Материал: Фейнмановские лекции по физике. Вып. 6 Электродинамика

Ф а г. 24.13. Направленный ответвитель.

воде. Направленный ответвитель (фиг. 24.13) — это кусок волновода АВ, к одной из сторон которого припаян другой кусок волновода CD. Труба CD отогнута в сторону так, чтобы поместился соединительный фланец. Прежде чем спаять трубы, через соседние их стенки насквозь просвер­ лили пару (или несколько) отверстий, чтобы через них часть полей в главном волноводе АВ могла пройти во вто­ ричный волновод CD. Каждое отверстие действует как антенна — генерирует волны во вторичном волноводе. Если бы отверстие было одно, то волны расходились бы в обе стороны и были бы одинаковы независимо от того, куда на­ правлены волны в первичном волноводе. Но когда отверстий два и когда расстояние между ними равно четверти длины волны в волноводе, то они представляют собой два источника, сдвинутые по фазе на 90°. А вы помните, мы рассматривали в гл. 29 (вып. 3) интерференцию волн от двух антенн, раздви­ нутых на Х/4 и возбуждаемых со сдвигом 90° по фазе? Мы установили тогда, что в одном направлении волны вычи­ таются, а в другом складываются. То же самое происходит и здесь. Волна, генерируемая в CD, будет бежать в ту же сторону, что и АВ.

И если волна в первичном волноводе бежит от А к В, то на выходе D вторичного волновода мы тоже заметим волну. Если же волна в первичном волноводе бежит от В к А, то во вторичном волноводе волна побежит к С. А на этом конце стоит такое окончание, что эта волна в нем поглотится и на выходе ответвителя волн вообще не будет.

§ 7. Типы волн в волноводе

Выбранная нами для анализа волна — всего лишь одно из решений уравнений поля. Их на самом деле куда больше. Каждое решение представляет собой свой «тип волны» в вол­ новоде. Скажем, в нашей волне вдоль направления х укла­ дывалось только полсинусоиды. Ничуть не хуже решение,

вкотором вдоль х укладывается вся синусоида; изменение Е„

сх тогда показано на фиг. 24.14. У этого типа волн kx вдвое

23S

У

Ф и г. 24J4» Еще одна возмож- нал зависимость Ev от х.

а х

больше и граничная частота много выше. Кроме того, изучен­ ная нами волна Е имеет лишь (/-компоненту, но бывают и типы волн с более сложными электрическими полями. Если у электрического поля есть только х- и ^-компоненты, так что оно всегда перпендикулярно оси 2, то такой тип волн назы­ вается «поперечным электрическим» (или сокращенно ТЕ) типом волн. Магнитное поле в волне такого типа всегда обла­ дает 2 -компонентой. Далее, оказывается, что когда у Е есть 2 -компонента (вдоль направления распространения), то у маг­ нитного поля есть только поперечные компоненты. Такие поля называются «поперечными магнитными» (сокращенно ТМ) типами волн. В прямоугольном волноводе все типы обладают более высокой граничной частотой, чем описанный нами про­ стой Г£-тип. Поэтому всегда возможно (и так обычно делают) использовать такой волновод, в котором частота немного пре­ вышает граничную частоту этого наинизшего типа колебаний,

типа. В противном случае поведение волн усложняется и его трудно контролировать.

§ 8• Другой способ рассмотрения волн в волноводе

Теперь я хочу по-другому объяснить вам, почему волновод так сильно ослабляет поля, частота которых ниже граничной частоты сос. Я хочу, чтобы вы получили более «физическое» представление о том, почему так резко меняется поведение волновода при низких и при высоких частотах. Для прямо­ угольного волновода это можно сделать, анализируя поля на языке отражений (или изображений) в стенках волновода.

239

W}

Линейный

X Волновод

z l

Wz

S,*-

> \ Изображений у / источников

V -

Такой подход годится, однако, только для прямоугольных волноводов; вот почему мы начали с математического ана­ лиза, который в принципе годится для волноводов любой формы.

Для описанного нами типа колебаний вертикальные раз­ меры (по у) не имели никакого значения, поэтому можно не обращать внимания на верх и низ волновода и представлять себе, что волновод в вертикальном направлении простирается бесконечно. Пусть он просто состоит из двух вертикальных пластин, удаленных друг от друга на расстояние а.

Давайте возьмем в качестве источника полей вертикаль­ ный провод между пластинами; по нему течет ток, который меняется с частотой (о. Если бы волновод не имел стенок, то от такого провода расходились бы цилиндрические волны.

Представим, что стенки волновода сделаны из идеального проводника. Тогда, в точности как в электростатике, условия на поверхности будут выполнены, если к полю провода мы добавим поле одного или нескольких правильно подобранных его. изображений. Представление об изображениях работает в электродинамике ничуть не хуже, чем в электростатике, при условии, конечно, что мы учитываем запаздывание. Мы знаем, что это так, потому что мы много раз видели в зеркале изображение источника света. А зеркало —это и есть «идеала ный» проводник для электромагнитных волн оптической ча­ стоты.

Рассечем наш волновод горизонтально, как показано на фиг. 24.15, где и W2 — стенки волновода, a S0— источник (провод). Обозначим направление тока в проводе знаком плюс. Будь у волновода лишь одна стенка, скажем W\, ее можно было бы убрать, поместив изображение источника

240