science-review.ru
Учебное пособие предназначено для студентов направлений: инфокоммуникационные технологии и системы связи, информационная безопасность телекоммуникационных систем, фотоника и оптоинформатика. Учебное пособие включает специальные разделы физики волновых процессов в средах и волнонаправляющих структурах, как в области их прозрачности, так и отсутствующей в известной литературе области их непрозрачности (запредельной области длин волн). Изучение областей непрозрачности важно для существенно более широкого использования физических свойств сред и волноводных структур в создании новых функциональных элементов микро- и наноэлектроники. Изучение запредельной области длин волн является основной целью учебного пособия.
В учебном пособии рассмотрены особенности распространения электромагнитных волн в экранированных волноводах с малым поперечным сечением (в обычных условиях запредельный режим) при введении в их полость сред с усилением. Введение в запредельные волноводы сред с отрицательной дифференциальной проводимостью качественно меняет физические свойства и волновые параметры структур на их основе, которые в литературе ранее не рассматривались.
В первой главе рассмотрены условия прозрачности и запредельности для электромагнитных волн для изотропных и анизотропных безграничных сред. Получены аналитические выражения для расчета дисперсионных характеристик с учетом комплексного характера параметров сред и постоянных распространения. Проведен анализ физических свойств сред в запредельных и прозрачных областях частот с учетом анизотропии на примере неподмагниченной и подмагниченной плазмы, гиромагнетиков. Показано, что в областях непрозрачности сред или в областях непропускания волн в волноводных структурах возможно эффективное усиление электромагнитных волн при введении в эти области сред с усилением. Рассмотрено взаимодействие электромагнитных волн с границами раздела между прозрачными и запредельными средами. Рассмотрены особенности прохождения электромагнитных волн через границы раздела: диэлектрик – запредельная среда с активными и диссипативными параметрами сред; диэлектрик – запредельная среда с электрической гиротропией активных сред; диэлектрик – запредельная среда с магнитной гиротропией активных сред. Получены коэффициенты отражения электромагнитных волн от слоя среды с экраном в запредельной области частот. Получены условия максимального усиления электромагнитных волн при взаимодействии с границами разделов сред.
Во второй главе рассмотрены особенности распространения электромагнитных волн в однородных цилиндрических экранированных волноводных структурах, включающих однородные усиливающие и диссипативные среды, в запредельных областях частот. Получены условия усиления электромагнитных волн, рассмотрены критические параметры экранированных структур с учетом диссипации. Показаны методы расчета дисперсионных характеристик волноводов в полосе пропускания и запредельной области (Е- и Н-волны); основных и высших типов волн прямоугольного волновода; основных и высших типов волн круглого волновода; волновода с частичным заполнением; прямоугольного волновода, включающего двухкомпонентную периодическую структуру с активными и диссипативными слоями. Рассмотрены свойства электромагнитных волн в цилиндрических экранированных запредельных волноводных структурах с анизотропными средами (плазма и ферримагнетик). Проведен расчет постоянных распространения прямоугольного волновода с подмагниченной плазмой и поперечно подмагниченным ферримагнетиком.
В третьей главе рассмотрены методы расчета взаимодействия электромагнитных волн с неоднородностями в экранированных волноводных структурах, которые представляют собой запредельные участки волновода с усиливающими и диссипативными средами. Рассмотрено отражение и прохождение электромагнитных волн: в прямоугольном волноводе от границы раздела с запредельным участком; от запредельного слоя с экраном. Рассмотрено прохождение волн в волноводе через запредельный участок конечной длины; через запредельный участок с периодической структурой с конечным числом периодов, включающих участки с активными средами.
В заключении рассмотрены потенциальные возможности запредельных структур и запредельных сред в создании новых устройств волноводной техники в областях от микроволнового до ультрафиолетового диапазона, рассмотрены проблемы и задачи, решение которых представляет интерес для дальнейшего исследования. Учебное пособие содержит большое число трехмерных графиков для анализа физических свойств рассматриваемых структур, построенных с использованием Mathlab. Разделы учебного пособия содержат вопросы для самоконтроля изучаемого материала, сформулированы задачи для самостоятельного исследования, как в рамках изучения дисциплины, так и для научно-исследовательской работы.
Дисциплина «Введение в физику волноводных структур» опирается на курс общей физики и является основой для дисциплин «Электромагнитные поля и волны», «Распространение радиоволн», «Волоконно-оптические линии связи». Учебное пособие может быть полезно для подготовки специалистов в областях радиофизики, акустики, оптики, техники телекоммуникационных систем.
Пособие может быть полезным бакалаврам, магистрам, аспирантам, специалистам и научным работникам, занимающихся разработкой микроустройств и нанотехнологиями в системах телекоммуникаций.