Передача электромагнитной энергии. Волноводы

волн называют линиями передачи.
Выделяют 2 основные группы линий передач:
Открытые линии

передачи – в них поле не экранировано снаружи и частично существует в пространстве, окружающем линию.
Волноводные (закрытые) линии передачи – имеют одну или несколько проводящих поверхностей с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной волны. Поле в волноводе полностью экранировано его внешней оболочкой.

потери энергии двух видов:
На излучение энергии в окружающее пространство
На тепловые

потери
Потери энергии зависят от частоты передаваемого сигнала.
ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ СТРЕМЯТСЯ УМЕНЬШИТЬ
В зависимости от частоты изменения электромагнитного поля для передачи энергии применяют :
Двухпроводные (открытые) линии
Коаксиальные (закрытые) линии

Волноводы
(полые трубы различного сечения) –

Общие понятия

Описываются телеграфными уравнениями

Распространение электромагнитных волн не может быть описано телеграфными уравнениями

осуществляется электромагнитным полем, распространяющемся в диэлектрике вдоль проводов линии.
Провода

служат только направляющими для электромагнитного поля.

Линии напряженности электромагнитного поля несколько изогнуты, так как из-за наличия активного сопротивления самих проводов вектор Е имеет касательную составляющую.
Вектор Пойнтинга направлен от источника к приемнику и частично внутрь провода (так как имеется активное сопротивление проводов).

скорости движения электромагнитной волны в диэлектрике:
Передача электромагнитной энергии вдоль проводов

линии

Индуктивность и емкость линии передачи:

Провода могут выполнять направляющую роль только при условии, что длина электромагнитной волны в диэлектрике во много раз больше, чем расстояние между проводами.

по двум причинам:
Провода линии играют роль антенн и излучают электромагнитную

энергию в окружающее пространство (этот эффект сильно проявляется уже при дециметровых волнах).
Активное сопротивление проводов линии резко возрастает из-за сильного поверхностного эффекта. Поэтому большая часть энергии затрачивается на нагрев.
Двухпроводные линии применяют для передачи энергии на частоте до 50 Гц .

Передача электромагнитной энергии вдоль проводов линии

излучают электромагнитную энергию в окружающее пространство, так как электромагнитное поле

распространяется в диэлектрике между центральным проводом и оболочкой. Глубина проникновения волны в центральный провод и оболочку мала.

Основная электромагнитная волна является поперечной Т-волной (ТЕМ-волна). Вектора Е и Н взаимно перпендикулярны, расположены в поперечных плоскостях и совпадают по фазе.
Волновое число не зависит от линейных размеров поперечного сечения:

представляет собой полую трубу прямоугольного или круглого сечения.
Энергия внутрь

волновода доставляется с помощью небольшого стержня или петли, помещенной в волноводе. Петля с помощью коаксиального кабеля соединяется с генератором высокой частоты.
С другого конца волновода отводят энергию с помощью такого же устройства.

направляющими для потока энергии.
Волноводы
Небольшая часть энергии проникает в стенки волновода

и выделяется в виде теплоты.
Для уменьшения потерь энергии внутренние стенки волновода полируют и покрывают слоем хорошо проводящего металла.

В волноводах возможно создание большого числа электрических и магнитных полей различной структуры.

проницаемость –
Магнитная проницаемость –
Уравнения Максвелла для диэлектрика в волноводе:

волны в нем будут распространяться без отражения.
Будем считать, что электромагнитные

волны, возбуждаемые в волноводе изменяются по синусоидальному закону (частота ) .

Z (оси волновода).
Вдоль осей X и Y волны являются стоячими

из-за многократных отражений от стенок.
Как в линиях с распределенными параметрами, можно считать, что мгновенное значение любой проекции векторов поля по оси Z запишется в виде:

поля:

перпендикулярны оси Z:

волны в волноводе вдоль оси z

типа ТЕМ (transverse electromagnetic), у которых векторы Е и Н

расположены строго в плоскости перпендикулярной направлению распространения. Действительно из уравнений




при Нz=0 все остальные проекции векторов поля также будут равны нулю. Аналогично при Еz=0.

(transverse electric) – магнитные или Н-волны.
Электрическое поле полностью расположено в

поперечной плоскости, а магнитное поле имеет составляющую, которая совпадает с направлением распространения энергии.

– число стоячих полуволн по оси Y

(transverse magnetic) – электрические или Е-волны.
Магнитное поле полностью расположено в

поперечной плоскости, а электрическое поле имеет составляющую, которая совпадает с направлением распространения энергии.

n=1 – число стоячих полуволн по оси Y

n=1 – число стоячих полуволн по оси Y

виде проекций силовых линий векторов Е и Н для данного

типа волн в рассматриваемом сечении.
Волна ТЕ имеет продольную составляющую Нz.
Волна ТМ имеет продольную составляющую Еz. Линии вектор Е расположены в плоскостях поперечного сечения волновода.
В обоих типах волн линии векторов Е и Н взаимно перпендикулярны.
Граничные условия у стенок волновода должны обеспечить продольное направление вектора Пойнтинга П=Е*Н:
.
Магнитные силовые линии касательны к стенкам волновода.