Діелектричні хвилеводи

Міністерство освіти і  науки, молоді та спорту України

Національний технічний  університет України

“Київський політехнічний інститут”

Радіотехнічний факультет

Кафедра теоретичних основ радіотехніки

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

З дисципліни «Лінії зв’язку»

На тему: «Діелектричні  хвилеводи»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

Перевірив:

Вунтесмері В.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ 2012

Зміст

 

1. Особливості діелектричних  хвилеводів………………………………………3

2. Типи структур з діелектричними  елементами………………………………..6

3. Плоский діелектричний  хвилевід……………………………………………..7

4. Металевий циліндр, що  покритий шаром діелектрика………………………8

5. Гнучкі діелектричні хвилеводи……………………………………………......9

6. Висновки………………………………………………………………………10

Список літератури……………………………………………………………….10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Особливості  діелектричних хвилеводів

Діелектричний хвилевід –  це пластина, стержень або трубка із матеріалу з невеликими втратами і з діелектричною проникністю більшою ніж у навколишньому середовищі.

Діелектричні хвилеводи  відносяться до класу ліній поверхневих  хвиль. Загальною властивістю таких  ліній є те, що фазова швидкість  хвилі в них менша швидкості  поширення плоских хвиль у  навколишньому середовищі. Звідси і  інша назва – лінії сповільненої хвилі. Завдяки сповільненню електромагнітне  поле опиняється «прижатою» до направляючої структури. Лінії поверхневих хвиль є, як їх інколи називають, «відкритими» лініями.

В міліметровому діапазоні  хвиль із ряду ліній найменшими затуханнями і найкращими частотними залежностями затухання мають діелектричні хвилеводи.

Відкритий характер діелектричних  хвилеводів призводить до того, що хвилі  в них можуть бути розділені на два класи:

1. Кінцева кількість власних  хвилеводних хвиль, які при  відсутності втрат в матеріалах  поширюються уздовж регулярного  хвилеводу без затухання.

2. Хвилі, що випромінюються, які виникають в місцях порушення регулярності хвилевода.

Спектр хвиль діелектричних  хвилеводів суттєво відрізняються  від спектру порожніх металевих.

По-перше, у діелектричних  хвилеводах завжди існує два типа основних хвиль, тоді як у порожніх металевих лише один тип. Це означає, що діелектричні хвилеводи не можуть бути однохвильовими.

По-друге, критичні частоти  основних хвиль діелектричного хвилевода  будь-якого поперечного перерізу приблизно рівні нулю, а у порожніх хвилеводах вони скінченні. При направленій дії та ступені концентрації енергії в діелектричному хвилеводі заданої геометрії дуже швидко зменшується при зменшені частоти нижче деякого значення. Це значення можна назвати реальною критичною частотою. Іншими словами, різниця зводиться практично до того, що критичні частоти основних хвиль діелектричного хвилевода не є так якісно визначені, як у порожніх металевих.

По-третє, вищі типи хвиль  діелектричного хвилевода на частотах нижче критичної не існують, як хвилі  з незмінним уздовж осі поперечним розподіленням. В порожніх металевих  хвилеводах на частотах нижче критичної  хвилі затухають в поздовжньому напрямку, але зберігають незмінним  поперечне розподілення.

Поява випромінювання в місцях порушення регулярності є одною із характерних особливостей діелектричних хвилеводів. Загальне поле в них може бути представлене у вигляді суми хвилеводних хвиль тільки на прямолінійних і однорідних ділянках. При різних неоднорідностях для опису загального поля, яке задовольняє граничні умови, до спектру хвилеводних хвиль необхідно додати хвилі випромінювання. Це означає, що на неоднорідних ділянках діелектричного хвилевода обов’язково повинно відбуватися випромінювання енергії.

