6 Диэлектрические волноводы
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Линию передачи, выполненную из диэлектрической пластины, стержня или трубки, принято называть диэлектрическим волноводом [1].
Возможность передачи электромагнитной энергии по диэлектрику была доказана около 60 лет назад [2]. Однако этот метод до 60-х годов не применялся из-за больших потерь в диэлектрике. Дальнейшие исследования показали, что при относительно малом диаметре диэлектрического стержня по сравнению с длиной волны большая часть энергии распространяется вне диэлектрика, вследствие чего затухание в нем сильно уменьшается. В диэлектрическом волноводе токи проводимости отсутствуют, основную роль в механизме распространения играют токи смещения [3]. В таком волноводе основными являются волны так называемого дипольного типа.
Дипольные волны, в отличие от волн в металлических волноводах, имеют продольные составляющие одновременно и электрического и магнитного полей. Они не имеют критической частоты. Однако не все типы волн могут распространяться по диэлектрическому волноводу при любых частотах. Ниже определенной критической частоты волны высших типов просто перестают существовать.
Диэлектрические волноводы, по всей видимости, будут широко использоваться [4, 5, 6], особенно в технике миллиметровых и субмиллиметровых волн. Исключительное применение они нашли в оптическом диапазоне. Именно с передачей когерентных световых колебаний по диэлектрическим волноводам в виде волокон и пленок из соответствующих прозрачных материалов связаны такие бурно развивающиеся направления, как волоконная и интегральная оптика и волоконно-оптические линии связи. В настоящее время распространение волн по диэлектрическим волноводам изучается весьма интенсивно [7] и уже получило широкое освещение в литературе [1].
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД С ЗЕРКАЛЬНЫМ ИЗОБРАЖЕНИЕМ
Практическое использование волноводов в виде диэлектрических стержней с любым сечением вызывает некоторые трудности в части их крепления, особенно на горизонтальных участках линий. Разработка диэлектрических волноводов с зеркальным изображением имела целью устранить недостатки диэлектрических волноводов с круглым сечением. Конструктивно такая линия представляет собой диэлектрический стержень полукруглого или любого другого сечения, лежащий своей плоской стороной на металлической полосе (медь, дюралюминий), которая играет роль зеркальной плоскости и является опорой для стержня (рис. 6.10). Такая линия по своим электрическим свойствам эквивалентна круглому диэлектрическому волноводу в свободном пространстве.
В диэлектрическом волноводе с зеркальным изображением возбуждается волна дипольного типа НЕ11, обладающая плоской симметрией. Значительная часть мощности передается по пространству вне линии. При этом внешнее поле локализуется в пределах полукруглого сечения, диаметр которого такой же, как и у соответствующего круглого диэлектрического волновода.
Рис. 6.10. Диэлектрический волновод с зеркальным изображением:
1 — диэлектрик; 2 — металлическая пластина
Затухание диэлектрического волновода с зеркальным изображением, вызванное потерями в диэлектрическом материале стержня, может быть также определено по формуле (6.35). Затухание зеркальной линии тем меньше, чем меньше отношение диаметра стержня 2а (см. рис. 6.10) к рабочей длине волны λ. Расчеты показывают, что при изменении отношения 2а/λ в пределах от 0,22 до 0,44 коэффициент затухания меняется от 0,001 до 2,0 дБ/м. При этом сильное возрастание коэффициента начинается при значениях 2а/λ>0,3.
При дальнейшем увеличении отношения 2а/λ рост его прекращается, и он принимает постоянное значение около 4 дБ/м. Эти данные относятся к диэлектрическому зеркальному волноводу с ε1=2,25 и tg δ= 1·10-3 и волной типа НЕ11.
Затухание диэлектрических зеркальных волноводов определяется потерями в диэлектрике, потерями проводимости в зеркальной поверхности и потерями на излучение. В отличие от металлических волноводов, величина потерь в проводнике может быть относительно невелика, так как плотности тока в проводнике весьма малы. Потери на излучение возникают лишь при наличии изгибов или других нерегулярностей и нахождении поблизости посторонних предметов.
Диэлектрические зеркальные волноводы конструктивно очень просты и благодаря большим допускам на точность изготовления несложны в производстве. Они могут быть получены путем напыления диэлектрика на металлическую ленту. При их прокладке не требуется каких-либо опор. За счет уменьшения диаметра диэлектрического стержня и увеличения ширины зеркальной полосы затухания диэлектрического зеркального волновода может быть снижено до весьма малой величины.
По своим относительным размерам диэлектрические зеркальные волноводы наиболее выгодны для миллиметрового диапазона волн.
