21682

Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

1 Скорость перемещения фазы поля называют фазовой скоростью. На практике основной интерес представляет знание характеристик поля на очень больших расстояниях от излучателя таких что .8 Величину принято называть эквивалентной глубиной проникновения поля. Расчетные соотношения глубины проникновения поля для некоторых металлов приведены в таблице: Таблица 2.

Русский

2013-08-03

222 KB

16 чел.

ЛЕКЦИЯ №3 Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах

Вопросы: 

1.Распространение плоских волн в диэлектрике и проводнике;

2.Типы и классы электромагнитных волн;

3.Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах;

4.Способы расчета направляющих систем.

1.Распространение плоских волн в диэлектрике и проводнике

В один и тот же фиксированный момент времени  значения фазы  для плоской волны в точках пространства, расположенных на разных расстояниях  и  (например начало и конец направляющей системы) от излучателя, различны. Однако можно выбрать такое время  для точки с расстоянием  и время  для точки  с расстоянием , что фазы будут одинаковыми, т.е.

. Значит . Переходя к бесконечно малым приращениям  и , получим общую формулу для определения этой скорости:

.                    (3.1)

Скорость перемещения фазы поля  называют фазовой скоростью.

На практике основной интерес представляет знание характеристик поля на очень больших расстояниях от излучателя, таких, что . В качестве такой характеристики используют отношение

,                      (3.2)

имеющее размерность Ом и зависящее от параметров среды, называемое характеристическим сопротивлением среды. В общем случае характеристическое сопротивление величина комплексная: т.е. . В частности, для плоской волны .

 Принято считать среду диэлектриком если  и проводником при .

Исходя из этого для диэлектрика имеем:

,  т.е.  ; (3.3)

   ;        ,       . (3.4)

Для вакуума:

км/c,  т.е  , где с скорость света.

  Ом.

 Для проводника имеем:

. Заменяя i на  получим  т.е. .                                 (3.5)

В таком случае

   ;(3.6)

.        (3.7)

 Электромагнитная плоская волна, попадая в метал, быстро затухает. Из уравнения распространения волны (2.13) следует, что процесс затухания определяется выражением . Если задаться уменьшением напряжения в  раз на глубине , то эта глубина может быть определена из условия:   . Откуда при   имеем .                (3.8)

Величину  принято называть эквивалентной глубиной проникновения поля. Расчетные соотношения глубины проникновения поля для некоторых металлов приведены в таблице:

Таблица 2.1

      Металл     ,См.м/мм2       ,Ом мм2/м                     ,мм     

Медь                   57                       0.0175                  1            66.7/

Алюминий         34.36                   0.0292                  1            86.4/

Сталь                  7.23                     0.138                   100         18.7/

Свинец               4.52                      0.221                   1             236.7/

Заметим что для идеального диэлектрика  и потому диэлектрик является идеальной средой для распространения поля.

2.Типы и классы электромагнитных волн.

Характер распространения ЭМ волн в направляющих системах (НС): структура поля и диапазонные свойства систем зависят от класса волны: используемой для канализации энергии.

Существуют следующие классы волн (рис. 3):

T  поперечно-электромагнитная (ТЕМ) (ТЕН);

Е электрическая или поперечно-магнитная ТН-волна;

Н магнитная или поперечно-электрическая ТЕ-волна;

ЕН и НЕ гибридные, смешанные волны.

 Волна Т основная волна, содержит только поперечные составляющие (электрического Е и магнитного Н полей), продольные составляющие Ея и Ня равны нулю, т.е. силовые линии поля целиком лежат в поперечных плоскостях и в точности повторяют картину силовых линий поля при статическом напряжении и постоянном поле. Волна Т существует лишь в линиях, содержащих не менее двух изолированных проводников, находящимися под разными потенциалами. Этот тип волны используется при передаче энергии в сравнительно ограниченном диапазоне частот по проводящим системам, где определяющими являются токи проводимости Iпр (Например, при передаче по симметричным, коаксиальным цепям и полосковым линиям). Процесс передачи Т-волн связан с потенциальным полем.

