Линии поверхностной волны

Как было показано выше, 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 падает под углом плоская параллельно поляризованная волна (рисунок 42).

Рисунок 42 − Диэлектрическая пластина над идеально проводящей плоскостью

В результате полного внутреннего отражения падающая волна полностью отражается внутрь области 1, т.е. амплитуда поля в области 2 имеет экспоненциально затухающий характер. Если одну из плоскостей металлизировать (сделать идеально проводящей), то при должном выборе расстояния структура поля в области может быть сохранена. При этом прилегающий к плоскости слой диэлектрика будет представлять собой направляющую систему открытого типа. В рассматриваемом случае в диэлектрическом слое распространяется Е-волна, структура поля (линии векторов и ) этой волны показана на рисунке 43).

Рисунок 43 − Структура электромагнитного поля типа в диэлектрической пластине над идеально проводящей плоскостью

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 ( ) и от границы раздела двух диэлектриков ( ), как показано на рисунке 42. Полное отражение от границы раздела возможно при углах падения . При условия полного отражения не выполняются, и слой диэлектрика перестает играть роль волновода. Для слоя фиксированной толщины условие выполняется при вполне определенном значении частоты , называемой критической частотой. Поэтому волна в рассматриваемой системе может распространяться только при .

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

Таким образом, в системе, состоящей из металлической пластины, покрытой слоем диэлектрика, при могут распространяться направляемые Е- и Н-волны. В общем случае (при конечной проводимости металлической пластины) будут распространяться и гибридные волны. Отметим некоторые особенности волн в такой направляющей системе: электромагнитная энергия переносится как в диэлектрике, так и 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).

Рисунок 44 − Линия Губо и распределение поля в ней

Свойство границы раздела двух диэлектриков направлять поток электромагнитной энергии сохраняется и при ее цилиндрическом искривлении (рисунок 44), т.е., одиночный провод, покрытый слоем диэлектрика, является волноводом, по которому можно передавать электромагнитную энергию. Такая линия известна в литературе как линия Губо. Основной волной в ней является волна типа Е, структура поля которой осесимметрична и аналогична такой же волне для плоской диэлектрической пластины с металлизацией. Затухание волны в линии определяется потерями энергии в металле и диэлектрическом слое. Чем толще слой диэлектрика и тоньше проводник, тем очевидно, выше затухание волны. Поэтому, например, в сантиметровом диапазоне волн толщину слоя выбирают достаточно малой − порядка 0,05...0,1 мм, а диаметр проводника берут не менее 1 мм. При этом коэффициент ослабления для основной волны в такой линии с диэлектрическим слоем из полистирола оказывается в 2-3 раза меньше, чем в прямоугольном волноводе на тех же частотах. Для метрового и дециметрового диапазонов волн ( МГц) при диаметр волновода составляет 0,3...1 см.

В связи с тем, что часть электромагнитного поля распространяется в воздухе, окружающем волновод, то параметры волны, распространяющейся в линии Губо, существенно зависят от расположенных вблизи линии проводящих тел, а также от атмосферных условий, что приводит к ограниченному использованию ее на практике.

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. В данном случае волноводом может служить плоская диэлектрическая пластина или круглый стержень.

Как показывает анализ, в круглом диэлектрическом волноводе могут существовать осесимметричные волны как типа Е, так и типа Н, а несимметричные волны могут быть только гибридными. Такие волны называются гибридными и волнами. Основной волной круглого диэлектрического волновода (для которой ), является волна типа , структура ее показана на рисунке 45. Магнитные линии в горизонтальной плоскости имеют такую же структуру, как электрические в вертикальной. Внутри диэлектрического стержня структура поля напоминает волну в круглом волноводе, поэтому ее также называют волной типа .

Рисунок 45 −Диэлектрический волновод и силовые линии поля для разной диэлектрической проницаемости

Диэлектрические волноводы различного сечения используются в технике миллиметровых и субмиллиметровых волн в качестве фидеров не очень большой протяженности, направляющих систем резонаторов и других элементов тракта. Вокруг волноводов необходимо обеспечивать свободную зону размеров в 2-3 радиуса волновода для беспрепятственного прохождения поверхностной волны. Это является недостатком диэлектрических волноводов и требует определенной конструкции их крепления.