5.2. Диэлектрический волновод

Диэлектрическим волноводом называется изделие из диэлектрика, предназначенное для передачи энергии электромагнитного поля

Диэлектрик волновода должен иметь максимальную диэлектрическую проницаемость и минимальные потери. Форма диэлектрического стержня может быть любой, поэтому, для упрощения описания, рассмотрим структуру поля по обе стороны от плоской границы между немагнитным диэлектриком и воздухом (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Распределение поля поверхностной волны вблизи границы раздела

Отражающая плоскость совпадает с плоскостью уz декартовой системы координат. В первой среде, то есть в диэлектрике волновода, распределение поля имеет характер стоячей волны. Так же, как и при отражении от идеальной проводящей плоскости, стоячая волна возникает из-за интерференции падающей и отраженной волн.

Во второй среде, то есть в воздухе, амплитуда напряженности поля экспоненциально убывает в направлении, перпендикулярном поверхности раздела. Коэффициент затухания¹⁵ определяется разностью коэффициентов фазы в диэлектрике и в воздухе:

(5.4)

Величина коэффициента фазы показывает, на сколько радиан изменится фаза волны при прохождении ей одного метра пути. Следовательно, коэффициент фазы тем больше, чем меньше фазовая скорость волны. Фазовая скорость волны в диэлектрике тем меньше, чем больше его диэлектрическая проницаемость, а в воздухе она приблизительно равна скорости света в вакууме. Значит, чем больше относительная диэлектрическая проницаемость материала волновода, тем больше коэффициент затухания и тем быстрее волна затухает во второй среде. Это позволяет утверждать, что во второй среде электромагнитное поле существует лишь в тонком слое, примыкающем к поверхности раздела.

Для того чтобы поверхностная волна распространялась в волноводе, ее надо возбудить. Очевидным способом возбуждения волны является его согласование с полым металлическим волноводом соответствующего поперечного сечения. Пример такого согласования и поле в круглом диэлектрическом стержне показаны на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Возбуждение волны НЕ11 в круглом диэлектрическом волноводе

Внутрь цилиндрического волновода с волной Н₁₁ вставлен диэлектрический волновод. Для согласования волновых сопротивлений его конец заострен. В диэлектрическом волноводе возбуждается гибридная поверхностная волна НЕ₁₁. Она обозначается двумя буквами потому, что оба вектора напряженности поля имеют продольную составляющую. Первая буква обозначения говорит о том, на какую волну, Е- или Н-, эта гибридная волна похожа более всего. В данном случае – на магнитную Н₁₁, поэтому в обозначении первой стоит буква Н, а цифровые индексы остались прежними. Цифровые индексы у этой гибридной волны имеют тот же смысл, что и у моды Н₁₁ в круглом волноводе: мода имеет по одной вариации поля по радиусу и азимуту.

У моды НЕ₁₁критическая длина волны бесконечно велика. В принципе эта волна может существовать на любой частоте. Однако металлический волновод имеет критическую частоту, поэтому возбудить диэлектрический волновод на постоянном токе он не сможет.

Чтобы работать на одной волне НЕ₁₁диаметр диэлектрического стержня должен быть достаточно малым, иначе могут возникнуть высшие моды. Для этого диаметр стержня должен удовлетворять следующему условию:

(5.6)

Свойства диэлектрического волновода можно охарактеризовать следующим образом. Если размеры сечения волновода примерно равны длине волны, то значительная часть энергии будет сосредоточена в диэлектрике волновода. При этом волновод можно изгибать радиусом от 10 длин волн без появления заметного излучения. На основе такого волновода легко выполнить разнообразные узлы СВЧ-схем. При использовании хороших диэлектриков, например, фторопласта, затухание при длине волны около 1 см оказывается таким же, как в полых металлических волноводах, а на длине волны 1 мм в несколько раз меньше.

В волноводе, размеры сечения которого в несколько раз меньше длины волны, большая часть энергии распространяется во внешнем пространстве. Если вокруг волновода сухой воздух, затухание уменьшается и может быть в несколько десятков раз меньше, чем в стандартных полых металлических волноводах. Однако изгибать такие волноводы нельзя, поэтому из них трудно создавать узлы СВЧ-схем.

Общими недостатками диэлектрических волноводов являются потенциальная возможность излучения из-за нерегулярностей структуры волновода и трудности создания опор.

Чаще всего диэлектрические волноводы применяются для передачи энергии в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазоне волн. Это обусловлено тем, что другие линии передачи в этих диапазонах имеют значительно большее затухание. Кроме того, изготовление полых металлических волноводов для субмиллиметровых и миллиметровых волн связано с большими техническими трудностями.