Направляющие системы с медленными волнами

Диэлектрический волновод. Световод

Диэлектрический волновод (световод) представляет собой диэлектрический цилиндр радиуса а, выполненный из диэлектрика с параметрами e _а, m _а. В диэлектрическом волноводе может существовать бесконечно большое число различных типов волн, имеющих различный характер изменения поля по координатам j, r.

Основным типом волны является волна НЕ ₁₁, являющаяся суперпозицией волн Н ₁₁ и Е ₁₁ круглого волновода. Эта волна может распространяться вдоль волновода на любых частотах и при любых его диаметрах (l_кр = ¥). Величина фазовой скорости волны в диэлектрическом волноводе лежит между величиной скорости волны, распространяющейся в среде, окружающей волновод, и величиной фазовой скорости этой же волны в среде с параметрами e _а и m _а (такими же, как и параметры диэлектрического волновода).

Энергия при этом распространяется как внутри, так и вне диэлектрика. Вне волновода энергия переносится поверхностной волной. Чем больше радиус волновода, по сравнению с длиной волны, и чем больше e _а/ e₀, тем большая часть энергии распространяется внутри волновода.

По мере приближения к критической частоте энергия, переносимая внутри диэлектрика, стремится к нулю.

Распространение волн в световоде можно объяснить, используя явление полного внутреннего отражения от границы раздела двух диэлектриков (см. раздел 5).

Как уже отмечалось, в направляющих системах возможно распространение как быстрых (), так и медленных () волн. В полых металлических волноводах распространяются быстрые волны. Медленные волны могут распространяться, в диэлектрических волноводах, световодах, волноводах поверхностной волны, в ребристых структурах, спиральной линии и пр.

Медленные волны принято характеризовать коэффициентом замедления , который показывает насколько ее фазовая скорость меньше скорости волны в свободном пространстве , т.е.

,

где – коэффициент фазы медленной волны; – волновое число в свободном пространстве; и – соответствующие длины волн.

Медленные волны широко используются в устройствах, где происходит взаимодействие электромагнитной волны с потоком заряженных частиц. Например, в лампе бегущей волны поток заряженных частиц отдает энергию электромагнитной волне, а в линейных ускорителях электромагнитная волна отдает свою энергию заряженным частицам. Так как скорость движения частиц составляет десятые доли скорости света, то на практике используются НС, в которых возможно распространение медленных волн с большим коэффициентом замедления, десять и более.

Пусть имеется некоторая произвольная НС, вдоль которой распространяется медленная волна. Пусть эта НС ориентирована вдоль оси z. Величиной будем обозначать расстояние от поверхности НС.

Из уравнений Максвелла следует, что любая проекция комплексной амплитуды вектора () медленной волны может быть представлена в следующем виде:

, (3.21)

где – функция только поперечных координат.

Так как волна медленная, то для нее выполняется неравенство . Отсюда следует, что в формуле (3.21) величина, стоящая под корнем, всегда положительная, а, значит, амплитуды векторов электромагнитного поля медленной волны всегда убывают при удалении от НС.

Волны, амплитуды векторов которых убывают по экспоненциальному закону при удалении от некоторой поверхности, т.е. волны, которые как бы «прилипают» к этой поверхности, называются поверхностными волнами. Известен следующий факт: медленная волна одновременно является и поверхностной, а поверхностная – медленной.

Из того факта, что следует, что чем больше коэффициент замедления, тем больше величина корня в формуле (3.21), т.е. тем сильнее волна "прижата" к направляющей системе. Имеет место и обратное утверждение: чем более волна «прижата» к НС, тем больше коэффициент замедления.

При распространении в НС медленной волны в направлении нормали к поверхности поток энергии отсутствует. Энергия распространяется только вдоль НС.

Постоянная распространения и, следовательно, фазовая скорость медленных волн зависят от частоты, т.е. в НС с медленными волнами также имеет место дисперсия волн.

Рассмотрим некоторые типы замедляющих систем или так называемых линий поверхностной волны.

Замедляющая система типа "диэлектрик-металл". Такая замедляющая система представляет собой металлическую плоскость, покрытую слоем диэлектрика толщиной с проницаемостью , расположенную в диэлектрике, например, в воздухе.

Гребенчатая или ребристая структура (рис. 3.16). Она представляет собой металлическую поверхность с прорезанными в ней параллельными канавками глубиной и шириной . При определенных условиях на глубину канавок в такой структуре могут распространятся медленные волны.

При условии коэффициент замедления волны ребристой структурой может быть найден по следующей формуле:

.

Линия Губо. Линия Губо представляет собой проводящий цилиндр, покрытый слоем диэлектрика. Ее можно рассматривать как металлическую плоскость, покрытую диэлектриком и свернутую в цилиндр.

Как и в любой направляющей системе в линии Губо существует бесконечное число типов волн. Низшим типом волны является волна типа Е, структура поля которой показана на рис. 3.17.

Затухание в линии Губо определяется потерями в металле и диэлектрической оболочке. Эти потери тем выше, чем тоньше сам проводник и толще слой диэлектрика. В сантиметровом диапазоне волн толщину слоя диэлектрика выбирают достаточно малой, порядка 0,05…0,1 мм, а диаметр проводника берут не менее 1 мм. Полное затухание в такой линии с диэлектрическим покрытием из полистирола в 2…3 раза меньше, чем в прямоугольном волноводе на тех же частотах.

Дата добавления: 2014-01-13