книги / Электромагнитные волны в технике связи

/

Рис. 1.23

грани и рассеянным на ребрах волнам. Каждое из полей Ет,(М ) отлично от нуля в области, границами которой являются поверх­ ность тела и границы свет-тень соответствующей волны.

На рис. 1.23 в плоскости xOz четырехгранной призмы построе­ на система лучей, позволяющая определять ДН излучателя в пло­ скости вектора Н. На рис. 1.23 через N\ и N2 обозначены точки дифракции на ребрах 1 и 2 соответственно, К — точка отражения луча от грани. Из рисунка следует, что при 90° —фо<«р<270°+фо

поле È°mP(М) =0, а при 90°+ф°<ф<270°—ф0 поле £™д (М) =0. Кроме первичной дифракции в точках Ni и N2 ГТД позволяет учесть многократную дифракцию. Поясним механизм многократ­ ной дифракции. Из множества дифракционных лучей, образовав­ шихся при падении в точку Ni волны, есть луч Ni N2, распростра­ няющийся вдоль грани призмы. Попадая в точку N2, этот луч возбуждает новое множество дифракционных лучей. Один из но­ вых лучей попадает в точку наблюдения М и соответствует полю вторичной дифракции. Аналогично происходит многократная ди­ фракция как сложная цепь последовательных дифракций. Однако интенсивность таких лучей обычно мала и в расчетах многократ­

ную дифракцию, порядок которой больше двух, не учитывают.

На рис. 1.24 построены рассчитанные методом ГТД диаграммы направленности в плоскости вектора Н (плоскость xOz) ЭЭИ, расположенного у грани призмы, как показано на рис. 1.21, а. Графики £(ф) на рис. 1.24 иллюстрируют влияние расстояния

Геометрическая теория дифракции применима к телам, разме­ ры которых удовлетворяют условию ks> 1, где s — расстояние от излучателя до точки дифракции.

Гла в а 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

ВРЕГУЛЯРНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ СТРУКТУРАХ

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕГУЛЯРНЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

Направляемые электромагнитные волны. Типы линий передачи. Устройство, ограничивающее область распространения электро­

получателю, например от передатчика к излучающей антенне, от приемной антенны ко входу приемника и т. д. Простейшим направителем электромагнитной энергии является плоская граница раздела двух сред, обеспечивающая полное отражение падающей волны. Направляемая волна следует вдоль направляющей грани­ цы и в случае, если последняя изогнута под некоторым углом или деформирована в определенных пределах. Рассматривая для простоты в качестве направляющей идеально проводящую по­ верхность, процесс направления волны этой поверхностью мож­ но объяснить связью токов и зарядов в проводнике с элек­ трическим и магнитным полями волны вне его. Изменение формы проводника (например, изгиб) приводит не к исчезновению тока, а к изменению его пути. Ток, протекающий по новому пути, вы­ зывает появление волны, направление движения которой отлично от первоначального направления. Возможная схема образования металлического и диэлектрического волноводов круглого сечения показана на рис. 2.1.

Целесообразно выделить две группы линий передачи: откры­ тые линии передачи и волноводы. Волновод — это линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей с попе­ речным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охва­

(л) волноводы, световоды волоконный (м) и плоский (н). Много­ образие линий передачи связано с использованием их в различ­ ных частотных диапазонах.

В гл. 2 изучаются регулярные линии передачи, т. е. линии, у которых в продольном направлении неизменны поперечное сече­ ние и электромагнитные свойства заполняющих сред. Все реаль­ ные линии передачи нерегулярны, их изучению посвящена гл. 3'- Классификация направляемых волн. В отличие от свободно рас­ пространяющейся плоской волны направляемая волна имеет про­ дольные составляющие поля Ег или Нг, причина и возможность

появления которых иллюстрируются рис. 2.3.

Падающая на идеально проводящую плоскость волна попереч­ на, ее векторы Е «и Н перпендикулярны направлению распростра­ нения — оси г'. Направляемая волна распространяется вдоль оси г. Если она образуется при отражении параллельно-поляризован­ ной волны (рис. 2.3, а), то вектор Е имеет проекцию Ег, а в слу­ чае нормальной поляризации (рис. 2.3, б) продольную составляю­ щую Нг имеет вектор Н. Наличие или отсутствие продольных со­ ставляющих поля является признаком, по которому классифици­ руются направляемые волны. Различают четыре класса направ­ ляемых волн:

1. Поперечная электромагнитная волна, векторы Е и Н кото­ рой лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распро­ странения, т. е. Ег—0, Нг—0. Обозначение: Г-волна (Т — первая: буква английского слова transvers — поперечный).

2.Электрическая Я-волна, вектор Е которой имеет поперечную,

ипродольную составляющие, а вектор Н лежит в плоскости, пер­

пендикулярной направлению распространения: ЕгФ 0, Яг= 0.

3. Магнитная Я-волна, вектор Н которой имеет поперечную ц продольную составляющие, а вектор Е лежит в плоскости, пер­ пендикулярной направлению распространения: Ег= 0, Нгф 0.

однородным волновым уравнениям Гельмгольца. Решения этих: уравнений для неоднородной направляемой волны, бегущей вдоль регулярной линии передачи, можно представить в виде

в цилиндрической системе координат г, ф, z.

Множитель e_iPz соответствует волне, бегущей в положитель­ ном направлении оси е, совпадающей с осью линии передачи. За­

пись Èm(x, у) и Ет (г,ф) означает зависимость амплитуды напря­ женности электрического поля от поперечных координат, что ха­ рактерно для неоднородной волны.

Оператор Лапласа можно представить в виде v 2= v x +d2/dz2,

где V 2X— оператор Лапласа по поперечным координатам. Дифференцирование функции е"|Рг по z эквивалентно ее умно­

жению на —ip. С учетом этого уравнения Гельмгольца принима­

мощью соотношений связи, вытекающих из уравнений Максвел­ ла в дифференциальной форме, которые в прямоугольной системе координат имеют вид

4. Длина направляемой волны (длина волны в волноводе) определяется из формулы связи длины волны и волнового числа: Р=2я/Л. Отсюда

5. Характеристическое сопротивление, под которым понимает­ ся отношение поперечных составляющих напряженностей электри­ ческого и магнитного поля бегущей волны:

Zc — Eml/Hmj_.

Для Е- и Я-волн справедливы соотношения:

Zç (2 . 11)

/ 1Н*Мкр)3

6. Реальные сигналы, переносящие информацию, не являются монохроматическими, а обладают спектром, т. е. состоят из ко­ нечного либо бесконечного числа монохроматических волн с раз­ личными частотами и характеризуются групповой скоростью рас­ пространения. Под групповой скоростью огр понимают скорость перемещения максимума огибающей группы монохроматических волн, близких по частоте. В линиях передачи

Особенности направляемых волн. Основными особенностями яв­ ляются:

1. Дисперсия направляемых волн. Из формул (2.8) —(2.12) следует, что параметры направляемых волн зависят от длины волны X, а следовательно, от частоты /. Это значит, что в линиях передачи имеет место дисперсия. С ростом f длина волны X умень­ шается и дисперсия ослабевает. В пределе при f-*-oo Я-Ч) и

Это означает, что при Х>Лкр поле в линии передачи теряет ха­ рактер бегущей волны и экспоненциально затухает. Следователь­ но, условием распространения направляемой волны является не­ равенство