Распространение нестационарного электромагнитного поля в диэлектрическом волноводе / Nonstationary electromagnetic field propagation in dielectric waveguide

Легенький М.Н. / Legenkiy, M.N.
Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина / RUS Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина
Бутрым А.Ю. / Butrym, A.Yu.
Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина / RUS Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина
Выпуск в базе РИНЦ
Легенький М.Н., Бутрым А.Ю. Распространение нестационарного электромагнитного поля в диэлектрическом волноводе // Физические основы приборостроения. 2012. Т. 1. № 1(2). С. 23–35. DOI: 10.25210/jfop-1201-023035
Legenkiy, M.N., Butrym, A.Yu. Nonstationary electromagnetic field propagation in dielectric waveguide // Physical Bases of Instrumentation. 2012. Vol. 1. No. 1(2). P. 23–35. DOI: 10.25210/jfop-1201-023035

Аннотация: В статье рассматривается анализ распространения произвольного импульсного сигнала в открытом диэлектрическом волноводе на основе представления полей в виде разложения по непрерывному спектру частотно-независимых мод, учитывающих граничные условия на поперечной неоднородности диэлектрика и на бесконечности. На основе этого метода проведен расчет возбуждения и распространения импульсной волны в круглом диэлектрическом волноводе. Проанализированы нестационарные процессы, возникающие при этом. Продемонстрировано, что предвестник в таком волноводе распространяется в виде импульсной поверхностной волны и сопровождающего ее конуса черенковского излучения внутри диэлектрика, причем скорость распространения такой волны вдоль диэлектрического стержня равна скорости света в окружающем пространстве.
Abstract: The paper considers a method for analysis of arbitrary pulse signal propagation in an open dielectric waveguide. The method is based on presenting the sought fields as an expansion over continuous spectrum of some frequency independent modes that are built in a way to account for the boundary conditions at the transverse dielectric inhomogeneity and at the infinity. A pulse wave excitation and propagation in a circular dielectric waveguide has been calculated and analyzed using the presented method. The transient processes occurring in this case have been investigated. It was demonstrated that a precursor in such a waveguide is propagated as a surface pulse wave and an accompanying Cherenkov’s radiation cone inside the dielectric core, the longitudinal propagation speed of which being equal to the speed of light in the surrounding medium.
Ключевые слова: импульсный сигнал, метод модового базиса, излучение Черенкова, метод конечных разностей, dielectric waveguide, импульсный сигнал

