Электромагнитные поля и волны. Часть 2 (Направляющие системы СВЧ-диапазона. Регулярные волноводы. Колебательные системы СВЧ. Общая теория цепей СВЧ), страница 13

Можно выбрать толщину слоя диэлектрика таким образом, что он будет направлять волну без ограничивающей его металлической пластины. Тогда парциальные Т – волны будут полностью отражаться от двух границ раздела в плоской направляющей системе, которую также можно преобразовать в цилиндрическую. В результате получаются различного вида диэлектрические волноводы, в которых энергия распространяется в толщине диэлектрика и в окружающем его воздухе. Поперечное сечение таких волноводов может быть прямоугольным, квадратным, круглым, эллиптическим. Короткие отрезки диэлектрических волноводов используют в качестве антенн. Фазовая скорость в них меньше скорости света и энергия таких медленных волн концентрируется вблизи волновода. При удалении от волновода в поперечном сечении амплитуда поля уменьшается по е^-αх. Расчеты показывают, что через площадь ограниченную окружностью  радиуса r₀ = 1/α переносится 80 – 90 % мощности бегущей волны. Необходимо иметь вокруг волновода свободное пространство радиусом (2 – 3)r₀, это вызывает трудности при использовании такого волновода. При уменьшении частоты α уменьшается, r₀ – увеличивается и все меньшая доля энергии распространяется в диэлектрическом волноводе, а все большая доля в окружающем пространстве. Поэтому существует нижняя граница рабочей частоты f_н, которая определяется допустимым граничным радиусом r_доп.

В диэлектрических волноводах с металлическими проводниками и без них могут существовать Е - и Н – волны, а при σ_д 0 – гибридные ЕН и НЕ. Основной волной в них является Е – волна низшего типа, у которой f_кр = 0. Одноволновый режим выполняется при

                                                                                           (3.14)

где d -  толщина диэлектрика в плоских волноводах.

В круглом диэлектрическом волноводе основной является волна ЕН₁₁, у которой f_кр =0.

Отметим существенную особенность диэлектрического волновода: одноволновый режим работы для заданной рабочей частоты f_раб>f_кр можно обеспечить уменьшением радиуса стержня - a, а также уменьшением разницы между диэлектрическими проницаемостями материала стержня и окружающего пространства. Выбрав  мало отличающимся от единицы обеспечивается одноволновый режим даже при а>>λ. Это свойство используют при конструировании волноводов в оптическом диапазоне волн.

Диэлектрические волноводы применяют в качестве линий передачи на небольшие расстояния в миллиметровом, субмиллиметровом диапазонах. В оптическом диапазоне используют диэлектрики с малыми tgδ10^-4, это очищенное полимерное стекло, или кварцевое стекло. Такие волноводы называют световодами, их используют для передачи информации на большие расстояния в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).

Световоды. В настоящее время наибольшее применение на практике для передачи оптических сигналов находят пленочные и волоконные световоды (Рисунок3.10).

Рисунок 3.10

Пленочный световод состоит из диэлектрической пленки 1 с ε_пл, подложки 2 с ε₂, параметры среды над пленкой ε₁. При анализе световодов вводится коэффициент преломления n=. Пленку можно рассматривать как плоский диэлектрический волновод, для распространения волн по такому волноводу необходимо, чтобы n_пл>n₁ и n_пл>n₂. Подобные световоды используют для передачи света на небольшие расстояния, в пределах интегральной схемы оптического диапазона.

Волоконный световод состоит из диэлектрических сердечника диаметром d_c и оболочки с диаметром d_об, причем n_c>n_об. Для защиты от внешних воздействий на наружную поверхность оболочки наносится защитный полимерный слой. Коэффициент преломления n может изменятся на границе сердечника и оболочки скачком (ступенчатый световод) или плавно увеличиваться по определенному закону (градиентный световод). Полное отражение парциальных волн происходит на границе оболочки с сердечником в ступенчатом волноводе или в сердечнике, постепенно, в градиентном. В качестве диэлектриков для оболочки и сердечника используют стекло, полимерное или кварцевое. Рабочие длины волн выбирают в окнах прозрачности с минимальным затуханием. Это λ_р   0,85; 1,3; 1,5 микрон.