Файл: Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие.pdf

пределение этого тока, а следовательно, и на напряженность поля. Токи в стенках волноводов определяют из условия, что для иде­

Следовательно, v ± H t , а их абсолютные величины одинаковы: ѵ= Я т. Из приведенного соотношения следует, что для волн типа Е в стенках волновода имеет место лишь продольный ток. Для волн типа Н картина распределения токов по стенкам волновода слож­ нее. В качестве примера рассмотрим распределение токов в прямо­ угольном волноводе для волны типа Ню-

Предположим, что в рассматриваемый момент времени состав­ ляющие Н х и H z магнитного поля имеют направления, показанные на рис. 8.25.

Рис. 8.25

270

Найдем вначале направления поверхностных токов, связанных составляющей Н х. Для этого к каждой стенке проведем нормали и, воспользовавшись правилом правого винта, найдем, что токи будут протекать параллельно оси z по верхней и нижней горизон­ тальным стенкам в противоположных направлениях (рис. 8.25, а) :

Амплитуда плотности поверхностных токов vz изменяется вдоль поперечного размера стенок волновода аналогично изменению ам­

271

направления напряженности магнитного поля, учитывая, что по­ следнее связано с направлением вектора ѵ. При этом щель будет излучать волну данного типа, если она будет прорезана параллель­ но тангенциальной составляющей вектора напряженности магнит­ ного поля на поверхности стенки в месте максимального значения указанной составляющей.

На рис. 8.24, в показан ряд щелей в стенках прямоугольного волновода и силовые линии магнитного поля в случае волны типа НюИз структуры магнитного поля волны типа Ню в рассматри­ ваемом волноводе следует, что щели 2 и 3 будут излучать энергию, а щели / и 4 являются неизлучающими. Последние могут быть ис­ пользованы для других целей. Связи волноводов с помощью щелей и отверстий приведены на рис. 8.23, в и д.

Кроме рассмотренных способов, возбуждение волновода может быть осуществлено также с помощью электронных потоков. Этот способ используется главным образом при возбуждении резонато­ ров.

§ 8.8. ЗАМЕДЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Ранее отмечалось, что фазовая скорость распространения элек­ тромагнитных волн в металлических полых волноводах превышает скорость света (Ѵф>с). Направляющие системы, в которых фазовая скорость распространения электромагнитной волны больше скоро­ сти распространения электромагнитной волны в свободном прост­ ранстве, в литературе иногда называют ускоряющими системами.

Развитие радиоэлектроники потребовало создания направляю­ щих систем, по которым электромагнитные колебания распростра­ няются с фазовой скоростью, меньшей скорости света ( У ф < с ) . Такие направляющие системы называются замедляющими система­ ми, а направляемые с их помощью волны — медленными волнами.

Медленные электромагнитные волны находят особенно широкое применение в лампах бегущей и обратной волн, в линейных уско­ рителях заряженных частиц и других электронных приборах. Так, например, в лампе бегущей волны электроны движутся по прямой со скоростями, меньшими скорости света: о ж 0,1 с. Для обеспече­ ния длительного взаимодействия электромагнитной волны с элек­ тронами ее фазовая скорость должна быть близка к скорости элек­ тронов. Кроме того, необходимо, чтобы электрическое поле волны имело достаточно большую составляющую вектора напряженности вдоль направления движения заряженных частиц, благодаря кото­ рой происходит их торможение или ускорение. Электрические волны в волноводах имеют Е гФ 0, однако Уф>с.

Отношение скорости света в свободном пространстве к фазовой скорости электромагнитной волны называют коэффициентом замед­ ления. Для электронных приборов СВЧ он требуется в пределах от 3 до 50, для линейных ускорителей и антенной техники — несколь­ ко больше единицы.

272

Наиболее простой способ замедления электромагнитных волн заключается в частичном (рис. 8,27,а) или полном заполнении вол­ новода диэлектриком. При однородном заполнении волновода ди-'7 электриком фазовая скорость согласно (8.27) будет равна

Обычно р,~1. Тогда при значительном удалении величины X от Лкр можно считать, что

Замедляющими системами являются также указанные в § 8.1 диэлектрические направляющие системы (см. рис. 8.1, е, ж) — диэлектрические волноводы. Свойство поверхности диэлектрика на­ правлять электромагнитные волны следует из § 7.4, где было уста­ новлено, что при падении плоской волны на плоскую границу двух диэлектриков результирующее электромагнитное поле в режиме полного внутреннего отражения распространяется вдоль этой грани­ цы. Подобная картина будет иметь место и в плоском слое диэлек­ трика (рис. 8.27, б), если для волны, последовательно отражаемой верхней и нижней граничными поверхностями, выполняется условие полного внутреннего отражения, при котором вектор Пойнтинга преломленной волны ППрел становится параллельным указанным поверхностям.

Сходная, но более сложная картина будет наблюдаться при воз­ буждении поля в круглом диэлектрическом волноводе (рис. 8.27, в).

273

Из решения электродинамической задачи для этого волновода [5] следует, что в нем подобно полым металлическим волноводам может существовать множество колебаний типа ТМ или ТЕ. При этом поле в определенном соотношении распределяется между вол­ новодом и внешним пространством.

Электромагнитная волна будет распространяться вдоль волново­ да (в направлении оси г), если ее частота больше критической частоты: />/кр. В этом случае во внешнем пространстве поле быст­ ро затухает в радиальном направлении. Поэтому энергия поля ока­ зывается сконцентрированной главным образом внутри волновода. Фазовая скорость волны в диэлектрическом волноводе зависит от

Ла

7 ,Ѵ Л Ѵ ,Ѵ /777-7

а)

Рис. 8.28

б)

соотношения между рабочей и критической частотами и находится в следующих пределах:

диэлектрический волновод обладает свойствами замедляющей системы.

При частоте колебаний меньше критической (/</кр) волновод теряет свои направляющие свойства, и поле во внешнем простран­ стве начинает распространяться в радиальном направлении.

Из выражений (8.70), (8.71) следует, что для получения срав­ нительно небольшого коэффициента замедления (например, 3) не­ обходима умеренная диэлектрическая проницаемость е ^ 9 . Одна­ ко при относительно большом коэффициенте замедления (напри­ мер, 25) диэлектрическая проницаемость достигает величин, трудно реализуемых на практике (в нашем случае е>625), особенно если учесть требование малых высокочастотных потерь в диэлектрике.

274