Поверхносные электромагнитные волны.

Поверхностный поляритон (ПП) - поверхностная электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль границы раздела сред. Интенсивность такой волны быстро убывает при удалении от границы раздела сред, для линейных сред экспоненциально.

На плоской границе двух изотропных сред ПП может существовать, только если хотя бы одна из пограничных сред обладает отрицательной диэлектрической или магнитнойпроницаемостью.

Существуют сингулярные или бездисперсионные ПП. Они существуют на границах анизотропных кристаллов. В отличие от обычных ПП, они существуют только в определенных направлениях в плоскости границы.

Изучение поверхностных поляритонов началось в связи с исследованием распространения радиоволн^[1]. Экспериментальное проявление поверхностных электромагнитных волн на границе металла обнаружено Робертом Вудом в 1912 году в виде решёточных аномалий Вуда, их интерпретация в терминах поверхностных плазмонных поляритон дана У. Фано (1941).

18 Гребенчатые и другие замедляющие волны. Система представляет собой периодическую последовательность канавок прямоугольного профиля, прорезанных в металлическом основании и ориентированных параллельно оси у. При определенных условиях в области над гребенчатой структурой может быть возбуждена поверхностная ЭМВ, которая распространяется в направлении продольной оси z. Напряженность поля этой волны с ростом поперечной координаты х уменьшается по экспоненциальному закону. Рассмотрим поле в области 2, которая представляет собой совокупность канавок, заполненных воздухом. Если ширина канавки значительно меньше длины волны, то в пределах отдельно взятой канавки поле практически неизменно вдоль координаты z. На границе раздела областей 1 и 2 касательные составляющие векторов электромагнитного поля должны быть непрерывны. Такое представление является приближенным- обусловлено малостью пространственного периода структуры по сравнению с рабочей длиной волны, вследствие чего можно не считаться с конечной толщиной металлических гребней и рассматривать всю область 2 как некоторую «искусственную среду», электродинамические свойства которой зависят лишь от соотношения между длиной волны и глубиной канавки.

Обычные граничные условия, согласно которым при х = 1 касательные составляющие векторов поля должны быть непрерывны, с точностью до несущественного общего множителя можно заменить так называемым импедансным граничным условием Zпов1 —Zпов2 Поверхностный импеданс должен быть чисто реактивным и носить индуктивный характер по аналогии с известной формулой Z_L=jwL.

Гребенчатая замедляющая структура не имеет диэлектрических элементов конструкции и поэтому удобна для использования в мощных электронных приборах и малогабаритных антеннах СВЧ- диапазона.

Одной из первых замедляющих структур - спиральный волновод,

Такой волновод представляет собой достаточно тонкий проводник, навитый на круглый цилиндр радиусом а по винтовой линии с некоторым постоянным шагом d. При возбуждении такого волновода вдоль проводника распространяется бегущая волна тока, причем скорость этой волны весьма близка к скорости света в вакууме.

Коэффициент замедления равен отношению длин путей вдоль проводника и вдоль оси волновода K_зам=1/sin a. Фазовая скорость замедленной электромагнитной волны в спиральном волноводе определяется лишь геометрией спирали и не зависит от частоты. Это свойство объясняет высокую широкополосность лампы бегущей волны (ЛБВ), которая используется в качестве усилителя СВЧ-колебаний. Работа ЛБВ основана на том, что при условии синхронизма между электронным потоком и распространяющейся волной часть кинетической энергии пучка электронов может быть передана электромагнитной волне. За счет этого амплитуда колебаний на выходе прибора существенно превосходит амплитуду колебаний на входе. Очевидно, что отсутствие частотной дисперсии (зависимости фазовой скорости волн от частоты) благоприятствует работе ЛБВ в широкой полосе частот.

19 Распространение ЭМВ в анизотропной среде. Некоторые материальные среды обладают анизотропией электромагнитных свойств. Это находит отражение в том, что материальные уравнения таких сред в самом общем виде имеют следующий вид: где — тензоры абсолютной диэлектрической и абсолютной магнитной проницаемостей соответственно. В частных случаях может проявляться только электрическая или только магнитная анизотропия. Например, для магнитно-анизотропной среды абсолютная магнитная проницаемость представляет собой тензор, в то время как абсолютная диэлектрическая проницаемость является скалярной величиной. Внутренней причиной анизотропии является особенность атомно-молекулярного строения вещества, в частности упорядоченное пространственное расположение атомов в узлах кристаллической решетки. Любые монокристаллы (кварц, кремний, оксид алюминия и т. д.) анизотропны, различия состоят лишь в степени выраженности анизотропных свойств. Анизотропными становятся также аморфные вещества, помещенные в достаточно сильные постоянные электрические или магнитные поля.

Изучением распространения электромагнитных волн в анизотропных средах занимаются специальные разделы физики, в частности кристаллооптика.

20 Поперечное распространение радиоволн в намагниченном феррите. Рассмотрим идеализированную задачу о распространении однородной плоской электромагнитной волны в неограниченной гиротропной среде при условии, что волна распространяется в направлении, перпендикулярном вектору постоянного подмагничивающего поля Но - происходит поперечное распространение волны. Вектор Но ориентирован вдоль положительного направления оси z. Предположим, что плоская электромагнитная волна распространяется вдоль оси х, так что все проекции векторов поля имеют комплексные амплитуды, пропорциональные множителю , где — некоторый коэффициент фазы (продольное волновое число). Волновой процесс характеризуется лишь двумя комплексными амплитудами Hz и Ёу, которые удовлетворяют системе двух уравнений ,

Предположим, что на слой намагниченного феррита толщиной l из вакуума падает плоская ЭМВ в направлении, перпендикулярном направлению подмагничивающего поля. Если плоскость поляризации волны ориентирована произвольным образом, то в общем случае вектор Е падающей волны имеет составляющую E1, перпендикулярную подмагничивающему полю, и составляющую Е2, которая направлена вдоль вектора Но. Составляющая E1 возбуждает в феррите обыкновенную, а составляющая Е2 — необыкновенную волну. Фазовые скорости этих двух пространственно-ортогональных волн различны. Поэтому в полупространстве за пластиной обыкновенная и необыкновенная волны оказываются сдвинутыми по фазе. Складываясь, эти две волны образуют однородную плоскую волну с вращающейся эллиптической поляризацией. В частном случае, когда фазовый сдвиг составляет 90°, а амплитуды обеих волн равны, поляризация прошедшей волны будет круговой. Описанное здесь явление преобразования поляризационных характеристик плоской волны в слое гиротропной среды при поперечном распространении получило название эффекта Коттон —Мутона.

Дата добавления: 2015-08-17