 Волны Е и Н. Волны высшего порядка. Они содержат, кроме ЭМ полей (Е и Н), по одной продольной составляющей поля. Для волн Е поле Еz0, для волн Н поле Нz0. Поэтому их силовые линии располагаются как в поперечных, так и в продольных сечениях направляющих систем. Эти волны возбуждаются в весьма высоком диапазоне частот. Здесь определяющими являются токи смещения Iсм. Процесс передачи волн высшего порядка Е и Н связан с вихревым полем.

Волны Е и Н можно передавать по однопроводным НС, например, волноводам. Для этих волн необходима продольная составляющая поля Е или Н, которая задает направление движению энергии вдоль линии. Разность потенциалов создается между полюсами и стенками волновода. Поэтому по волноводу передаются очень короткие волны. Длина волн д.б. такой, чтобы в сечении волновода уложилось целое число полуволн (Рис. 4) или хотя бы одна полуволна.

Рис. 2

 Гибридные или смешанные волны (ЕН, НЕ) представляют собой нераздельную сумму волн Е и Н и содержит все шесть компонентов поля, в том числе обе продольные составляющие Еz и Нz. К числу смешанных волн относятся волны, передаваемые по световодам и диэлектрическим волноводам.

Смешанные волны разделяются на:

НЕ с преобладанием в поперечном сечении поля Н;

ЕН с преобладанием в поперечном сечении поля Е.

Наряду с делением на классы ЭМ волны делятся также по типам. Тип волны, или мода, определяется сложностью структуры, т.е. числом максимумов м минимумов поля в поперечном сечении. Мода обозначается двумя числовыми индексами n и m.

Индекс n означает, например, в круглых волноводах число полных изменений поля по окружности волновода, а индекс m  число изменений поля по диаметру.

                                                                             Рис. 3

3.Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах

 Потери энергии (затухание ) в направляющих системах. На потери энергии волн в направляющих системах оказывают влияние проводники и диэлектрики , встречающиеся на их пути. Это уменьшение передаваемой энергии оценивается затуханием сигнала через коэффициент

                                   ,         (3.10)   где

- коэффициент учитывающий потери части энергии, расходуемой на нагрев проводов при проникновении ЭМ поля внутрь проводника (за счет искажения линий электрического поля полем соседних проводников), а также потери вблизи лежащих проводниках в которых ЭМ поле вызывает вихревые токи;

- коэффициент, учитывающий диэлектрические потери (если диэлектрик не идеальный, например, как воздух);

- коэффициент учитывающий потери на излучение в свободное пространство.

 Поверхностный эффект. В соответствии с выражением, полученным в предыдущей лекции, с ростом частоты переменного тока растет  плотность тока у поверхности проводника. Неполное использование сечения проводника приводит к увеличению его сопротивления. Это и есть поверхностный эффект.

 Эффект близости. Если проводники находятся достаточно близко, то в результате взаимодействия зарядов и токов этих проводников распределение полей меняется. В двухпроводных цепях переменное магнитное поле проводников вызывает перераспределение плотностей токов в этих проводниках по сечению. В симметричных и коаксиальных цепях эффект близости проявляется также как и поверхностный эффект, вызывая сосредоточение токов на поверхности проводников.

 Сверхпроводимость. Ряд металлов (алюминий, цинк, титан, кадмий, ниобий, свинец, висмут и т.д.), а также многие сплавы при температурах близких к нулевым (2-10 К), переходят в сверхпроводящее состояние. Резко падает их сопротивления (более чем в 1011 раз), поверхностный эффект достигает предела: электромагнитное поле не проникает в глубь проводника, ток практически течет по его поверхности и проводник приближается к идеальному. В нем отсутствуют потери.

Эффект сверхпроводимости используют для конструирования кабелей с чрезвычайно малыми потерями в металле и диэлектриках. Сейчас созданы синтетические материалы, проводники и диэлектрики, которые проявляют сверхпроводимость или резкое снижение диэлектрических свойств при температурах лишь на несколько десятков градусов ниже нуля по шкале Цельсия.

