Однопроводная линия относится к классу линий передачи с
поверхностными волнами. На возможность использования проводника с
конечной проводимостью и изолированного провода (провода со слоем
диэлектрика) в качестве линии передачи указывали еще Зоммерфельд (1898
г.) и Хармс (1907 г.), однако интенсивные исследования возможности их
практического применения начались лишь с 50-х годов двадцатого столетия.
Поскольку однопроводная линия – открытая линия передачи, то
естественно стремление сконцентрировать передаваемую электромагнитную
энергию вблизи самого проводника с целью уменьшения влияния
посторонних помех (например, атмосферных осадков, близко
расположенных предметов и т.д.). Концентрация электромагнитного поля
вокруг проводника может быть достигнута за счет уменьшения его
проводимости, однако при этом возрастают потери в металле. Поэтому
наиболее часто на практике используются однопроводные линии,
представляющие собой провод с высокой проводимостью, покрытый тонким
слоем диэлектрика. Чем толще слой диэлектрика, тем сильнее поле
концентрируется вблизи провода, точнее в диэлектрике, но тем выше и
потери за счет потерь в диэлектрике. Разумный выбор проницаемости ? и
толщины покрытия позволяет получить однопроводную линию передачи с
затуханием значительно меньшим, чем у коаксиального кабеля и волновода.
В линиях поверхностной волны (ЛПВ), разработанных для передачи
телевизионных сигналов, затухание не превышает 6-8 дБ/км, что примерно в
100 раз меньше затухания в лучших типах коаксиальных кабелей.
10.7.4. Металлический цилиндр, покрытый слоем диэлектрикаhttp://library.tuit.uz/skanir_knigi/book/texnicheskaya_elektrodinamika/elektrodin_4.files/image198.jpg [zero size or time out]
Однопроводная линия в виде цилиндрического проводника, покрытого слоем диэлектрика, известна в литературе как линия Губо. Приближенный анализ волн в такой линии можно провести, рассматривая ее как металлическую пластину, покрытую слоем диэлектрика и свернутую в цилиндр (рис. 10.53).
Основной волной в идеальной линии Губо является волна типа Е, структура поля которой показана на рис. 10.60. Затухание волны при распространении по линии определяется потерями энергии в металле и диэлектрическом слое. Чем толще слой диэлектрика и тоньше диаметр проводника, тем, очевидно, выше затухание волны. Поэтому, например, в сантиметровом диапазоне волн толщину слоя выбирают достаточно малой - порядка 0,05...0,1 мм, а диаметр проводника берут не менее 1 мм. При этом коэффициент ослабления для основной волны в такой линии с диэлектрическим слоем из полистирола оказывается в 2...3 раза меньше, чем в прямоугольном волноводе на тех же частотах. Однако существенная зависимость параметров распространяющейся волны в линии Губо от расположенных вблизи линии проводящих тел, а также от атмосферных условий приводит к ограниченному использованию ее на практике.
Следует отметить, что волна Е, изображенная на рис. 10.60, может распространяться вдоль проводника и при отсутствии диэлектрической оболочки, если на его поверхности из-за окисления образовалась тонкая пленка с относительно низкой проводимостью, играющая роль диэлектрического слоя.
10.7.5. Круглый диэлектрический волновод
Рассмотрим распространение электромагнитных волн вдоль бесконечно длинного диэлектрического цилиндра радиуса а, расположенного в безграничной однородной изотропной среде. Диэлектрик и окружающая среда считаются идеальными (? = 0) и характеризуются параметрами ?,? 0 и ? 0 ,?0 соответственно.
Введем цилиндрическую систему координат r,? ,z, ось Z которой совместим с осью цилиндра. Как обычно, зависимость от координаты z выделим в виде множителя exp(-i?z), где ?-подлежащая определению постоянная. При этом продольные составляющие векторов Ёт и Нт записываются в виде Emz =
где т=1,2,3..... а А, В, ?0 и ?0- некоторые постоянные. В области 2 поле должно представлять собой поверхностную волну, амплитуды составляющих векторов поля которой экспоненциально убывают с удалением от поверхности цилиндра. Поэтому должно выполняться соотношение и параметр ?2 удобно представить в виде Решения уравнения (10.28), справедливые в области 2 и удовлетворяющие данному требованию, имеют вид
...
