10.4.3. Многослойные среды

Для передачи направляемых волн можно использовать сложные структуры, например, имеющие вид двух параллельных

проводящих полос с диэлектрической пластиной между ними. Было найдено, что волны типов ТЕМ и ТМ для передачи непригодны, но возможно распространение волн типа ТЕ нечетных и четных порядков. Волна наинизшего вида, т. е. , которая является основной, не имеет предельной частоты и, следовательно, обладает широкополосными свойствами [67, 218]; кроме того, для этой неэкранируемой снаружи волны потери такого же порядка или меньше потерь в прямоугольном волноводе, а величина допустимой пропускаемой мощности на порядок больше.

Если в центре диэлектрика поместить проводящую стенку, то все волны с четной симметрией будут подавлены, а волны с нечетной симметрией останутся без изменений. В работе [68] приведены данные для волны основного типа, т. е. в такой жолобообразной линии с центральным проводником. В так называемом Н-об-разном волноводе расстояние между пластинами берется достаточно большим для того, чтобы могли распространяться волны гибридных видов [303, 304, 305, 306]. Поскольку диэлектрик имеет весьма малые потери, то такие линии имеют меньшее, нежели волноводы, затухание, и оно уменьшается с возрастанием частоты. Потери в диэлектрике уменьшаются, если он состоит из двух или более слоев. К аналогичным поверхностным волноводам относятся [297] О-образный волновод, имеющий форму тонкостенной диэлектрической трубы и рассчитанный на волну типа ТЕ, и Х-образный волновод, представляющий собой скрещивающиеся диэлектрические пластины и предусматривающий прохождение волны гибридного типа.

Примером сложной передающей среды является проводник, окруженный двумя [146] или тремя [53] слоями коаксиального диэлектрика. Исследование распространения поверхностной волны вдоль нескольких слоев различных сред было выполнено Карбовяком [165], который показал, что в этом случае поверхностное сопротивление равно сумме поверхностных сопротивлений каждого из слоев, расположенных по отдельности на идеально проводящей подложке. Более того, сопротивление не изменится, если какой-либо из слоев сложной среды расщепить на несколько более тонких и последние переставить с другими; в данном случае играет роль суммарная толщина каждого диэлектрика. Если проводник покрыт слоем намагниченного феррита, то анализ усложняется. В случае тонких слоев основной волной является волна типа ТМ, и если внешнее постоянное магнитное поле перпендикулярно поверхности, то можно показать [233], что, изменяя величину поля, можно управлять фазовой скоростью. Круглый волновод, частично заполненный ферритом, имеет свойства замедляющей структуры; кроме того, вблизи критической частоты при определенных геометрических размерах групповая скорость может быть отрицательной [63, 368].

Это свойство не является специфической особенностью ферритов; например, для соответствующей волны типа возможно распространение обратных волн, если относительная диэлектрическая

проницаемость стержня больше 9,4. Изображенная на рис. 1.7 диаграмма имеет в этом случае начальный участок с отрицательным наклоном и точку перегиба.

Если на плоском проводнике имеется достаточно толстый диэлектрический слой, то возможно распространение волн высших видов. Распределение электрического и магнитного полей образует одну или несколько синусоидальных полуволн в диэлектрике и экспоненциально затухает в окружающей воздушной среде. В неопубликованной работе было показано, что волна типа характеризуется величиной являющейся корнем уравнения

Критическая длина волны вида оказывается равной

а соответствующая волноводная длина волны определяется уравнением

При распространение возможно на всех частотах. В этом случае имеем волну вида ранее рассмотренную для случая тонких слоев.

Для волн типа является решением уравнения

При достаточно малом I это уравнение не имеет вещественных решений и в этом случае волна наинизшего вида имеет критическую длину. Для волны вида

а соответствующая длина волны в волноводе определяется выражением

В некоторых случаях желательно, чтобы вдоль структур, несущих поверхностные волны, могла распространяться волна с произвольной поляризацией; под этим понимается комбинация двух основных составляющих поляризации с произвольными амплитудами и фазами. Для того чтобы такая волна могла распространяться вдоль структуры, несущей поверхностные волны, необходимо,

предусматривать прохождение как волн ТМ, так и волн ТЕ, причем с одинаковыми постоянными распространения.

В работе [921 были даны общие уравнения для -слойной пластины, а в работе [246] показано, что указанным требованиям для обеих поляризаций можно удовлетворить с помощью двойного слоя, расположенного на металлической пластине (рис. 10.20, а). Типичные кривые, постоянных фазовых скоростей для волн ТМ и ТЕ в осях, по которым отложены толщины слоев, показаны на рис. 10.20, б [246]; нижним слоем диэлектрика является воздух, а варьируемыми параметрами структуры будут диэлектрическая постоянная верхнего слоя.

Рис. 10.20. Структуры для поверхностных волн с произвольной поляризацией: а — структура с двухслойным диэлектрическим покрытием; б - кривые постоянной фазовой скорости для волн ТМ и в — структура из одного диэлектрического слоя с металлическими ребрами. (См. [246].)

Так как вдоль продольно гофрированной поверхности волна типа ТЕ распространяться не может, то двухслойность для различных поляризаций достигается с помощью «фильтра типов волн» [128], состоящего из продольной ребристой гребенки, погруженной в единый диэлектрический слой толщины диэлектрическая постоянная которого, выбирается так, чтобы волна типа ТЕ «захватывалась» нужным образом. Ребристая продольная гребенка, показанная на рис. 10.20, в, имеет период значительно меньший чем в диэлектрике, и, таким образом, волна, у которой электрический вектор параллелен ребрам, будет отражаться. Размер выбирается так, чтобы волна типа ТМ «захватывалась» в нужной степени. Например, для пластины с диэлектрической постоянной 2,5 значение имеет место при в случае волны ТМ и при в случае волны ТЕ. Очевидно,

что вдоль таких поверхностей, удовлетворяющих условию равенства скоростей распространения для обеих поляризаций, возможно распространение волн, поляризованных по кругу.