Классификация направляющих систем

Направляющей системой или линией передачи в электродинамике называется система тел, обеспечивающих перенос энергии электромагнитного поля в определённом направлении. В качестве элементов таких систем, направляющих поток энергии в нужном направлении, обычно выступают какие-либо металлические или диэлектрические поверхности.

Волна, распространяющаяся в направляющей системе, называется направляемой волной. Структура электромагнитного поля направляемых волн отличается от структуры поля волн, распространяющихся в свободном (безграничном) пространстве. Поле направляемой волны должно удовлетворять не только уравнениям Максвелла, но и граничным условиям, задаваемым структурой линии передачи.

Регулярными называют направляющие системы, у которых поперечное сечение и другие параметры в продольном направлении неизменны или изменяются по периодическому закону. В первом случае систему называют однородной, во втором – периодической.

В направляющих системахоткрытого типа поле, строго говоря, распределено во всём пространстве, однако большая часть его энергии локализуется вблизи направляющих элементов системы. В направляющих системах закрытого типа поле существует в области, отделённой от остального пространства металлической оболочкой.

На рис. 1.1 изображены поперечные сечения некоторых практически важных направляющих систем: двухпроводной линии (а); полых металлических волноводов прямоугольного (б) и круглого (в) сечений; коаксиальной (г) и полосковой (д) линий передачи; круглого диэлектрического волновода (е).

На низких частотах (1 Гц – 100 кГц) широко используются открытые двухпроводные линии передачи. На более высоких частотах возрастают потери за счёт излучения энергии в окружающее пространство. Для уменьшения потерь переходят к закрытым линиям передачи, вводя металлические экраны. В диапазоне от 100 кГц до 3 ГГц, как правило, используются коаксиальные линии передачи, а на частотах свыше 3 ГГц - полые металлические волноводы с различной формой сечения, которые перекрывают сантиметровый и частично миллиметровый диапазон длин волн. С уменьшением длины волны уменьшаются размеры волновода и повышаются требования к качеству поверхности стенок, что создаёт трудности при их изготовлении. Поэтому в миллиметровом диапазоне (на частотах свыше 10-15 ГГц) волноводы вытесняются микрополосковыми линиями, состоящими из двух металлических полосок, разделённых слоем диэлектрика. В оптическом диапазоне (частоты 10¹³-10¹⁵ ГГц) используются диэлектрические волноводы из прозрачных материалов, в которых полностью отсутствуют металлические поверхности.

Рис. 1.1.