В полых металлических волноводах волны распространяются в диэлектрической среде, ограниченной металлической поверхностью, замкнутой в поперечной плоскости. Распространение электромагнитных волн вдоль такой направляющей системы можно представить как результат их многократного полного отражения от границы раздела, ведь диэлектрик — идеальный проводник. На рис. 10.13 показано полное отражение электромагнитных волн от стенок металлического полого волновода и на границе раздела двух диэлектриков.
б
Рис. 10.13. Полное отражение электромагнитных волн от стенок металлического полого волновода (а) и на границе раздела двух диэлектриков (б)
Полное отражение плоской электромагнитной волны от границы раздела диэлектрик—металл происходит при любом угле падения φ волны на эту границу. Аналогичное явление полного отражения электромагнитных волн наблюдается при определенных условиях и на границе раздела двух диэлектрических сред, но при меньшем диапазоне углов падения волны на границу раздела.
Рассмотрим падение плоской электромагнитной волны на плоскую границу раздела двух немагнитных диэлектрических сред (μ1 = μ2 = 1) с относительными диэлектрическими проницаемостями, подчиняющимися условию ε1 > ε2 (см. рис. 10.13, б). Если волна падает под углом φ относительно нормали к границе раздела из среды с большей относительной диэлектрической проницаемостью ε1 то характер процессов, происходящих на границе, зависит от того, какое из двух соотношений выполняется - φ < φпо или φ ≥ φпо, где φпо = arcsin (√ε2/ ε1) - угол полного внутреннего отражения. Если выполняется первое условие φ < φпо, то в соответствии с законами геометрической оптики на границе раздела падающая волна порождает в первой среде отраженную волну, а во второй среде — преломленную волну.
При выполнении второго условия φ ≥ φпо на границе раздела в первой среде также порождается отраженная волна. Во второй же среде в этом случае преломленная волна отсутствует, а вместо нее возникает поверхностная волна, распространяющаяся в плоскости падения z0xвдоль границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением, так как падающая волна во вторую среду фактически не проходит.
Электромагнитное поле в первой среде является результатом векторного сложения полей падающей и отраженной волн и представляет собой бегущую волну, распространяющуюся вдоль оси 0z. Это поле вместе с полем поверхностной волны во второй среде образуют единый направляемый волновой процесс. Движущаяся вдоль границы раздела диэлектриков волна является замедленной по сравнению со свободно распространяющейся во второй среде волной. Таким образом, в результате падения плоской волны из оптически более плотной среды (с большим значением ε) на границу раздела двух диэлектрических сред образуется волна, распространяющаяся вдоль границы раздела. В оптически менее плотную среду эта волна проникает только в тонкий приграничный слой. Поток энергии, переносимый этой волной, направлен также вдоль границы раздела сред. В направлении нормали к границе раздела средний за период колебаний поток энергии отсутствует. Следовательно, граница раздела двух диэлектрических сред по отношению к падающей на нее под углом φ ≥ φпо волне выступает как направляющая система.
Передача энергии с помощью замедленных волн, связанных с границей раздела двух диэлектриков, используется в диэлектрических линиях передани. Эти линии представляют собой сплошные или полые диэлектрические стержни с различной формой поперечного сечения и относительной диэлектрической проницаемостью ε1 большей, чем у окружающей среды (обычно воздух, имеющий ε2 = 1).
С возрастанием частоты большая часть энергии направляемой волны концентрируется в материале стержня. С понижением частоты растет глубина проникновения поля волны в среду, окружающую стержень, и соответственно возрастает доля энергии, переносимая волной в этой среде.
Потери энергии электромагнитного поля в стержне из диэлектрика выше, чем в воздухе, поэтому при повышении концентрации поля волны в объеме стержня растет ее затухание. С увеличением радиуса поля коэффициент затухания волны уменьшается, но одновременно ослабляется связь поверхностной волны с линией передачи. При большом радиусе поля поверхностная волна оказывается неустойчивой и легко излучается в местах изгибов линии и на других нерегулярностях ее структуры. Для устойчивого распространения поверхностной волны вдоль диэлектрической линии радиус поля не должен превышать нескольких длин волн.
Для обеспечения одномодового режима работы диэлектрической линии передачи диаметр d диэлектрического стержня должен быть достаточно малым, чтобы не допустить выполнения условия существования ближайшей моды высшего типа с критической длиной волны λкр ≈ 1,3 d √ ε1 - ε2.
Если размеры поперечного сечения диэлектрического стержня примерно равны длине волны, то значительная доля энергии направляемой волны сосредоточена в объеме стержня. При таких условиях стержень может подвергаться изгибам радиусом 10...20 длин волны без появления заметного излучения. На основе такой линии передачи удобно выполнять различные узлы СВЧ-схем. Если в качестве диэлектрика стержня использовать фторопласт, то затухание на длине волны около 1 мм в несколько раз меньше, чем в соответствующих полых металлических волноводах.
Если размеры сечения диэлектрического стержня в несколько раз меньше длины волны, то большая часть энергии направляемой волны сосредоточена в окружающем пространстве. При этом затухание волны может быть в несколько десятков раз меньше, чем в стандартных полых металлических волноводах. Однако такие линии нельзя подвергать изгибам из-за возможности возникновения больших потерь на излучение и из них трудно создавать узлы СВЧ-схем.
Диэлектрические линии передачи особенно важны для коротковолновой части миллиметрового диапазона волн. Здесь полые металлические волноводы имеют малые поперечные размеры, из-за чего характеризуются значительными потерями, малой предельной мощностью и возникновением существенных технологических трудностей при изготовлении их с требуемой точностью.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.