Передача электромагнитной энергии. Волноводы презентация

Передача электромагнитной энергии. Волноводы

Линии передачи Устройства, в которых происходит образование и распространение направляемых электромагнитных 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.

Общие понятия При передаче энергии электромагнитной волны от источника к приемнику возможны 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) –

Передача электромагнитной энергии вдоль проводов линии Передача энергии вдоль проводов линии осуществляется электромагнитным полем, распространяющемся в диэлектрике вдоль проводов линии. Провода служат только направляющими для электромагнитного поля.

Передача электромагнитной энергии вдоль проводов линии Скорость движения волн электрического тока и напряжения вдоль линии равна скорости движения электромагнитной волны в диэлектрике:

Передача электромагнитной энергии вдоль проводов линии Передача энергии высокой частоты по обычным двухпроводным линиям передачи невозможна 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 .

Коаксиальные линии Коаксиальные линии применяют в дециметровом диапазоне. Эти линии не 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.

Волноводы При частотах больше 109 Гц электромагнитную энергию передают по волноводам. Волновод 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.

Конструкции волноводов

Волноводы Энергия передается вдоль волновода, отражаясь от его стенок. Стенки являются направляющими для потока энергии.

Прямоугольный волновод Будем считать волновод идеальным: Проводимость металлических стенок Проводимость диэлектрика (воздух)

Прямоугольный волновод Будем считать волновод бесконечно длинным и однородным. Тогда электромагнитные волны в нем будут распространяться без отражения. Будем считать, что электромагнитные волны, возбуждаемые в волноводе изменяются по синусоидальному закону (частота ) .

Прямоугольный волновод Распространяющиеся в волноводе электромагнитные волны являются бегущими вдоль оси 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:

Прямоугольный волновод Комплексные выражения мгновенных значений составляющих напряженностей электрического и магнитного поля:

Прямоугольный волновод

Прямоугольный волновод

Прямоугольный волновод

Прямоугольный волновод

Прямоугольный волновод

Прямоугольный волновод

Прямоугольный волновод

Классификация волн в волноводе По волноводу не могут распространяться поперечные волны 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.

Классификация волн в волноводе По волноводу могут распространяться поперечно-электрические волны ТЕ (transverse electric) – магнитные или Н-волны. Электрическое поле полностью расположено в поперечной плоскости, а магнитное поле имеет составляющую, которая совпадает с направлением распространения энергии.

Классификация волн в волноводе По волноводу могут распространяться поперечно-магнитные волны ТМ (transverse magnetic) – электрические или Е-волны. Магнитное поле полностью расположено в поперечной плоскости, а электрическое поле имеет составляющую, которая совпадает с направлением распространения энергии.

Графическое построение картины поля Структуру поля в прямоугольном волноводе изображают в виде проекций силовых линий векторов Е и Н для данного типа волн в рассматриваемом сечении. Волна ТЕ имеет продольную составляющую Еz. Волна ТМ имеет продольную составляющую Нz. 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.