Глава 1. Структура и свойства поля плоской волны, возбуждаемой сторонним током.

 

1.1. Введение

Плоские волны являются одним из простейших видов электромагнитных волн. Чтобы сформировать более полное представление о плоских электромагнитных волнах, изложим основные понятия и приведём наиболее важные характеристики этого класса волн.

В теории электромагнитного поля важным понятием является фронт волны. Фронтом волны или волновой поверхностью называют поверхность, во всех точках которой волна в заданный момент времени имеет одинаковую фазу. Следовательно, волновая поверхность - это поверхность равных фаз. У плоской волны поверхность равных фаз - плоскость.

Скорость движения волновой поверхности называется фазовой скоростью. Если фазовая скорость больше скорости света в данной среде, волну называют быстрой, а если меньше, то медленной.

Плоские волны бывают однородными и неоднородными. Плоская волна называется однородной, если в любой момент времени векторы электромагнитного поля равны во всех точках волновой поверхности. В этом случае поверхность равных амплитуд совпадает с поверхностью равных фаз. Если векторы поля изменяются в пределах волновой поверхности, то волна называется неоднородной. В поле плоской неоднородной волны поверхности равных фаз и амплитуд не совпадают.

Если плоская неоднородная волна распространяется над некоторой плоскостью и при этом её фазовая скорость меньше скорости света в данной среде, а амплитуда её убывает по экспоненциальному закону в направлении нормали к плоскости, то есть электромагнитное поле и его энергия локализованы около этой плоскости, то волну такого типа называют поверхностной.

Важным понятием является поляризация электромагнитных волн. Под поляризацией понимают характер изменения вектора напряжённости электрического поля в данной точке пространства за период колебаний. Если изменения происходят по случайному закону, то принято поле называть неполяризованным.

Плоская волна может быть поляризована линейно или иметь вращающуюся поляризацию.

Если при распространении волны векторы её поля и , перемещаясь в пространстве, остаются ориентированными параллельно самим себе, волна называется линейно поляризованной.

В случае вращающейся поляризации положение вектора не остаётся постоянным. В фиксированной точке пространства вектор вращается с угловой скоростью . Конец вектора при этом за период колебаний описывает либо окружность, тогда вращающуюся поляризацию называют круговой, либо эллипс, тогда поляризация - эллиптическая. Отношение малой оси к большой оси эллипса называется коэффициентом эллиптичности (). В случае круговой поляризации .

Плоские электромагнитные волны существуют в однородных безграничных средах. Однако в реальных условиях плоские однородные волны существовать не могут, так как невозможно реализовать неизменность амплитуды вдоль бесконечной плоскости. Тем не менее изучение плоских электромагнитных волн имеет большое практическое значение, так как, во-первых, многие виды волн с большим или меньшим приближением можно считать плоскими. Например, на конечном участке волновой поверхности сферическую волну на достаточно большом расстоянии от её источника можно рассматривать как плоскую. Во-вторых, другие типы волн можно представить в виде суперпозиции плоских волн, а с математической точки зрения анализ процесса излучения плоских волн значительно проще, нежели других типов волн.

Теория плоских волн используется также при анализе полей излучения сложных антенных систем - антенных решёток, ибо поле антенной решётки удобно представить в виде ряда плоских волн.

В работе рассматривается задача возбуждения электромагнитного поля плоской волны заданными сторонними электрическими или магнитными поверхностными токами. Анализируется структура поля, определяются его характеристики с целью выявления основных закономерностей и свойств плоских волн.

Решив задачу о поле листа тока, можно, воспользовавшись принципом суперпозиции, получить решение задачи о поле произвольного распределения тока, так как любое распределение поверхностного тока с помощью интегрального преобразования Фурье можно представить в виде наложения листов тока с равномерным распределением амплитуды и линейным изменением фазы.

Следует отметить, что по современным воззрениям магнитные токи в природе не существуют. Однако введение понятия сторонних фиктивных магнитных токов очень часто упрощает электродинамические расчёты.