Принцип действия диэлектрического и металлического волноводов

Диэлектрический волновод - это стержень из диэлектрического материала, в котором могут распространяться электромагнитные волны с малыми потерями. Для волн миллиметрового диапазона это полистирол и полиэтилен (фторопласт), малопоглощающие, так называемые неполярные диэлектрики. Электромагнитная волна может распространяться внутри стержня, отражаясь от его границ под углом полного внутреннего отражения. Как и в металлическом волноводе, при интерференции образуются направляемые волны - моды. При этом нет потерь мощности в металле, но имеют место потери в диэлектрике. Эти потери все же достаточно велики, поэтому диэлектрические волноводы получили применение для передачи сигнала на миллиметровых волнах на сравнительно короткие расстояния (метры, десятки метров).

Металлический волновод представляет собой полую металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения. Плоская (для прямоугольного волновода) или цилиндрическая (для круглого) электромагнитные волны могут распространяться по волноводу, отражаясь от стенок. В результате интерференции отраженных под определенными углами волн образуются направляемые волновые структуры с синусоидальным или близким к нему распределением поля в поперечном сечении. При этом амплитуды направляемых волн описываются функциями от поперечных координат. Такие волновые структуры называются модами (от англ. mode). В кабеле эти моды оказались мешающими, паразитными. В волноводе же при отсутствии центрального провода уже не может распространяться "кабельная" волна, но одна из мод может быть использована для передачи сигнала. Одномодовый режим работы можно осуществить, например, для круглого волновода при 1,3d < l < 1,7d, где d - внутренний диаметр волновода. Заметим, что здесь l = c / f. Она неравна длине волны моды в волноводе, которая имеет другое значение.

Из указанного условия видно, что в одномодовом режиме волновод может работать только в полосе частот, причем для каждой полосы частот необходим свой волновод. Ниже этой полосы волны (моды) вообще не могут распространяться в волноводе, а выше начинают распространяться другие моды, возникает многоволновость.

Металлические волноводы получили применение в качестве линий передачи сантиметровых и миллиметровых волн. При уменьшении длины волны уменьшаются поперечные размеры волновода и возрастают потери мощности волны в стенках. Поэтому для волн с длинами порядка миллиметра и короче волноводы применяются лишь на очень короткие расстояния.