Файл: Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи.pdf

дуль коэффициента отражения от почвы | Г | > 0 , 9 и можно рас­ сматривать поверхность земли как идеально проводящую. Эти со­ ображения применимы также к линиям, параллельным металли­ ческим поверхностям для любой частоты. Поля линий, параллель­ ных хорошо проводящим поверхностям, определяют с помощью метода изображений.

Метод изображений был рассмотрен в 5.3 для электростатиче­

одинаково, следовательно, одина'ковы величина и запаздывание по фазе векторов Et и Е[ ; эти векторы синфазны и антисимметричны (т. е. симметричны векторы Ei и —Е,') . Очевидно, что суммарный вектор E = E i + E,' всегда нормален к поверхности S.

ОДНОПРОВОДНАЯ л и н и я

Одиночный провод над землей совместно со своим изображением эквивалентен двухпроводной линии (рис. 10.13). Неомогря на ряд недостатков, он до сих пор применяется «а второстепенных линиях связи для передачи сигналов и электропитания аппаратуры. При расчете параметров волны, распространяющейся вдоль одиночного провода, нужно иметь в виду, что генератор и нагрузка включены между линией и землей (плоскостью симметрии), поэтому при том же токе напряжение в однопроводной линии будет в ' два раза меньше, чем в двухпроводной. Емкость «провод—земля» такой линяй в два раза больше, чем емкость «провод—провод», поэтому характеристическое сопротивление провода над землей также рав­

10-r-'lO0 IMIKJM. Используются •высокочастотные диэлектрики: фторо­ пласт, полистирол, полмолефины, стеклоткань, пропитанная фторо­ пластом или юремниеарга.ничеакой смолой.

Рис. 10.14

Несимметричная линия (рис. 10.14а) конструктивно наиболее проста, однако имеет существенный недостаток: часть волны рас­ пространяется в воздухе и вызывает нежелательные связи іс дру­ гими элементами схемы. Симметричная линия (рис. [10.146) «(ди­ электрический сэндвич» — практически полностью экранирована. При ширине (внешних пластин a^w+\(4-^5)b иоле на их краях практически отсутствует; їв этом случае иолооковая линия эквива­ лентна коаксиальной с очень узкими щелями во .внешнем провод­ нике.

Коэффициент затухания линии со 'Сплошным диэлектриком оп­ ределяется в основном потерями в диэлектрике. Этот источник потерь почти полностью устраняется в воздушной линии (рис. 10.14в), у которого проводящие ленты расположены по обе сторо­ ны тонкого диэлектрического листа и .'соединены между собой; опоры этого листа удалены в область, где поле практически отсут­ ствует. Широкие пластины у всех линий заземляются и соединя­ ются между собой.

т и п ы в о л н

Основной їв полосшвой линии является волна типа ТЕМ. Диэлек­ трический слой имеет конечные размеры, поэтому у его границы в воздухе образуется поверхностная .волна. Однако поле этой іволньї столь мало по сравнению с полем в диэлектрике, что отличие

.структуры волны в линии от поперечной, особенно у симметрич­ ных конструкций, может не учитываться.

Возникновение іволн высшего порядка исключается, если экви­ валентная ширина ленты w+Aw и расстояние между внешними пластинами 2b + t меньше половины длины волны в диэлектрике ли­ нии: w-r-Aw<\kt2 и ! 2b-W<V2. Выполнение этих условий на мак­ симальной частоте обеспечивает одномодовость линии в рабочем диапазоне.

Эквивалентная ширина ленты больше геометрической w за счет краевого эффекта. Величина эквивалентного расширения рас­ считывается по формуле

линии определяется емкостью С\ единицы ее длины. Последняя оп­ ределяется по формуле для плоского конденсатора из трех пластин с учетом дополнительной емкости, вызванной краевым эффектом.

Характеристическое сопротивление несимметричной линии со сплошным диэлектриком примерно їв два раза больше, чем най­ денное по ф-ле (10.36), так как оно определяется 'емкостью между

ний с воздушным заполнением, полученные И. С. Ковалевым [18].

распределения поля вдоль их поверхности. іВ первом приближении будем считать, что плотность тока по периметру ленты 2(w + t) одинакова, а сопротивление пластин такое же, как ленты. Тогда суммарное сопротивление, приходящееся на единицу длины линии,

При обычных соотношениях размеров линии потери в пласти­ нах несколько меньше, а в ленте больше, чем при сделанных до­ пущениях.

угольного (волновода с теми же поперечными размерами. При пе­ редаче (непрерывных сигналов допустимая мощность ограничивает­ ся нагревом диэлектрика. Симметричная линия может пропустить

по сравнению с полыми 'волноводами состоит в простоте изготов­ ления, компактности и малой стоимости. Короткие отрезки линий можно построить и для более высоких частот, если приемлем ко­ эффициент затухания порядка нескольких децибел на метр.