Из данной системы видно, также, что при т ? 0 волна, распространяющаяся по круглому диэлектрическому волноводу, должна иметь продольные составляющие и у вектора Е, и у вектора Н, т.е. является гибридной. При т = 0 одна из составляющих Ez или Нz может равняться нулю, т.е. возможно существование независимых Е- и Н-волн с осесимметричной структурой поля (такие волны часто называют симметричными).
...
Убывание поля в радиальном направлении вне цилиндра определяется параметром а. Чем меньше а, тем медленнее убывает поле, тем меньшая часть мощности бегущей волны переносится непосредственно по диэлектрическому цилиндру. Значение а = 0 соответствует критической длине волны. Используя выписанные выше выражения параметров у-| и а через коэффициент фазы р, получаем соотношение
При f<fKp волны типа Е в диэлектрическом волноводе распространяться не могут.
Таким образом, свойства симметричных Е-волн в круглом диэлектрическом волноводе аналогичны свойствам Е-волн в диэлектрическом слое, расположенном в однородной среде (или в диэлектрическом слое, расположенном на металлической плоскости).
Анализ симметричных (т = 0) Н-волн проводится аналогично. В этом случае А = С= 0 и требуется найти корни уравнения (10.86), отличие которого от (10.85) несущественно.
При m?0 в диэлектрическом волноводе могут распространяться только гибридные волны, у которых отличны от нуля
И EZ, Hz.
Анализ гибридных волн несколько более сложен, так как требуется найти корни более сложного трансцендентного уравнения (10.84). Однако общие закономерности распространения гибридных волн сходны с описанными выше для симметричных Е-волн. Исключение составляет основная волна диэлектрического волновода ЕН11ей соответствует значение m=1 и первый корень
http://library.tuit.uz/skanir_knigi/book/texnicheskaya_elektrodinamika/elektrodin_4.files/image210.jpg [zero size or time out]
уравнения (10.84), т.е. n=1). Структура поля этой волны показана на рйс.10.61. Так как критическая частота волны ЕH11 равна нулю, то формально данная волна может существовать на любых частотах. Однако это не означает, что с помощью диэлектрического волновода можно передавать энергию на сколь угодно низкой частоте.
Электромагнитная волна в диэлектрическом волноводе переносит энергию не только внутри стержня, но и в окружающем его пространстве. В качестве параметра, характеризующего протяженность поля волны в поперечном направлении, обычно используют так называемый граничный радиус поля rо = 1/?. Расчеты показывают, что через площадь, ограниченную окружностью радиуса r0, переносится 80-90% мощности бегущей волны. Поэтому для распространения волны по диэлектрическому волноводу необходимо иметь вокруг него свободное пространство в радиусе (2-3)r0. Это обычно и вызывает трудности при использовании такого волновода. Как показывает анализ, при уменьшении частоты уменьшается а и, следовательно, увеличивается г0, т.е. все меньшая часть энергии распространяется внутри стержня и все большая - в окружающем его пространстве. Поэтому, хотя критическая длина волны ЕH11 равна нулю, существует нижняя граница рабочего диапазона при ^использовании этой волны, определяемая допустимым значением граничного радиуса, т.е. должно выполняться условие r0<r0доп. Со стороны верхних частот рабочий диапазон при использовании волны ЕН11 должен быть ограничен критической частотой волны Е01, определяемой из (10.88).
Отметим существенную особенность диэлектрического волновода: одноволновый режим работы для заданной рабочей частоты f(f< fкp) можно обеспечить как выбором (уменьшением) радиуса стержня а, так и уменьшением разницы между относительными диэлектрическими проницаемостями материала стержня и окружающего пространства: выбрав ?r мало отличающимся от 1, можно обеспечить одноволновый режим даже при a>>?. Это свойство и используют при конструировании диэлектрических волноводов в оптическом диапазоне волн, где рабочие частoты вёсьма велики .Обычно диэлектрические волноводы, предназначенные для работы в оптическом диапазоне волн, называют световодами.
Диэлектрические волноводы применяют в качестве линий передачи в миллиметровом (КВЧ), субмиллиметровом (ГВЧ) и оптическом диапазонах волн, где они обеспечивают передачу, большей мощности с меньшими потерями, чем металлические волноводы.
ЗыСы Блин, аттачи не цепляются.