Электромагнитные волны - Вайнштейн Л.А.
Скачать (прямая ссылка):
Передача электромагнитной энергии осуществляется с помощью передающих линий самых различных типов. Для теоретического рассмотрения все линии передачи можно разбить на две основные группы. К первой группе относят линии передачи, подчиняющиеся телеграфным уравнениям. К их числу принадлежат: коаксиальная линия (концентрический кабель), двухпроводная линия и различные их модификации, как например экранированная двухпроводная линия. Ко второй группе относят линии, не подчиняющиеся телеграфным уравнениям и рассчитываемые чисто электродинамическими методами. К числу таких линий принадле-
100 жат прежде всего волноводы, например прямоугольный или круглый волновод, а также волноводы специального назначения, например волноводы с медленными волнами.
Приведенная классификация четко разграничивает физические принципы, лежащие в основе действия линий передачи. Нужно при этом отметить, что в некоторых случаях передающие линии имеют свойства, не позволяющие их отнести вполне определенно к одной из групп: так бывает, если данная линия может быть рассчитана с помощью телеграфного уравнения весьма грубо, а более точный расчет осуществляется электродинамическими методами. Такие примеры будут приведены, в частности, при рассмотрении однопроводной и двухпроводной линий.
Историческое развитие радиотехники было, в частности, связано с переходом от длинноволнового диапазона к диапазонам все более и более коротковолновым. В начальной стадии развития радиотехники, когда дециметровые и более короткие волны не имели еще практического значения, для передачи электромагнитной энергии использовались почти исключительно передающие линии первой группы. Полный инженерный расчет этих линий может быть произведен с помощью телеграфных уравнений, и, таким образом, данные линии с практической точки зрения почти не нуждаются в электродинамической трактовке. Для вычисления их параметров достаточно знать законы квазистатического поля; так, расчет погонной емкости линий производится с помощью электростатики, а расчет погонной индуктивности — с помощью законов постоянного магнитного поля (см. § 32). Интересно, что с помощью телеграфных уравнений распространение электромагнитных волн вдоль линий и близость их скорости к электродинамической постоянной с были теоретически предсказаны раньше, чем была создана теория распространения электромагнитных волн в свободном пространстве.
Ввиду большого технического значения телеграфных уравнений будет подробно изучена их связь с законами электродинамики и, в частности, рассмотрен важный вопрос о пределах применимости телеграфных уравнений. Дело в том, что пределы применимости какой-либо теории нельзя, как правило, вывести из нее самой. Для этого необходимо прибегнуть либо к опыту, либо к другой, более общей теории, содержащей первую в качестве частного случая. Применимость обычной теории длинных линий, базирующейся на телеграфных уравнениях, можно выяснить с помощью теории электромагнитного поля.
Для того чтобы физически понять особое положение передающих линий первой группы, отметим связь между волнами в этих линиях и плоскими волнами в свободном пространстве. Рассмотрим плоскую волну в пустоте, распространяющуюся в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа (рис. ІІ8).
Если перпендикулярно линиям электрического поля поставить Две параллельные идеально проводящие плоскости, то (согласно равенству нулю тангенциального электрического поля на них)
101 В)
Рис. 18. Плоская волна и волны в линиях первой группы:
а — плоская волна в свободном пространстве; б — плоская волна между проводящими плоскостями; в — преобразование плоской волны в волну коаксиальной линии; г — то же для
двухпроводной линнн; ---- электрические силовые линии; --- магнитные силовые
линии
они не исказят электромагнитного поля. Поэтому между параллельными идеально проводящими плоскостями может распространяться (рис. 18,6) плоская поперечная волна и в случае, когда вне пространства между плоскостями поля нет. Пара параллельных плоскостей является простейшим примером передающей линии первой группы. Непрерывной деформацией этих плоскостей и поля между ними можно получить ,(рис. 18,в и г) электромагнитное поле волны в коаксиальной и двухпроводной линиях.
Из этих нестрогих рассуждений вытекает, что электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль передающих линий первой группы, родственны плоским электромагнитным волнам в свободном пространстве. Разумеется, конечная проводимость несколько искажает распределение поля. При этом скорость распространения волн в линиях изменяется (становится меньше с) и появляется затухание. Все эти явления подробно будут рассмотрены
102 в дальнейшем. Электромагнитные волны в передающих линиях второй группы имеют более сложную структуру, которая подробно изучена в гл. VII и XI.
§ 29. ,Электромагнитные волны в идеально !проводящих
линиях
Исследуем электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль бесконечно длинных идеально проводящих линий, принадлежащих к первой группе. В § 28 приведены нестрогие соображения о том, что волны распространяются вдоль таких линий со скоростью с и без затухания, причем структура их электромагнитного поля в некотором смысле близка к структуре поля плоских волн в неограниченном пустом пространстве.