Особенно велики преимущества полооковых линий, изготавли­ ваемых методом печатных схем, при построении малогабаритных функциональных узлов (например, частотных фильтров) на свч. С этой целью такие линии успешно применяются, начиная с сотен мегагерц.

В іминиат-юрных интегральных схемах свч используются как более технологичные несимметричные микрополосковые линии. Ширина ленты обычно составляет w=0,54-0,5 мм. Чтобы умень­ шить проникновение поля и воздух применяют диэлектрик с вы­ соким значением е = 54 - 10 .

Глава 11.

ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

11.1.Основные свойства и параметры

ЭВОЛЮЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Резонатор может долгое время поддерживать периодические ко­ лебания, вызванные внешним импульсом. Резонатор обладает ча­ стотной избирательностью по отношению к внешнему гармоничес­ кому воздействию: амплитуда его колебаний максимальна на ре­ зонансной частоте и уменьшается по мере удаления от нее. Коле­ бания в электромагнитных резонаторах представляют собой вза­ имное превращение электрического и магнитного полей. Резона­ торы широко используются в радиотехнических устройствах, яв­ ляясь неотъемлемой частью многих усилителей, большинства гене­ раторов, приемников, частотных фильтров и измерителей частоты.

Простейшим электромагнитным резонатором является колеба­ тельный LC-контур. Легко установить, что запас электрической энергии создается в конденсаторе, а запас магнитной — в катушке индуктивности. Переход энергии от электрического поля к магнит­ ному сопровождается пространственным перемещением энергии из конденсатора в индуктивность. Размеры контура должны быть малы по сравнению с длиной волны. Уже в метровом диапазоне волн контур перестает работать удовлетворительно: сказываются межвитковые емкости катушек, индуктивности вводов и пластин конденсатора. Увеличение частоты требует уменьшения размеров катушки и конденсатора, что влечет за >собой снижение допусти­ мой колебательной мощности.

В диапазоне дециметровых и более коротких волн (частично и в метровом диапазоне) применяют резонаторы, в которых элек­ тромагнитные колебания возникают внутри ограниченного объема; поэтому их называют объемными.

Постепенное превращение контура в объемный резонатор по­ казано на рис. 11.1. Пусть контур (рис. 11.1а) рассчитан на весьма высокую частоту и имеет всего один виток. Включение параллель­ но ему еще нескольких витков (рис. 11.16) увеличивает частоту колебаний этой системы и уменьшает вредное излучение в прост­ ранство. Объединение всех витков в оплошную поверхность враще­ ния (рис. 11.1в) приводит к полностью экранированному торо­ идальному резонатору с еще более высокой частотой колебаний; этот резонатор относится к классу квазистационарных. Квазиста-

ционарные резонаторы имеют четко выраженные области сущест­ вования электрического и магнитного полей, которые эквивалент­ ны емкости и индуктивности; можно считать, что такой резонатор представляет собой полностью экранированный колебательный кон­ тур. Размеры квазистационарного резонатора малы по сравнению с длиной волны Ло его собственных колебаний.

Рис. 11.1

Раздвинув пластины конденсатора, превратим .границу резона­ тора в выпуклую поверхность, например, (сферическую .(рис. 11.1 г).

и магнитным полями, поэтому не удается выделить отдельные об­ ласти то .свойствами емкости и индуктивности. Поле в объемном резонаторе такого типа можно представить в виде суммы парци­ альных волн, последовательно отражающихся от его стенок. Ре­ зонанс возникает в том случае, если циркулирующая внутри резо­ натора волна приходит в определенную точку всегда в одной и той же фазе. Такое синфазное 'сложение полей значительно увели­ чивает амплитуду колебаний.

Существенные изменения произошли при освоении оптического диапазона, в котором длины волн Х0 намного меньше размеров ре­ зонатора. При этом пришлось отказаться от замкнутых объемов с металлическими стенками. Открытые объемные резонаторы, гене­ рирующие оптические волны, сохранили лишь часть отражающей стенки. В простейшем іслучае они представляют 'собой систему из двух противостоящих зеркал, изготовленных из многослойного ди­ электрика, которые отражают друг к другу электромагнитную волну.

СОБСТВЕННЫЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ

С о б с т в е н н ы е к о л е б а н и я, как известно из теории колеба­ тельных контуров, возникают в резонаторе при внешнем импульс­ ном воздействии, когда в него поступает порция энергии. После процесса установления они становятся квазигармоничеакими зату­ хающими и зависят от времени по закону: