10.7.7. Замедляющие структуры

Поверхностная волна образуется при выполнении опреде­ленных условий на границе раздела сред. Одним из параметров, характеризующих поверхностную волну, является так называемый поверхностный импеданс (поверхностное сопротивление) Z_s, рав­ный отношению комплексных амплитуд касательных состав­ляющих векторов Е и Н, вычисленных на границе раздела, вдоль которой распространяется поверхностная волна. Рассмотрим, например, поверхностную Е-волну, распространяющуюся в воз­духе вдоль плоского диэлектрического волновода (рис. 10.57) или вдоль диэлектрического слоя, ограниченного с одной стороны металлической пластиной (10.55). Как было показано в 10.7.2, комплексная амплитуда продольной составляющей напряженности электрического поля поверхностной волны при х≥ d определяется выражением Применяя формулу (9.20), находим, что Это позволяет на поверхности структуры записать импедансное гра­ничное условие (см. 2.2.2)

Величину Z_Sm часто называют поверхностным импедансом.

Как видно, пока существует поверхностная волна, т.е. вы­полняется неравенство β² > ω²е_оμо или α > 0, поверхностный импеданс Z_s является реактивным, индуктивным по характеру. Это означает, что у распространяющейся волны составляющие E_mz и Н_ту сдвинуты по фазе на π/2. При этом отсутствует средний за период поток энергии, переносимый волной вдоль нормали к границе раздела. Отсутствие активного потока энергии вдоль нормали к границе раздела является характерным признаком поверхностной волны. Поэтому поверхностная волна типа Е будет возникать во всех случаях, когда на границе раздела поверхно­стный импеданс будет чисто реактивным и индуктивным.

Существуют различные способы создания структур, имеющих чисто индуктивный поверхностный импеданс для распростра­няющихся вдоль них поверхностных (медленных) волн. Такие структуры получили название замедляющих [8]. Например, можно прорезать поперечные (по отношению к направлению распро­странения волны) канавки в металлической пластине, как показано на рис. 10.68. Канавки имеют ширину s и глубину h и отстоят друг от друга на расстояние t. При этом образуется гребенчатая структура. Каждую канавку такой гребенчатой структуры можно рассматривать как короткозамкнутый отрезок линии длиной h. Поэтому на частотах, для которых глубина канавки h не превышает четверти длины волны в линии, входное сопротивление канавки будет чисто реактивным (потери энергии в проводнике считаем пренебрежимо малыми) и индуктивным (см. гл.11). Если число канавок на отрезке, равном длине волны, достаточно велико, т.е. s + <<λ можно пренебречь влиянием тонких металлических перегородок в структуре и считать, что при x = h (рис.10.68) расположена плоскость, в любой точке которой поверхностный

импеданс Z_SM является чисто реактивным и имеет индуктивный характер. Поэтому на частотах, на которых h < λ/4, вдоль рас­сматриваемой гребенчатой структуры, как и вдоль металлической плоскости с диэлектрическим слоем, могут распространяться медленные Е-волны. Электромагнитное поле низшей Е-волны в гребенчатой структуре при х > h аналогично полю поверхностной волны, распространяющейся вдоль слоя диэлектрика при х > d, изображенному на рис.10.51. Путем изменения глубины канавок можно изменять фазовую скорость распространяющейся поверх­ностной волны, поскольку при изменении глубины канавки изме­няется ее входное сопротивление, т.е. величина Z_Sи, а при этом согласно (10.90) изменяются коэффициенты α и βдля поверх­ностной волны.

Отметим, что для поверхностных Н-волн поверхностный импеданс также будет чисто реактивным, но имеет емкостной характер [8]. Это необходимо учитывать при построении замед­ляющих структур с поверхностными медленными Н-волнами.