Якщо неоднорідності достатньо плавні (згин великого радіуса, зміна перерізу з малим кутом нахилу утворюючої і т.д.) то випромінювання може бути зведене до рівня, яким практично можна знехтувати, наприклад, в порівнянні з втратами іншого походження 

Основним джерелом втрат  в діелектричному хвилеводі є  поглинання при поширенні в товщині  діелектричного матеріалу; відбиття відбувається без втрат, оскільки виконується  умова повного внутрішнього відбиття. Розуміється, якщо поверхня хвилевода  не буде гладкою, відбиття повинно супроводжуватися втратами, але досліди показують, що навіть в оптичному діапазоні  хвиль практично досягається  така якість поверхні, що втратами при  відбитті можна знехтувати. В порожніх металевих хвилеводах відбиття від  стінки супроводжується значними втратами, які виникають із-за кінцевої провідності  металу. З іншої сторони, поширення  між відбиттями втратами не супроводжується, якщо внутрішнє середовище – вакуум або сухе повітря.

Аналіз граничної задачі діелектричного хвилевода важча  чим у порожнього металевого. Якщо в порожніх хвилеводах з ідеально провідними стінками досить записати поля в одній області, а граничні умови вимагають рівності нулю відповідних  складових поля на границі, в діелектричних  хвилеводах необхідно записувати поля в декількох областях, а граничні умови вимагають неперервності  на границях областях тангенціальних складових поля. Внаслідок цього у металевих хвилеводах поперечне розподілення складових поля даного типу хвилі майже не залежить від частоти; у діелектричних хвилеводах структура поля суттєво залежить від частоти і при цьому виникає перерозподіл енергії, що переноситься, між внутрішньою і зовнішньою областю хвилевода. На малих частотах більша частина енергії поширюється у зовнішньому середовищі; хвиля стає мало стійкою і випромінюється з найменших нерегулярностей. На великих частотах більша частина енергії поширюється по внутрішньому середовищі і в цьому випадку діелектричний хвилевод приближається до металевого; хвиля стійка і випромінювання може бути дуже малим з суттєвих неоднорідностей. Можна сказати, що діелектричних хвилевод при великих або малих розмірах перерізу в більшій або меншій ступені є хвилеводом, тобто пристрій, що здатний направляти електромагнітні хвилі.

В діелектричних хвилеводах всі характеристики, в тому числі  і дисперсійна, залежать не тільки від форми і розмірів перерізу, але і від електродинамічних характеристик матеріалу хвилевода і від типу хвилі.

В зв’язку з цим в  теорії діелектричних хвилеводів виключне значення набуває знаходження приведених параметрів хвилевода, які позволяють зменшити кількість незалежних змінних  хоча б в приблизному розгляді або в обмеженій області зміни  змінних [1].

 

 

 

 

2. Типи структур  з діелектричними елементами

На рис. 1 показані поперечні  перерізи ряду поздовжньо – однорідних структур з неоднорідними середовищами, починаючи з плоского шару діелектрика (а). Реальні прямокутні (б) і круглі (в) діелектричні хвилеводи. Однорідна лінія (г) зображена на цьому рисунку оскільки при кінцевій провідності вона аналізується по тій же схемі, що і круглий діелектричний хвилевід. Круглий діелектричний хвилевід можу бути двошаровий (д); застосовуються і інші хвилеводи із декількох діелектричних елементів (е). Використовується однопровідна лінія з діелектричною оболонкою (ж). Наступні структури (з, и, к) є екранованими; це круглий і прямокутний хвилевід з діелектричними включеннями.

Рис. 1

Деякі діелектричні хвилеводи  дуже широко застосовують в оптичному  діапазоні частот. Діелектричний  шар (а) є моделлю, що використовуються в інтегральній оптиці плівкових хвилеводів; в оптиці також застосовують круглі хвилеводи (в, д), прямокутний хвилевод на діелектричному шарі (е), називається в дому випадку смужковим оптичним хвилеводом та ряд інших [2].

 

3. Плоский діелектричний хвилевід

Плоска діелектрична пластинка  з діелектричною проникністю , що розташована в однорідному ізотропному середовищі з меншою діелектричною проникністю, також являє собою направляючу систему, по якій можуть поширюватись Е- і Н - хвилі, а при – гібридні. Таку направляючу систему називають плоским діелектричним хвилеводом.

