Линии передачи поверхностной волны

1.14.1 Однопроводная линия передачи

 

Однопроводная линия переда­чи или линия поверхностной волны (ЛПВ) представляет собой одиночный металлический провод, покрытый тонким слоем диэлек­трика (рис.14.1). Иногда в качестве диэлектрического покрытия используется тонкая окисная пленка, образующаяся на поверхно­сти металла и имеющая низкую электропроводность.

Рисунок 43– Линия поверхностной волны (ЛПВ)

 

Принцип действия ЛПВ основан на явлении полного отраже­ния от границ «диэлектрик—воздух» и, от поверхности провода. В результате в диэлектрическом слое образуется направляемая волна, а в воздухе — поверхностная волна. Основными в этих ли­ниях являются две волны: Е₀₀ и НЕ₁₁, имеющие λ_кр= ∞. Наибольший практический интерес представляет волна Е ₀₀, обладающая малым коэффициентом ослабления. Структура поля этой волны и способ ее возбуждения с помощью коаксиального волновода, внешний проводник которого переходит в конический рупор, по­казаны на рисунке 44. К достоинствам ЛПВ относятся широкополосность, высокая электрическая прочность, простота конструкции и экономичность. Поскольку линия открытая, она имеет следующие недостатки: низкая помехозащищенность из-за существования внешнего поля, наличие индукционных потерь, нарушение условия полного отра­жения от внешней поверхности и потери на излучение под дей­ствием атмосферных осадков.

Рисунок 44 – Переход коаксиального волновода в конический рупор

Применяются ЛПВ в диапазонах сантиметровых волн в ка­честве фидеров и метровых волн для передачи телевизионных программ на расстояния порядка 50... 100 км при необходимости ответвления от магистральных кабельных или радиорелейных ли­ний связи. При этом линия подвешивается на столбах проводной связи с помощью изоляторов. Наиболее целесообразно ее исполь­зовать на дециметровых волнах. Возможность быстрой проклад­ки такой линии делает перспективным ее применение в различных подвижных системах передачи.

1.14.2. Диэлектрический волновод

 

Такой волновод изображен в цилиндрической системе координат r,φ,z на рисунке 45.

Принцип действия волновода основан на полном отражении вол­ны от границы «диэлектрик—воздух». Диэлектрическая проницае­мость диэлектрика ε₁ воздуха — ε₂. Перенос энергии вдоль от­ражающей границы осуществляется двумя волнами: направляе­мой, распространяющейся внутри диэлектрического стержня, и по­верхностной, распространяющейся в воздухе. Как в круглом ме­таллическом волноводе, так и в диэлектрическом могут сущест­вовать волны Е _тп и Н _тп. Однако различие граничных условий на поверхности диэлектрического, и стенках металлического волново­дов приводит к тому, что в диэлектрическом волноводе только волны с симметричной структурой поля (Е _оп и Н_{о п}) могут сущест­вовать раздельно.

 

 

 

Рисунок 45 – Диэлектрический волновод, рисунок 46 – Поверхностные токи смещения в цилиндрической системе координат

 

Несимметричные волны Е_тп и Н_тп (m ≥ 1) образуют смешанные или гибридные волны НЕ_тп или ЕН_тп. Если H_z > E_z, волна обозначается НЕ_тп, если Е_z > Н_z — ЕН_тп.

Физически существование гибридных волн можно объяснить, используя аналогию с металлическим волноводом. В полом метал­лическом волноводе круглого сечения при возбуждении несиммет­ричных волн поверхностные токи проводимости j_s на стенках вол­новода содержат поперечные и продольные составляющие. На­пример, структура волны H ₁₁ показана на рисунке 2.19,б. При воз­буждении волны Н ₁₁ в диэлектрическом волноводе на его поверх­ности возникают поверхностные токи смещения с аналогичной структурой (рис. 14.4).

По определению продольная составляющая плотности тока смещения

 

 

Наличие свидетельствует о том, что Е z≠0 при возбужде­нии волны Н ₁₁, т. е. о появлении гибридной волны. Волна НЕ ₁₁ является основной, так как . Е _е структура изображена на рисунке 47. Условие одноволновой передачи имеет вид

Рисунок 48 – Структура волны НЕ ₁₁

 

Режим работы диэлектрического волновода зависит от соот­ношения f_kp/f. При f=f_кр нарушается условие полного отражения, направляемая волна перестает существовать, а ее энергия в виде преломленной волны рассеивается в радиальном направлении. На частотах f>f_кр, но близких к f_кр, основная доля энергии пере­носится поверхностной волной в воздухе с фазовой скоростью, υ≈3∙ 108 м/с. Структура поля волны НЕ ₁₁ при этом близка к струк­туре поля Т-волны, затухание мало, но велики индукционные по­тери и низка помехозащищенность волновода. На частотах f»f_кр почти вся энергия концентрируется внутри стержня и переносится направляемой волной, условия распространения которой приближаются к условиям распространения плоских однородных волн в диэлектрической среде с теми же параметрами, что и материал, из которого изготовлен волновод (υ≈с/ ).

Достоинства диэлектрического волновода:

простота конструкции, дешевая технология изготовления, ме­нее жесткие требования к допускам на размеры по сравнению с металлическими волноводами;

при использовании высококачественных диэлектриков (поли­стирол, полиэтилен, фторопласт и др.) затухание мало: на санти­метровых волнах коэффициент ослабления соизмерим с коэффи­циентом ослабления в полом металлическом волноводе, а на мил­лиметровых волнах оказывается значительно меньше;

высокая электрическая прочность.

Диэлектрические волноводы целесообразно применять в диапа­зоне миллиметровых и более коротких волн, так как использова­ние в этих диапазонах металлических волноводов сопряжено с трудностью обеспечения высокой точности при их изготовлении, ростом потерь энергии в стенках волновода вследствие усиления поверхностного эффекта, снижением электрической прочности из-за уменьшения размеров.

К недостаткам диэлектрического волновода относятся: наличие открытого внешнего поля, приводящего к потерям, и, в частности, к излучению на изгибах и поворотах волновода; для устранения такого излучения необходимо обеспечивать радиус поворота не менее (10... 20) λ;

сложность крепления диэлектрического стержня, поскольку в местах крепления могут нарушаться условия полного отражения.

Диэлектрический волновод обычно возбуждают с помощью круглого металлического волновода с волной типа Н₁₁.

Диэлектрические волноводы применяются в качестве фидеров малой протяженности в диапазоне миллиметровых длин волн и антенн осевого излучения на сантиметровых и дециметровых вол­нах. Наиболее широкое применение диэлектрические волноводы нашли в оптическом диапазоне волн. Такие волноводы получили название световодов.