Литература / References
  1. Tamir T. Leaky waves in planar optical waveguides // Nuov. Rev. Optique. 1975. Vol. 6, No. 5. P. 273–284.
  2. Jablonski T.F. Complex modes in open lossless dielectric waveguides // J. Opt. Soc. Am. A. 1994. Vol. 11, No. 4. P. 1272–1282.
  3. Inada H. Backscattered Short Pulse Response of Surface Waves from Dielectric Spheres // Applied Optics. 1974. Vol. 13. P. 1928–1933.
  4. Arcone S.A. Field observations of electromagnetic pulse propagation in dielectric slabs // Geophysics. October 1984. Vol. 49, No. 10. P. 1763–1773.
  5. Baumgartner F., Munk J., Deniels J. A geometric optics model for high-frequency electromagnetic scattering from dielectric cylinders // Geophysics. 2001. Vol. 66, No. 4. P. 1130–1140.
  6. Liu L., Arcone S.A. Propagation of radar pulses from a horizontal dipole in variable dielectric ground: a numerical approach // Subsurface Sensing Technologies and Applications. 2005. Vol. 6, No. 1. P. 5–24.
  7. McGowan R.W., Cheville R.A., Grischkowsky D.R. Experimental study of the surface waves on a dielectric cylinder via terahertz impulse radar ranging // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2000. Vol. 48, No. 3. P. 417–422.
  8. Tafl ove A. Computational Electrodynamics: The Finite Difference Time Domain Method. Norwood, 1995. 852 p.
  9. Кисунько Г.В. Электродинамика полых систем. Ленинград: ВКАС, 1949. 426 с.
  10. Третьяков О. А. Волноводные эволюционные уравнения // Радиотехника и электроника. 1989. Т. 34, № 5. С. 917–926.
  11. Hashimoto M., Idemen M., Tretyakov O.A. Analytical and Numerical Methods in Electromagnetic Wave Theory. Tokyo: Science House Co, Ltd, 1993. 572 p.
  12. Kristensson G. Transient Electromagnetic Wave Propagation in Waveguide // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 1995. Vol. 9, No. 5–6. P. 645–671.
  13. Geyi W. A Time-Domain Theory of Waveguide // Progress in Electromagnetic Research. 2006. Vol. 59. P. 267–297.
  14. Geyi W. Time-Domain Theory of Metal Cavity Resonator // Progress in Electromagnetic Research. 2008. Vol. 78. P. 219–253.
  15. Antyufeyeva M.S., Butrym A.Yu., Tretyakov O.A. Transient electromagnetic fi elds in a cavity with dispersive double negative medium // Progress in Electromagnetic Research M. 2009. Vol. 8. P. 51–65.
  16. Antyufeyeva M.S., Tretyakov O.A. Electromagnetic fi elds in a cavity fi lled with some nonstationary media // Progress in Electromagnetic Research B. 2010. Vol. 19. P. 177–203.
  17. Butrym A.Y., Zheng Y., Tretyakov O.A. Transient diffraction on a permittivity step in a waveguide: Closed-form solution in time domain // J. Electromagnetic Waves Applications. 2004. Vol. 18, No. 7. P. 861–876.
  18. Бутрым А.Ю., Кочетов Б.А. Метод модового базиса во временной области для волновода с поперечно неоднородным многосвязным сечением. 1. Общая теория метода // Радиофизика и радиоастрономия. 2009. Т. 14, № 2. С. 162–173.
  19. Бутрым А.Ю., Кочетов Б.А. Метод модового базиса во временной области для волновода с поперечно неоднородным многосвязным сечением. 2. Пример численной реализации метода // Радиофизика и радиоастрономия. 2009. T. 14, № 3. C. 266–277.
  20. Борисов В.В. Неустановившиеся поля в волноводах. Ленинград: Изд-во ЛГУ, 1991. 157 c.
  21. Butrym A.Y., Kochetov B.A. Mode Expansion in Time Domain for Conical Lines With Angular Medium Inhomogeneity // Progress In Electromagnetics Research B. 2010. Vol. 19. P. 151–176.
  22. Третьяков О.А., Думин А.Н. Излучение нестационарных электромагнитных полей плоским излучателем // Электромагнитные волны и электронные системы. 1998. Т. 3, № 1. С. 12–22.
  23. Думин А. Н., Катрич В.А., Колчигин Н.Н., Пивненко С.Н., Третьяков О.А. Дифракция нестационарной ТЕМ-волны на открытом конце коаксиального волновода // Радиофизика и радиоастрономия. 2000. Т. 5, № 1. С. 55–66.
  24. Легенький М.Н. Построение модового базиса для круглого диэлектрического волновода методом интегральных уравнений // Радиофизика и радиоастрономия. 2010. T. 15, № 4. C. 442–452.
  25. Legenkiy M.N. Mode basis derivation by using integral equation technique for a circular dielectric waveguide // Radio Physics and Radio Astronomy. 2011. Vol. 2, No. 2. P. 171–180.
  26. Legenkiy M.N., Butrym A.Yu. Mode basis derivation by using integral equation technique for a circular dielectric waveguide // Progress in Electromagnetic Research Letters. 2011. Vol. 22. P. 9–17.
  27. Hanham S., Bird T. High Effi ciency Excitation of Dielectric Rods Using a Magnetic Ring Current // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2008. Vol. 56, No. 6. P. 1805–1808.
  28. Legenkiy M., Butrym A. Mode basis construction for open dielectric circular waveguide by integral equation method // Proceedings of the conference Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW’2010), June 21–26, Kharkov, 2010. P. 1–3.
  29. Schantz H. The art and science of ultrawideband antennas. Boston: Artech House, 2004. 301 p. 31. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 8. Электродинамика сплошных сред. М: Наука, 1982. 620 c.
  30. Zayats A.V., Smolyaninov I.I., Maradudin A.A. Nano-optics of surface plasmon polaritons // Physics Reports. 2005. Vol. 408. P. 131–314.
  31. Annan A.P. Radio interferometry depth sounding: Part I Theoretical discussion // Geophysics. 1973. Vol. 38. P. 557–580.