5. Лекция 13

   1. Токи на стенках прямоугольного волновода

Для нахождения плотности поверхностного тока на идеально проводящих стенках волновода воспользуемся уже известной формулой: . Орт нормалиравен:

Выражения для плотности поверхностного тока легко находятся из приведенных выражений. Например, в случае волны на нижней стенке () текут и продольные, и поперечные токи с плотностями

,

а на боковой стенке () имеются только поперечные токи с плотностью

.

На противоположной широкой () стенке величина токов аналогична приведенным, однако направление протекания противоположно, поскольку направление нормали также противоположно. На второй узкой () стенке направление нормали противоположно:, однако противоположно и направление вектора магнитного поля; в результате на узких стенках для любоготоки совпадают по величине и направлению.

Из приведенных выражений, а также знания картины распределения силовых линий вектора в исследуемой волне, построение линий тока на стенках не представляет затруднений. Эти линии образуют семейство кривых, ортогональное семейству силовых линий магнитного поля. На рисунке Рисунок 23 показано распределение линий поверхностного тока на нижней широкой стенке волновода, т.е. прии, т.е. нормаль направлена от плоскости рисунка к зрителю; по правилу векторного умножения при умножении этого вектора нормали на вектор, протекающего вправо (для правой нижней части рисунка) получим вектор, направленный вверх (вдоль оси):.

23. −Распределение токов на нижней широкой стенке волновода

Распределение токов на узкой стенке волновода показано на рисунке Рисунок 24 , а распределение по всей поверхности волновода − на рисунке Рисунок 25 . Важно отметить, что на рисунке приведена мгновенная картина распределения токов, во времени она перемещается как единое целое с фазовой скоростью .

24. −Распределение токов на узких стенках волновода

25. −Распределение токов на внутрененей поверхности волновода и щели на стенках волновода

Физически можно представить, что ток, растекаясь, например, из центральной области нижней широкой стенки по радиальным направлениям, затем огибает два нижних ребра и, пройдя по узким стенкам волновода, вновь стекается в центральной области широкой верхней стенки. Через половину длины волны направления токов меняются на противоположные.

2. Излучающие и неизлучающие щели

Приведенное исследование распределения поверхностных токов на стенках волновода с волной позволяет качественно решить весьма важную для практики задачу о связи волновода с окружающим пространством посредством щелей, прорезанных в его стенках.

В волноводной технике щелью, как правило, называют прямоугольное отверстие, длина которого значительно превосходит ширину.

Предположим, что в узкой стенке волновода прорезаны две щели, одна из которых ориентирована в осевом направлении, а вторая − в поперечном (рисунок Рисунок 25 ). Первая из них характерна тем, что она перерезает линии поверхностного тока под углом . Ток, подтекающий к верхней кромке разреза, вызовет здесь избыток положительных зарядов (рассматривается электротехническое направление тока). Очевидно, что на нижней кромке будет наведен равный по величине отрицательный заряд. Во времени эти заряды будут изменяться в такт с колебаниями генератора. Подобные щели ведут себя как излучатель электромагнитных волн.

Совсем по другому ведет себя щель, прорезанная параллельно линиям тока. Из-за узости такой щели колчество наведенных зарядов будет весьма невелико, так что излучение из щели будет незначительным.

Итак, может быть сформулирован общий принцип: щель в стенке волновода излучает в том случае, если она перерезает линии тока.

Излучающие щели находят широкое применение при создании так называемых щелевых волноводных антенн в диапазоне сантиметровых волн. В ряде случаев возникает потребность в неизлучающих щелях, позволяющих вводить внутрь волновода различные измерительные устройства без нарушения структуры поля. В качестве примера на рисунке показан схема волноводной щелевой измерительной линии − одного из важных измерительных приборов СВЧ. Здесь подвижный зонд, т.е. миниатюрная антенна, соединенная с детектором, перемещается вдоль узкой щели, прорезанной в осевом направлении точно посередине широкой стенки волновода. Выбор такого расположения щели обеспечивает отсутствие излучения из волновода. Измеряя ток детектора в различных точках по оси волновода, можно изучать картину распределения стоячей волны и находить параметры нагрузок, подключаемых к волноводу.