или иная функция.
Линии передачи принято классифицировать по типу направляемых волн.
Типы волн:
1) поперечные или волны Т-типа – отсутствуют составляющие E и Н, направленные вдоль направления распространения энергии (T-transfers (поперечные)) Т-(ТЕМ);
2) электрические (Е- типа) Е-(ТМ);
3) магнитные (Н-типа) Н-(ТЕ);
4) смешанные (HE- типа) или гибридные.
Кроме того, все линии передачи делят на два больших класса:
1) закрытого типа – вся энергия сосредоточенна в пространстве, ограниченном металлической оболочкой от внешней среды;
2) открытого типа - поле, строго говоря, распределено во всем пространстве (подавляющая часть вблизи), поэтому параметры этих линий подвержены влиянию окружающей среды (метеоусловия, расположенные вблизи объекты и т.д.)
Т а б л и ц а 4.1 – Классификация устройств СВЧ
| Наименование класса устройств | Функциональные признаки |
| 1. Отрезки регулярных линий передач | Направленная передача ЭМЭ |
| 2. Соединительные устройства | Соединения отрезков регулярных линий, элементов или узлов |
| а) Неподвижные и подвижные сочленения | |
| б) Уголки и изгибы | |
| в) Трансформаторы и фильтры типов волн | |
| г) Вращающиеся сочленения | |
| 3. Делители мощности | Разделение энергии, передаваемой в одном канале, на несколько каналов или сложение энергии из нескольких каналов в одном |
| 4. Переключающие устройства (коммутаторы) | Временные соединения различных каналов |
| 5. Развязывающие устройства | Понижение уровня мощности, проходящей из одного канала в другой, или полная развязка между каналами |
| а) Аттенюаторы | |
| б) Направленные ответвители | |
| в) Циркуляторы | |
| г) Вентили | |
| 6.Поляризационные преобразователи | Преобразование поляризации проходящих волн |
| 7. Фазирующие устройства | Поддержание или изменение фазы или разности фаз колебаний в линии |
| а) Фазовращатели | |
| б) Секции дифференциального Фазового сдвига | |
| 8. Мостовые (гибридные) соединения | Сложение, вычитание и калиброванное разделение мощности ЭМВ в четырех канальном соединении |
| а) Двойные Т-образные | |
| б) Щелевые | |
| в) Кольцевые | |
| г) Шлейфовые | |
| 9. Защитные устройства | Предохранение нагрузки или узла от чрезмерной мощности |
| 10. Согласующие устройства | Согласование тракта в целом его отдельных элементов и узлов для получения заданного коэффициента отражения |
| 11. Симметрирующие устройства | Переход от несимметричной линии или узла к симметричной линии или узлу. |
Так как линии передачи состоят из линейных сред то для упрощения их анализа удобно представить поперечные проекции поля 
, 
, 
и 
через продольные проекции поля 
и 
.
Введем два параметра:
1) продольное волновое число 
.
2) поперечное волновое число 
т.е. 
.
Особенность направляемых волн: комплексная амплитуда каждой из шести проекций векторов Е и Н зависит от пространственных координат по закону:
.
Начальную фазу волны всегда можно подобрать так, чтобы 
- была действительной. Сторонние источники отсутствуют, и поле описывается уравнениями Максвелла. Путем несложных преобразований получаем связь между продольными и поперечными составляющими поля:
;
;
;
.
Аналогично в любой другой системе координат.
Итак, достаточно найти лишь две функции для любой направляющей системы, а остальные проекции определяют через них 
.