Электромагнитные поля и волны. Часть 2 (Направляющие системы СВЧ-диапазона. Регулярные волноводы. Колебательные системы СВЧ. Общая теория цепей СВЧ), страница 16

Если щель или отверстие нарушает токи проводимости, пересекает их, то здесь появляются токи смещении, а это есть поле излучения. Тогда щель становится излучателем, это явление используют в щелевых антеннах.

    Если щель достаточно узкая, прорезается вдоль линий тока, она не будет излучать. Это используют для исследования поля внутри волновода, для измерительных целей (измерительные волноводные линии).

Рассмотрим структуру токов в стенках прямоугольного волновода для основной волны Н₁₀ (Рисунок 3.13).

Рисунок 3.13

Как видно из рисунка в стенках имеются продольные δ_z и поперечные δ_х поверхностные токи. В центре широкой стенки они заканчиваются (или начинаются) и начинаются (или заканчиваются) токи смещения δ_см. Излучающая щель должна пересекать поперечные токи δ_х или продольные токи δ_z на широкой стенке. На узкой стенке имеются только поперечные токи δ_у. Силовые линии плотности поверхностного тока всегда перпендикулярны силовым линиям вектора  и являются замкнутыми, то есть ток проводимости замыкается на ток смещения и полный ток

δ = δ_х + δ_у + δ_см

имеет замкнутую силовую линию. Щель 1, 2, 3 будут максимально излучать, а типа 4 и 5 уже меньше, щель 6 излучать не будет. Структура токов тесно связана со структурой магнитного поля волны. Отсюда следует, что для волн типа Е_mn будут существовать только продольные токи δ_z, для волны типа Т в коаксиальном кабеле, полосковых линиях также только продольные токи.

4 Колебательные системы СВЧ

Колебательные системы на низких частотах строятся на сосредоточенных элементах, соединенных параллельно (резонансные контуры). Колебательный процесс в них возникает в результате непрерывного обмена энергией между электрическим полем, сосредоточенным в конденсаторе, и магнитным полем в индуктивности.

С увеличением частоты, в диапазоне СВЧ, применение таких контуров невозможно, так как их размеры будут очень малы (сравнимы с длиной волны), а потери энергии очень велики. С ростом частоты растут потери в проводниках, в диэлектрике и потери на излучение, поэтому добротности контуров очень малы.

 Поэтому в диапазоне СВЧ применяются колебательные системы с распределенными параметрами R, L, C. Это отрезки линий передачи определенной длины (отрезки двухпроводных линий, коаксиальных, волноводов и др.) Возможность существования колебательного режима следует из уравнений Максвелла. Согласно этим уравнениям переменное электрическое поле является источником переменного магнитного поля, а переменное магнитное поле возбуждает переменное электрическое поле и т. д.. То есть обмен энергией между электрическим и магнитным полями происходит непрерывно в любой области пространства. Если каким – либо образом, исключтиь тепловые потери и излучение электромагнитного поля, то обмен энергиями может происходить сколь угодно долго. Это значит, что в изолированном от внешнего пространства объеме, без потерь, может существовать незатухающий колебательный процесс. Если есть потери электромагнитной энергии, то процесс будет затухающим. Подобные колебательные системы получили название объемных резонаторов.

4.1 Свободные гармонические колебания   

Для замкнутого объема V₀ уравнение баланса активных мощностей запишется так:

                                                                   

потому, что излучение во внешнее пространство отсутствует P = 0, и пренебрегаем тепловыми потерями P_п=0. Под влиянием источника  P^ст в объеме V₀ возникнут электромагнитные колебания. Через некоторое время P^ст отключаем, при этом за счет запасенной энергии в резонаторе колебательный процесс будет продолжатся сколь угодно долго и при отсутствии источника  P^ст = 0. В резонаторе возникнут свободные колебания. Из уравнения

P^ст==0

следует, что полная энергия запасенная в резонаторе W остается постоянной в любой момент времени t.

Однако, соотношение энергий, находящихся в электрическом и магнитном полях, в общей неизменной сумме непрерывно меняется ввиду обмена энергией между переменными электрическим и магнитным полями.