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 к >к, падает под углом > 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 X= 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 (X = ) металлизировать (сделать идеально проводящей), то структура поля в
области X > может быть сохранена. При этом прилегающий к плоскости X = слой диэлектрика () будет представлять собой направляющую систему открытого типа. В рассматриваемом случае в диэлектрическом слое распространяется Е-волна, распределение амплитуд составляющих векторов поля которой совпадает при X > 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 (X = X1) и от границы раздела двух диэлектриков (X = 0), как показано на рис.10.52. Полное отражение от границы раздела (X =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 = fKp, называемом критической частотой. Поэтому волна в рассматриваемой системе может распространяться лишь при f > fKp.
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 с волной типа H.
Таким образом, в системе, состоящей из металлической пластины, покрытой слоем диэлектрика, при f>fKp могут распространяться направляемые Е- и Н-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.