14.2. Диэлектрический волновод

Т акой волновод изображен в цилиндрической системе координат r,φ,z на рис.14.3.

Рис 14.3 Диэлектрический волновод Рис 14.4 Поверхностные токи смещения в цилиндрической системе координат

Принцип действия волновода основан на полном отражении вол­ны от границы «диэлектрик—воздух». Диэлектрическая проницае­мость диэлектрика ε₁ воздуха — ε₂. Перенос энергии вдоль от­ражающей границы осуществляется двумя волнами: направляе­мой, распространяющейся внутри диэлектрического стержня, и по­верхностной, распространяющейся в воздухе. Как в круглом ме­таллическом волноводе, так и в диэлектрическом могут сущест­вовать волны Е_тп и Н_тп. Однако различие граничных условий на поверхности диэлектрического, и стенках металлического волново­дов приводит к тому, что в диэлектрическом волноводе только волны с симметричной структурой поля (Е_оп и Н_оп) могут сущест­вовать раздельно. Несимметричные волны Е_тп и Н_тп (m ≥ 1) образуют смешанные или гибридные волны НЕ_тп или ЕН_тп. Если H_z>E_z, волна обозначается НЕ_тп, если Е_z>Н_z —ЕН_тп.

Физически существование гибридных волн можно объяснить, используя аналогию с металлическим волноводом. В полом метал­лическом волноводе круглого сечения при возбуждении несиммет­ричных волн поверхностные токи проводимости j_s на стенках вол­новода содержат поперечные и продольные составляющие. На­пример, структура волны H₁₁ показана на рис. 2.19,б. При воз­буждении волны Н₁₁ в диэлектрическом волноводе на его поверх­ности возникают поверхностные токи смещения с аналогичной структурой (рис. 14.4).

По определению продольная составляющая плотности тока смещения

Наличие свидетельствует о том, что Еz≠0 при возбужде­нии волны Н₁₁, т. е. о появлении гибридной волны. Волна НЕ₁₁ является основной, так как . Е_е структура изображена на рис. 15.5. Условие одноволновой передачи имеет вид

Рис. 14.5.Структура волны НЕ₁₁

Режим работы диэлектрического волновода зависит от соот­ношения f_kp/f. При f=f_кр нарушается условие полного отражения, направляемая волна перестает существовать, а ее энергия в виде преломленной волны рассеивается в радиальном направлении. На частотах f>f_кр, но близких к f_кр, основная доля энергии пере­носится поверхностной волной в воздухе с фазовой скоростью, υ≈3∙ 108 м/с. Структура поля волны НЕ₁₁ при этом близка к струк­туре поля Т-волны, затухание мало, но велики индукционные по­тери и низка помехозащищенность волновода. На частотах f»f_кр почти вся энергия концентрируется внутри стержня и переносится направляемой волной, условия распространения которой приближаются к условиям распространения плоских однородных волн в диэлектрической среде с теми же параметрами, что и материал, из которого изготовлен волновод (υ≈с/ ).

Достоинства диэлектрического волновода:

простота конструкции, дешевая технология изготовления, ме­нее жесткие требования к допускам на размеры по сравнению с металлическими волноводами;

при использовании высококачественных диэлектриков (поли­стирол, полиэтилен, фторопласт и др.) затухание мало: на санти­метровых волнах коэффициент ослабления соизмерим с коэффи­циентом ослабления в полом металлическом волноводе, а на мил­лиметровых волнах оказывается значительно меньше;

высокая электрическая прочность.

Диэлектрические волноводы целесообразно применять в диапа­зоне миллиметровых и более коротких волн, так как использова­ние в этих диапазонах металлических волноводов сопряжено с трудностью обеспечения высокой точности при их изготовлении, ростом потерь энергии в стенках волновода вследствие усиления поверхностного эффекта, снижением электрической прочности из-за уменьшения размеров.

К недостаткам диэлектрического волновода относятся: наличие открытого внешнего поля, приводящего к потерям, и, в частности, к излучению на изгибах и поворотах волновода; для устранения такого излучения необходимо обеспечивать радиус поворота не менее (10 ... 20) λ;

сложность крепления диэлектрического стержня, поскольку в местах крепления могут нарушаться условия полного отражения.

Диэлектрический волновод обычно возбуждают с помощью круглого металлического волновода с волной типа Н₁₁. Схема воз­буждения представлена на рис. 14.6 (1 — металлический волно­вод, 2 — диэлектрический волновод).

Диэлектрические волноводы применяются в качестве фидеров малой протяженности в диапазоне миллиметровых длин волн и антенн осевого излучения на сантиметровых и дециметровых вол­нах. Наиболее широкое применение диэлектрические волноводы нашли в оптическом диапазоне волн. Такие волноводы получили название световодов.