В плоскому діелектричному хвилеводі при фіксованій частоті  та товщині пластини можуть поширюватись скінченна кількість повільних Е- і Н – хвиль. Основною хвилею є Е – хвиля нижчого типу, у якої . Розподіл амплітуд складових векторів поля цієї хвилі уздовж осі Х зображено на рис. 2, а структура поля зображена на рис. 2. Однохвильовий режим виконується при , де d – половина товщини пластини [3].

 

 

4. Металевий циліндр,  що покритий шаром діелектрика

Однопровідна лінія у вигляді циліндричного провідника, що покрита шаром діелектрика, в літературі називається лінією Губо.

Основною хвилею в ідеальній  лінії Губо є хвиля типу Е, структура  поля якого зображена на рис. 4. Затухання  хвилі при поширенні по лінії  визначається втратами енергії в металі і діелектричному шарі. Чим товще шар діелектрика і тонше діаметр провідника тим вище затухання хвилі. Тому, в сантиметровому діапазоні хвиль товщину шару вибирають досить малою приблизно 0,05…0,1 мм, а діаметр провідника беруть не менше1 мм. При цьому коефіцієнт ослаблення для основної хвилі в такої лінії з діелектричним шаром із полістиролу виявляється в 2…3 рази менше ніж в прямокутному хвилеводі на таких самих частотах.

Хвиля Е, що зображена на рис. 4, може поширюватись уздовж провідника і при відсутності діелектричної оболонки, якщо на її поверхні із-за окислення утворилася тонка плівка з відносно низкою провідністю, яка грає роль діелектричного шару [3].

Діелектричний хвилевід має  наступну особливість: однохвильовий режим роботи для заданої робочої частоти можна забезпечити як вибором (зменшенням) радіуса стержня а, так і зменшенням різниці між відносною діелектричною проникністю матеріалу стержня і навколишнім простором: вибрав , що мало відрізняється від 1, можна забезпечити однохвильовий режим навіть при . Цю властивість і використовують при конструюванні діелектричних хвилеводів в оптичному діапазоні хвиль, де робочі частоти дуже великі. Зазвичай діелектричні хвилеводи призначені для роботи в оптичному діапазоні хвиль називаються світловодами [3].

 

5. Гнучкі діелектричні хвилеводи

Даний тип хвилеводів призначений  для з'єднання радіовимірювальної та іншої апаратури. Замінюють хвилеводні вигини, скрутки і прямі відрізки металевих хвилеводів. Гнучкий хвилевід являє собою відрізок високоякісного діелектрика, який закінчується переходами на стандартні хвилеводи з фланцями.

Довжина гнучких хвилеводів може бути від 100 мм до декількох метрів.

На рис. 5 приведені технічні характеристики сучасних гнучких діелектричних хвилеводів [4].

 

 

 

 

Рис. 5

6. Висновки

Значні більш вільні допуски  на розміри і простат виготовлення діелектричних стержнів зменшують  вартість і трудомісткість виготовлення діелектричних хвилеводів в порівнянні з металевими хвилеводами. При використанні діелектриків типу поліетилен або фторопласт діелектричні хвилеводи із значними уповільненнями опиняються більш гнучкими, що часто є дуже корисним, особливо при експериментальних дослідженнях [1].

Діелектричні хвилеводи  застосовують в якості ліній передачі в міліметровому, субміліметровому і оптичному діапазоні хвиль, де вони забезпечують передачу великої  потужності з меншими втратами ніж  металеві хвилеводи [3].

В багатьох випадках незамінною якістю є майже повна відсутність  електропровідність і мала теплопровідність [1].  

 

Список літератури

1. Взятышев В. Ф. Диэлектрические волноводы. М., Изд-во «Советское радио», 216стр. – 1970.
2. Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. Пособие для вузов. – 3-е узд. М,:Наука. 1989. – 544 с.
3. Техническая электродинамика / Пименов Ю. В., Вольман В. И., Муравцов А. Д. Под ред. Ю. В. Пименова: Учеб. пособие для вузов. – М.:Радио и связь, 2000. – 536 с.
4. http://www.baz-alt.ru/userfiles/files/gdv.pdf