Волноводы и линии передачи

Проводящие структуры направляют электромагнитные волны, поддерживая дискретные моды выше частот отсечки и передавая сигналы и энергию.

Definition

Изучение электромагнитных волн, ограниченных и направляемых проводящими или диэлектрическими структурами, где граничные условия ограничивают распространение дискретным набором мод, каждая из которых имеет частоту отсечки и характерные дисперсию, импеданс и картину поля.

Scope

Эта тема охватывает направленное распространение электромагнитных волн в линиях передачи и полых или диэлектрических волноводах: поперечные электрические, поперечные магнитные и поперечные электромагнитные моды, частоты отсечки, дисперсию в волноводах, характеристический импеданс, уравнения телеграфиста, стоячие волны и резонаторы. Она связывает граничные условия на проводниках с практической передачей сигналов и энергии.

Core questions

• Как граничные условия определяют моды, которые может поддерживать волновод?
• Почему полый волновод имеет частоту отсечки?
• Как линии передачи переносят сигналы и что определяет их импеданс?

Key concepts

• ТЕ, ТМ и ТЕМ моды
• частота отсечки
• характеристический импеданс
• уравнения телеграфиста
• коэффициент стоячей волны
• резонатор
• дисперсия в волноводе

Key theories

Моды волновода и отсечка

Граничные условия на проводящих стенках ограничивают поля дискретными поперечными электрическими и поперечными магнитными модами, каждая из которых распространяется только выше частоты отсечки, определяемой геометрией волновода.

Теория линий передачи

Уравнения телеграфиста описывают волны напряжения и тока на линии в терминах распределенной индуктивности, емкости, сопротивления и проводимости, определяя характеристический импеданс и отражение от несогласованных нагрузок.

Clinical relevance

Волноводы и линии передачи направляют сигналы и энергию в радиолокационных, спутниковых и микроволновых линиях связи, ускорительных и магнитно-резонансных радиочастотных системах, межсоединениях печатных плат, а также в устройствах микроволнового нагрева и абляции.

History

Хевисайд разработал теорию линий передачи и уравнения телеграфиста в конце XIX века. Рэлей проанализировал распространение волн в полых волноводах в 1897 году, а практические технологии полых волноводов и микроволновой техники развивались в 1930-1940-х годах благодаря работам Саутфорта, Барроу и других.

Key figures

• Oliver Heaviside
• John William Strutt (Lord Rayleigh)
• George Southworth

Seminal works

• jackson1998
• pozar2011

Frequently asked questions

Почему полый волновод перестает передавать сигнал ниже определенной частоты?

Граничные условия вынуждают поле соответствовать поперечной картине с минимальным пространственным масштабом; ниже соответствующей частоты отсечки волна не может удовлетворить этим условиям и затухает вместо распространения.

Что такое характеристический импеданс?

Это отношение напряжения к току для волны, распространяющейся по линии передачи, определяемое геометрией и материалами линии; согласование нагрузок с ним предотвращает отражения.