13.2.2. Структуры волноводного типа

Раст [206], Кок [144] и Штуцер [236] независимо друг от друга предположили, что решетки из проводящих поверхностей, аналогичные изображенным на рис. 13.9, а, должны обладать свойствами искусственного диэлектрика. Расстояние между поверхностями а обычно выбирается в пределах

и, следовательно, между пластинами может распространяться лишь волна Имеются [15, 45, 261] строгие выражения для полного поля в любой точке. Фазовая скорость в среде равна

и, следовательно, для показателя преломления получается уравнение

из которого видно, что он меньше единицы. Показано, что коэффициенты отражения и прохождения на границе раздела такой среды из-за наличия запасенной энергии в ближнем поле являются комплексными и изменяются, если пластины имеют конечную толщину.

Преломление на границе раздела свободное пространство — искусственный диэлектрик зависит от направления падающей волны. Если волна падает в плоскости Е, как показано на рис. 13.9, а, то преломление происходит согласно закону Снеллиуса. Если же падающая волна находится в плоскости Н, как показано на рис. 13.9, б, то закон Снеллиуса может не выполняться, поскольку возможно лишь параллельное пластинам распространение волны. Отражение от металло-пластинчатой структуры не следует строго законам Френеля, так как распределение амплитуд между соседними пластинами является синусоидальным, в то время как падающая волна имеет однородное распределение. Если к первоначальной системе пластин добавить другую систему пластин, расположенных, как показано на рис. 13.9, в, то получится симметричная металло-пластинчатая структура, которая может действовать при

произвольно ориентированной линейной поляризации. В этом случае волны, проходящие через искусственную среду, ограничены в обоих направлениях и могут распространяться лишь вдоль оси структуры. Коэффициент преломления, очевидно, будет одинаков для обеих поляризаций.

Из уравнения (13.39) видно, что показатель преломления зависит от рабочей длины волны, и, следовательно, такая металло-пластинчатая структура является дисперсной.

Рис. 13. 9. Металло-пластинчатая среда. Показаны система плоскопараллельных пластин и плоскость падения: а —параллельно пластинам; б - перпендикулярно пластинам; в — симметричная клеточная структура; г - зависимость показателя преломления от длины волны.

На рис. 13.9, г показана зависимость показателя преломления от параметра Измерения коэффициентов отражения такой среды в диапазоне длин волн 8—11 см были проделаны Примичем [190, 191]. Были получены данные об амплитуде и фазе, однако следует отметить, что структура состояла из коротких пластин; измерения проводились как для тонких, так и для толстых пластин. Из уравнения (13.39) видно, что, изменяя расстояние между пластинами, можно получить любой требуемый закон изменения показателя преломления. В этом случае область переменного показателя преломления будет представлять собой пару сооветствующим образом изогнутых металлических пластин.

Другим примером искусственного диэлектрика (волноводного типа) является предложенная Коком [143] среда с дополнительным

фазовым набегом. Первый вариант, изображенный на рис. 13. 10,а, состоит из сдвинутой в направлении электрического вектора системы параллельных проводящих пластин, которые волнообразно изогнуты. Геометрическая длина оптического пути волны, проходящей через среду, очевидно, будет больше, нежели в соответствующей части свободного пространства. Сама среда имеет показатель преломления, равный единице, а диэлектрические свойства целиком обусловлены фазовым набегом, который зависит от геометрической длины луча. Эффективный показатель преломления равен отношению длины искривленного луча к длине луча вдоль оси симметрии системы.

Рис. 13. 10. Среда с дополнительным фазовым сдвигом: а — система из волнообразно-изогнутых листов; б - система из наклонных решеток. (См. [143].)

Поскольку расстояние между пластинами меньше чем показатель преломления не зависит от длины волны, и, следовательно, среда имеет весьма хорошие широкополосные характеристики.

Во втором варианте искусственной среды с дополнительным фазовым набегом система металлических пластин наклонена к оси под углом В этом случае эффективный показатель преломления равен Вместо сплошных пластин можно использовать структуры из проволочных сеток, у которых расстояние между проволоками меньше чем Такая структура изображена на рис. 13.10, б; проволочные сетки можно использовать, кроме того, и в структурах из волнообразно изогнутых поверхностей.