 Электромагнитное экранирование. В технике передачи электрических сигналов очень важно избежать взаимных влияний между соседними цепями, а также влияние внешних электромагнитных полей, создающих помехи и опасные напряжения. Действенной мерой защитой от влияния переменных электромагнитных полей является электромагнитное экранирование. Оно основано на том, что проникая из диэлектрика в металл, сильно затухает, распространяясь в металле. Экранирующее действие тем сильнее, чем толще экран, чем больше магнитная проницаемость и меньше удельное сопротивление металла, а также частота изменения поля. С удалением экрана от экранируемых цепей эффект экранирования возрастает. Одновременно уменьшаются потери в экране на вихревые токи, т.е. снижается затухание в цепи. Однако увеличение диаметров экранов в кабелях экономически невыгодны, так как приводит к увеличению поперечного сечения кабеля и дополнительному расходу материала.

4.Способы расчета направляющих систем

В зависимости от диапазона используемых частот, конструкции направляющей системы, вдоль которой распространяется электромагнитная энергия, можно условно выделить два различных способа расчета: с использованием уравнений поля и уравнений теории цепей.

Хотя способ основанный на использовании уравнений поля является универсальным из-за сложности в явном виде его используют для расчета электромагнитных процессов в области достаточно высоких частот, когда в первом уравнении системы ( ) необходимо учитывать слагаемое , характеризующее изменение магнитного поля тока смещения в пространстве. Например, при расчете металлических волноводов (учитывают токи смещения и проводимости) и диэлектрических волноводов (учитывают только токи смещения).

Инженерный расчет с применением уравнений теории цепей более простой по сравнению с прямым решением уравнений Максвелла. Электромагнитное поле в уравнениях линии не фигурирует явно. В место него для каждого поперечного сечения линии передачи в каждый момент времени  определяют две величины - напряжение  и ток . При этом каждый однородный участок цепи характеризуется четырьмя параметрами: активным сопротивлением , индуктивностью  , ёмкостью , и проводимостью изоляции , численные значения которых зависят от конфигурации электромагнитного поля, связанного с данной направляющей цепью.

Уравнения теории цепей используют также при расчетах взаимных влияний между цепями и при расчетах воздействий внешних магнитных полей от высоковольтных линий электропередачи на цепи телемеханики и связи.

 Однако прежде чем пользоваться методами расчета теории цепей необходимо получить значения параметров входящих в эти уравнения. Для этого также эффективно используют уравнения поля.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61646. Норма и отклонение в физическом, психическом, интеллектуальном и речевом развитии человека 38.2 KB
  Понятие коррекционно-развивающей работы с детьми. Норма и отклонения в физическом, психическом, интеллектуальном и речевом развитии человека. Категории и классификации нарушений, отклонений в развитии человека.
61647. Рынок как особый институт экономической системы 21.73 KB
  В широком Рынок это весь сложный механизм движения благ и услуг в форме товаров и денег в рамках всего общественного воспроизводства на всех уровнях экономической системы данного общества. Рынок – механизм соединяющий производителей интерес потребителей.
61648. Путешествие в теплые края 17.69 KB
  Цель: Познакомить детей с природой жаркого тропического пояса его особенностями и обитателями. Задачи: Воспитательная: воспитывать бережное отношение к природе; Образовательная: познакомить детей с природой жаркого тропического пояса его особенностями и обитателями...
61649. Письмо строчной и заглавной Т - т 27.42 KB
  Сформировать в памяти ясный четкий образ буквы. Учитель предупреждает детей о том что каждая строка в стихотворении начинается с большой буквы и с новой строки.
61652. Гликолиз 39.32 KB
  Задачи: Дать представление об обмене энергии в клетке. А что же является одним из основных поставщиков энергии в клетке Глюкоза В результате ее расщепления происходит запасание АТФ.