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 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 занимает все пространство, окружающее линию. Наиболее понятным примером линии открытого типа может являться воздушная двухпроводная линия, представленная на рисунке 4.1 с диаметром α для каждого проводника и расстоянием d между ними.

 

Рис. 4.1

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 линиям относятся: коаксиальные, экранированные двухпроводные и четырехпроводные, волноводные линии различных профилей.

 

Рис. 4.2

 

Направляющая система в зависимости от конструктивных особенностей формирует волну, соответствующую параметрам этой системы. На основании 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 (обозначается как ЕН или НЕ).

Структура поля ТЭМ волны

Поперечная волна имеет только поперечные составляющие поля, то есть векторы поля и расположены в плоскости, поперечной к направлению распространения волны, и не имеют продольных, то есть нет векторов поля, совпадающих с направлением распространения волны. Пусть векторы поля (рис. 4.3) лежат в поперечной плоскости, причем векторы 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.

 

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

   (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 только поперечные для электрического поля (Е_x,y ≠ 0), а продольная отсутствует (Е_z = 0), такая волна 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 и  при распространении вдоль оси z в линии передачи ТЕ волны. Вектор  лежит в поперечной плоскости. А вектор  не совпадает ни с поперечной, ни с продольной плоскостями, поэтому он имеет все проекции, изображенные на рисунке 4.4.

 

Рис. 4.4

 

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

                     (4.2)

Структура поля ТН волны

ТН волна имеет только поперечные проекции вектора , то есть Н_х,у ≠ 0 и Н_z = 0, поэтому называется поперечной магнитной волной. Но так как волна имеет все проекции составляющих вектора , 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:

                   (4.3)

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

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: