Основные определения

Однопроводные направляющие системы

Электромагнитная волна в устройствах и системах связи должна распространяться по определённому пути, не взаимодействуя без надобности с другими волнами, и достигать пункта назначения с наименьшими потерями. Функцию ведения волны по заданному пути выполняют направляющие системы; их также называют линиями передачи или волноводами. На рисунке 1 показаны поперечные сечения наиболее типичных направляющих систем, применяемых в различных частотных интервалах.

Электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль такой системы, называют направляемой. Поле этой волны сосредоточено в поперечном сечении ограниченных размеров; следовательно, направляемая волна неоднородна; на некотором расстоянии от оси системы её поле очень мало, либо равно нулю. Направляемая волна не должна излучать в окружающее пространство, поэтому поток энергии в поперечном направлении в среднем за период отсутствует. Направляющая система называется регулярной, если она прямолинейна и её поперечное сечение неизменно по длине.

По выполняемым функциям направляющие системы разбивают на две группы: фидеры и линии дальней связи. Фидеры служат для передачи электромагнитной энергии между блоками аппаратуры, находящимися на сравнительно небольшом расстоянии: внутри усилителя или счётной машины, между антенной и передатчиком или приёмником. Линии дальней связи применяются для передачи электромагнитных сигналов на значительные расстояния (между населёнными пунктами, городами, странами). Аналогичные функции выполняет линия радиосвязи, но в этом случае электромагнитная волна распространяется в свободном пространстве и поперечные размеры её поля строго не ограничены.

Направляющие системы должны удовлетворять ряду требований. Основными из них являются следующие:

- малый коэффициент затухания, обеспечивающий высокий КПД фидера, либо достаточный уровень сигнала для качественного приёма на конце участка линии связи;

- обеспечение заданной передаваемой мощности, что существенно для мощных фидеров. При этом не должен возникать электрический пробой и температурный перегрев системы;

- экономическая целесообразность, определяемая умеренными поперечными размерами, малым весом, доступными материалами, простотой конструкции и технологии производства.

Не существует универсальных направляющих систем, удовлетворяющих поставленным требованиям во всех диапазонах частот. Наоборот, освоение каждого нового участка спектра неизменно сопровождается созданием новых типов направляющих систем. Основное противоречие заключается в том, что коэффициент затухания направляющих систем большей частью растёт с частотой. Создание новых систем позволяет продвинуться по шкале частот, не поднимаясь слишком высоко по шкале коэффициентов затухания.

Физические принципы действия направляющих систем различны. От постоянного тока до сотен мегагерц используют двухпроводные и коаксиальные линии. Структура поля в указанных системах такова, что линии электрического поля начинаются на одном проводнике, а заканчиваются на другом.

В полых металлических волноводах, работающих в высокочастотном диапазоне (от гигагерц до терагерц), плоская однородная электромагнитная волна распространяется внутри трубы зигзагами, многократно отражаясь от её металлических стенок.

Волноводы поверхностной волны (диапазон частот от десятков мегагерц до тысяч терагерц) используют эффекты полного отражения, и возникновения поверхностной волны при наклонном падении луча на границу раздела двух диэлектриков. Как и в полых металлических волноводах, волна распространяется в них, многократно отражаясь от границы раздела.