10.7. Линии поверхностной волны. Замедляющие системы

10.7.1. Простейшие диэлектрические волноводы

Как было показано в 7.4, при падении плоской электро­магнитной волны на плоскую границу раздела двух диэлектриков при определенных условиях происходит полное отражение волны. При этом как в первой, так и во второй средах возникает направляемая волна, распространяющаяся вдоль границы разде­ла. Во второй среде эта волна является поверхностной: ее поле экспоненциально убывает в направлении нормали к границе раздела. Поскольку фазовая скорость поверхностной волны меньше фазовой скорости ТЕМ -волны во второй среде, иногда эту волну называют медленной.

Рассмотрим некоторые линии передачи, в которых имеют место поверхностные волны.

Пусть на границу раздела двух диэлектриков, удовлетво­ряющих условию k₁ > k₂, падает под углом φ₁ > φ_кр плоская па­раллельно поляризованная волна (см.7.4). В результате полного отражения распределение амплитуд составляющих векторов поля

вдоль нормали к границе раздела (вдоль оси X) имеет характер стоя­чей волны (рис. 10.50). Как видно, имеется множество плоскостей х=х_п, n=1,2,3,... (их следы показаны пунктиром), на которых векторы Е и Н удовлетворяют условиям, анало­гичным граничным условиям на по­верхности идеального проводника. Если одну из плоскостей (х = х_n) металлизировать (сделать идеально проводящей), то структура поля в области х > х„ может быть сохранена. При этом прилегающий к плоскости х = х_п слой диэлектрика (х„<х<0) будет представлять собой направляющую систему открытого типа. В рассматриваемом случае в диэлектрическом слое распространяется Е-волна, распределение амплитуд составляющих векторов поля которой сов­падает при х> х_n с приведенным на рис.10.50. Структура поля (линии векторов Е и Н) этой волны для случая, когда метал­лизирована плоскость x=x₁, показана на рис.10.51. Отметим, что волну, распространяющуюся в диэлектрическом слое, ограни­ченном металлической плоскостью, можно рассматривать как суперпозицию парциальных волн, возникающих при полном отра­жении первичной ТЕМ -волны от поверхности идеального про­водника (х = х₁) и от границы раздела двух диэлектриков (х = 0), как показано на рис.10.52. Полное отражение от границы раздела (х = 0) возможно при углах падения При условия полного отражения не выполняются, и слой диэлектрика перестает играть роль волновода. Для слоя фиксированной толщины d условие выполняется при вполне определенном значении частоты f= f_Kp, называемом критической частотой. Поэтому волна в рассматриваемой системе может распространяться лишь при f > f_Kp.

При полном отражении нормально поляризованной плоской волны от плоской границы раздела двух диэлектриков образуется направляемая Н-волна (см.7.4). Рассуждая далее так же, как в случае параллельной поляризации, придем к аналогичной направляющей системе c волной типа Н.

Таким образом, в системе, состоящей из металлической * пластины, покрытой слоем диэлектрика, при f>f_Kp могут распро­страняться направляемые Е- и H-волны. В общем случае (при конечной проводимости металлической пластины) будут распространяться гибридные волны. Отметим некоторые особенности волн в такой направляющей системе: электромагнитная энергия переносится как в диэлектрике, так и в прилегающей воздушной среде; амплитуды составляющих векторов поля в воздухе экспоненциально убывают по мере удаления от поверхности диэле­ктрика; средний за период поток энергии в направлении нормали к границе раздела "воздух-диэлектрик" равен нулю; фазовая ско­рость направляемых волн меньше фазовой скорости ТЕМ -волны в воздухе (поэтому, как уже отмечалось, такие волны называют медленными).

Свойство границы раздела двух диэлектриков направлять поток электромагнитной энергии сохраняется и при ее цилинд­рическом искривлении (рис. 10.53), т.е. одиночный провод, покры­тый слоем диэлектрика, является волноводом, по которому можно передавать электромагнитную энергию.

Можно выбрать толщину слоя диэлектрика таким образом, что он будет направлять волну и без ограничивающей его метал­лической пластины. Направляемую волну в этом случае можно представить в виде суперпозиции парциальных ТЕМ -волн, распространяющихся путем полного отражения от обеих границ раздела диэлектрика с менее плотной средой.

Как уже отмечалось, направляющие свойства границы раз­дела двух диэлектриков сохраняются и при ее цилиндрическом искривлении. Поэтому направляющей системой является не толь­ко диэлектрический слой, но и диэлектрическая трубка и сплошной диэлектрический цилиндр (рис. 10.54).

Рассмотрим более подробно некоторые из перечисленных направляющих систем.