де , - поперечні координати відповідної ортогональної системи координат.
Нагадаємо, що оператор Лапласа (набла квадрат):
Підставивши (1.3.1) та (1.3.2) у рівняння Гельмгольця, отримаємо рівняння:
, (1.3.3)
, (1.3.4)
або, позначивши , матимемо рівняння:
, (1.3.5)
(1.3.6)
які , як і (1.3.3) - (1.3.6) називаються рівняннями Гельмгольця для спрямованих хвиль, а g – поперечним хвильовим числом.
Повздовжне хвильове число буде дорівнювати:
(1.3.7)
У виразах (1.3.1) та (1.3.2) множник вказує не на те, що хвиля поширюється вздовж хвилеводу. При цьому - повинне бути дійсним числом.
Розглянемо такі можливі випадки:
1. , - дійсне число і хвиля буде поширюватися вздовж осі OZ хвилеводу.
2. , =0, поширення хвилі неможливе.
3. , - уявне число. Припустимо =-jp, де р – дійсне число. Тоді множник = з фазового перетворюється на амплітудний, тобто хвиля щвидко згасає вздовж осі OZ і поширюватися не може.
Отже, другий випадок є критичним, тобто умовою припинення поширення хвилі вздовж хвилеводу. Оскільки є константами, другий випадок можливий на якійсь певній частоті роботи генератора. Назвемо цю частоту критичною і тоді:
або (1.3.8)
де - швидкість світла у вакуумі.
Таким чином, умовою поширення хвилі вздовж спрямовульної системи (хвилеводу) є вираз:
(1.3.9)
де - кругова (циклічна) частота генератора хвилі. При поширення хвилі у хвилеводі припиняється і при подальшому зменшенні частоти генератора поширення залишається неможливим. Режим роботи хвилеводу при називається закритичним.
Критичній частоті відповідає критична довжина хвилі яку визначаємо зваживши, що
: або (1.3.10)
а умовою поширення хвилі є:
(1.3.11)
1.4 Порядок визначення складових поля спрямованих хвиль
Для визначення виразів для складових поля спрямованих хвиль потрібно розв’язати векторні рівняння (1.3.5) та (1.3.6), а оскільки кожному з них відповідають три скалярних рівняння, то необхідно розв’язати шість рівнянь. Такий шлях є дуже громіздким. Виберемо інший шлях: розв’яжемо два скалярних рівняння Гельмгольця відносно повздовжніх складових та, а чотири поперечних складових, скориставшись виразами для них, визначимо через знайдені повздовжні складові.
Для отримання таких виразів скористаємося проекціями 1-го та 2-го векторних рівнянь Максвелла, записаних у диференціальній формі для монохроматичних коливань:
Декартова система координат
Проекції на вісь OX:
(1.4.1)
(1.4.2)
Проекції на вісь OY:
(1.4.3)
(1.4.4)
Оскільки у спрямовуючій системі , , , , складові з похідними по Z можна переписати так:
тоді вирази (1.4.1) – (1.4.4) матимуть вигляд:
,; (1.4.5)
, (1.4.6)
Розв’язуючи систему рівнянь (1.4.5) відносно та систему (1.4.6) відносно, отримаємо:
, (1.4.7)
, (1.4.8)
, (1.4.9)
. (1.4.10)
Циліндрична система координат
Діючи аналогічно, будемо мати:
, (1.4.11)
, (1.4.12)
, (1.4.13)
. (1.4.14)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.