Вопрос 3. Световоды. Структура и параметры диэлектрических волноводов.

В СВЧ - диапазоне диэлектрические волноводы применяются в качестве линий передачи миллиметровых и субмиллиметровых волн, так как обеспечивают на этих длинах волн передачу большей мощности с меньшими потерями, чем металлические линии передачи. В них используются в основном диэлектрические стержни из полимерных материалов (полиэтилен, фторопласт, органическое стекло) круглого, эллиптического или прямоуголь­ного сечения. Последние две формы сечения позволяют обеспечить фиксацию плоскости поляризации волны, однако их расчет более сложен, чем круглого ДВ.

Рассмотрим основные параметры волны типа ЕН₁₀ в круглом ДВ. Особенностью открытых линий передачи является наличие электромагнитного поля и потока энергии в окружающем вол­новод пространстве. Граничный радиус поля г₀ принято опре­делять из условия

При этом, как показывают расчеты, внутри окружности радиусом r₀ проходит 80—90% энергии волны, а напряженность поля при r=r₀ составляет 5—10% от напряженности поля на поверхности стержня. Для нормального распространения волны в диэлектрическом волноводе необходимо иметь вокруг него свободное пространство в радиусе (2— 3) r₀, что создает трудности при его установке в аппаратуру.

Рабочий диапазон частот круглого ДВ ограничен сверху значением к_с = 2,405, или

если диэлектрический стержень находится в воздухе или вакууме. Хотя критическая частота волны типа ЕН₁₀ равна нулю, на очень низких частотах значение стремится к нулю, а фазовая скорость волны — к скорости света в окружающей среде. Это приводит к увеличению граничного радиуса r₀ и потере способности волны следовать за изгибами стержня. Поэтому нижнюю границу рабочего диапазона f_н находят из условия , т. е. фазовая скорость должна быть меньше скорости света в окружающей среде хотя бы на 0,1%. При и это эквивалентно неравенству , что определяет значение . Для стержня из полиэтилена радиусом 1 см, находя­щегося в воздухе f_н = 3,8 ГГц; = 0,036; r_0н = 28 см; f_с = 9,4 ГГц.

Затухание волн в волноводе обусловлено потерями в диэлек­трике. Его значение пропорционально потоку энергии волны, распространяющемуся в стержне, так как в воздухе диэлект­рические потери весьма малы. Отсюда следует, что отношение этого потока к общей мощности волны не должно быть слишком большим. Это условие ограничивает рабочий диапазон со стороны высоких частот значением . Зависимость основных пара­метров круглого диэлектрического волновода от нормированной частоты показана на рис. 5.15.

Рис. 5.15.

Как видно из графика, в оптимальном рабочем диапазоне постоянная затухания волны типа ЕН₁₀ в круглом ДВ составляет 5—15% от постоянной затухания плоской Т-волны в материале стержня.

Из выражения для нормированной частоты следует, что при близких по значению показателях преломления сред, образующих волновод, его характерный размер а может быть много больше длины волны в свободном пространстве при сохранении одномодового или близкого к нему режима работы волновода. Это обстоятельство используется при создании диэлектрических вол­новодов оптического диапазона — световодов.

В настоящее время применяются в основном пленочные и волоконные световоды. Основу пленочного световода составляет пленка, выращенная на диэлектричес­кой подложке или сформированная в ней методами интегральной тех­нологии (рис. 5.16а). Показатель пре­ломления подложки должен быть ме­ньше, чем пленки. Такие волноводы используются для передачи света на небольшие расстояния — в пределах интегральной схемы оптического диа­пазона. Анализ показывает, что в пле­ночных ДВ возможно существование волн трех типов: свободных волн в воздухе, фазовая скорость которых , свободных волн в подложке и направленных волн в пленке (волноводные моды), фазовая скорость которых удовлетворяет неравенству .

Рис. 5.16.

Области существования этих типов волн показаны на диспер­сионной характеристике пленочного ДВ (рис. 5.17, 1 — волноводные волны в пленке; 2—область свободных волн в под­ложке; 3 — область свободных волн в воздухе). Для передачи информации используются волны третьего типа.

Рис. 5.17.

Волоконный диэлектрический волновод (световод) состоит из сердцевины (керна) и оболочки круглого поперечного сечения. Керн и оболочка выполнены из специальных стекол, отлича­ющихся коэффициентом преломления и сваренных между собой (рис. 5.17б). На наружную поверхность оболочки наносится по­глощающее свет покрытие. Жгуты таких волокон (оптические кабели) применяются для передачи изображений, а также ин­формации на большие расстояния (дальняя оптическая связь).

В первом случае диаметр керна составляет 10—20 мкм, диаметр оболочки — 50 мкм, . При длине волны излучения = 600 нм нормированная частота . При таком значении R в волноводе может распространяться несколько тысяч типов волн. Различие их фазовых и групповых скоростей в данном случае не имеет значения, так как при передаче даже быстро движущихся изображений на небольшие расстояния яркость на входе каждого световода меняется медленно по сравнению с временем пробега сигнала по световоду.

Для передачи больших объемов информации на значительные расстояния желательно обеспечить одномодовый режим работы световода. С этой целью диаметр сердцевины уменьшают до 3—5 мкм, а нормированную диэлектрическую проницаемость до 1,005—1,01. Применение специальных, особо чистых стекол и современной технологии изготовления световодов для дальней связи позволило снизить затухание в них до 0,2 дБ/км на длине волны =1,55 мкм, что в десятки раз меньше затухания при распространении этого же излучения в атмосфере. Наименьшее значение затухания и дисперсии получается в градиентных световодах, показатель преломления которых плавно меняется по радиусу, например по пара­болическому закону. Применение новых материалов позволяет снизить затухание в световодах еще на порядок.

В заключение рассмотрим особенности распространения электромагнитных волн в диэлек­трических трубках. При больших углах падения луча парциаль­ной волны на внутреннюю по­верхность трубки происходит полное внутреннее отражение от ее наружной поверхности (рис. 5.18).

Рис. 5.18.

Соответствующий тип волны распространяется с очень малым затуханием, так как большая часть его электромагнитного поля сосредоточена внутри трубки (в воздухе).

Небольшое уменьшение угла падения приводит к появлению преломленного луча и излучению энергии из трубки. Такие типы волн имеют большую постоянную затухания. Поэтому диэлектрическая трубка имеет разреженный спектр типов волн и может работать в одномодовом режиме при больших по сравнению с длиной волны размерах поперечного сечения. Таким образом, ее можно рассматривать как сверхразмерный диэлектрический волновод.