Теорія поля / Посiбник

231

ВР ГДВ значно видозмінює характеристики описаних вище класичних резонансних квазіоптичних структур. Основним у такому ВР є TEM20q тип коливання.

Уперше хвилевідний варіант підсилювача на ефекті Сміта-Парселла (дифракційного випромінювання) був запропонований у [32], де нерелятивістський ЕП взаємодіє із біжучою хвилею дифракційного випромінювання у відкритій хвилевідній системі, яка утворена поверхнями пасивного і активного (з дифракційною решіткою) дзеркал (див.

рис. 4.36 б).

Перспективними в плані створення нових модифікацій пристроїв електроніки і техніки МСМ хвиль є також багатозв'язні квазіоптичні системи, які містять не менше двох джерел об'ємних хвиль. Зокрема, до таких систем можна віднести зв'язані ВР, які можуть бути реалізовані як за рахунок послідовного розміщення вздовж загальної осі, наприклад, двох напівсферичних ВР (див. рис. 4.36 а), так і за рахунок паралельного включення ВР відносно осі розподіленого джерела випромінювання (рис. 4.36 в).

У першому випадку зв'язок у таких пристроях реалізується через дифраговане на краях дзеркал поле, а у другому варіанті – через стрічкові решітки, розміщені в об'ємі сфероїдального ВР, поділяючи його на два напівсферичні резонатори. Пристрої, виконані на зв'язаних ВР, порівняно із однорезонаторними мають ряд переваг: більш широку смугу пропускання, можуть ефективно використовуватися як електродинамічні системи підсилювачів потужності і помножувачів частоти [30].

Відкритий хвилевід, утворений двома дифракційними решітками плоскої або циліндричної форми (див. рис. 4.36 г), також належить до багатозв'язної квазіоптичної системи, яка може бути використана при створенні підсилювача на ефекті Сміта-Парселла. Ефект підсилення в такій системі реалізується шляхом використання двох ди-

232

фракційно зв'язаних джерел випромінювання, одне з яких (активне) утворене системою «відбивна решітка-ЕП», а інше (пасивне) являє собою пристрій введення-виведення енергії, виконаний у вигляді системи ДР-ДХ. При квазісинхронізмі швидкості ЕП з однієї із поверхневих хвиль дифрагованого на решітці поля відбувається групування електронів у згустки, які випромінюються на частоті вхідного сигналу. На решітці пасивного дзеркала відбувається зворотне перетворення об'ємної хвилі в поверхневу хвилю діелектричного хвилеводу із подальшим її перевипромінюванням у відкритий хвилевід. За умови синфазного випромінювання з активного і пасивного джерел спостерігається ефект підсилення повільною хвилею просторового заряду ЕП прямої хвилі ВХ.

При збудженні системи двома пасивними джерелами випромінювання (діелектричними хвилеводами) (див. рис. 4.36 г) відбувається послідовне перетворення поверхневих хвиль у просторові, а просторових – у поверхневі. Уздовж осі системи формуються синфазні і протифазні хвилі, у результаті інтерференції яких відбувається розділення падаючої і відбитої потужностей, що дозволяє на базі такої системи створити квазіоптичний спрямований відгалужувач [33].

При реалізації напівпровідникових джерел МСМ-хвиль і елементної бази широке застосування знайшли кутиковоешелетні ВР. На базі таких електродинамічних систем запропоновані різні модифікації квазіоптичних твердотільних генераторів накачування із сферо-кутиково- ешелетними ВР, які конструктивно реалізовані за схемою із реактивновідбивними і прохідним резонаторами [34].

Різноманітність пристроїв релятивістської електроніки [35, 36] зумовила необхідність розроблення спеціальних відкритих резонансних і хвилевідних електродинамічних систем, які мають підвищену електричну міцність і ефек-

233

тивну селекцію типів коливань. До таких резонансних систем належить, наприклад, кільцевий резонатор, який являє собою сукупність дзеркал, розміщених таким чином, щоб промінь, зазнавши відбиття від резонаторних дзеркал, замикався сам на себе (режим біжучих хвиль). У МСМ діапазоні перспективним є використання також брегівських резонаторів. Конструктивно вони складаються із резонаторів Фабрі-Перо, дзеркала яких утворюють зубчасті або хвилясті дзеркальні поверхні. Відрізняючись багатофункціональністю, брегівський резонатор є багаточастотною системою. Крім того, для хвилі накачування, яка поширюється вздовж осі резонатора, система дзеркал є високоселективною сповільнювальною структурою. Із хвилевідних систем в основному застосовуються нерегулярні або слабко нерегулярні хвилеводи. До їх різновидів можна віднести надрозмірні хвилеводи різних форм і перерізів, хвилеводи із періодичними неоднорідностями, такими, як провідні спіралеподібні, типу «гребінка», штирові, брегівські, діафрагмовані та інші різні різновиди діелектричних хвилеводів.

Квазіоптичні системи із періодичними металодіелектричними структурами (МДС)

Багатозв'язні системи, виконані у вигляді ВР і ВХ, в об'ємі яких розміщена МДС, дозволяють реалізувати різні режими трансформації енергії поверхневих хвиль в об'ємі

[30].

Найпростіша електродинамічна система із МДС схематично зображена на рис. 4.37 а. Вона утворена металевим дзеркалом і діелектричним шаром із проникністю ε , на бічній поверхні якого нанесена стрічкова дифракційна решітка. Уздовж решітки розміщене розподілене джерело випромінювання, яке залежно від параметрів системи може збуджувати різні просторові гармоніки випромінювання із номерами n =0, ±1, ±2, … і щільністю енергії Sn . Зокрема,

234

на рис. 4.37 а показаний варіант збудження черенковської ( S0ε ) і мінус першої дифракційної ( S−1ε ) гармонік випромінювання в діелектрик, а також мінус першої дифракційної гармоніки випромінювання ( S−1ν ) у вакуум, яка може

відбиватися від металевого екрана і надходити в металодіелектричний канал.

				4
				1
				5
	S-1ν	z	3
1		0	y	3
				2
2	S-1ε		S0ε

1

5

а

б

Рисунок 4.37 – Приклади виконання квазіоптичних систем з МДС: а – металодіелектричний канал; б – відкритий резонатор з МДС (1 – відбивні дзеркала; 2 – стрічкова дифракційна решітка; 3 – джерело когерентної хвилі (ЕП або ДХ); 4 – вихід енергії; 5 – діелектричний шар)

Для такої системи розроблені чисельні і експериментальні методи моделювання різних режимів дифракційного і черенковського випромінювань, які дозволяють визначити кількісні співвідношення густини енергії просторових гармонік і оптимізувати параметри електродинамічної системи відповідно до поставленого завдання. При цьому кути гармонік ДВ визначаються таким співвідношенням [30]:

235

γ nε = arccosηk +εn ,

де η = k / β0 ;

k– хвильове число;

β0 – відносна швидкість електронів.

Природним переходом від найпростіших систем (див. рис. 4.37 а) до більш складних є відкритий резонатор з МДС (див. рис. 4.37 б), який утворений, наприклад, сферичним дзеркалом із виводом енергії і плоским дзеркалом з відбивною дифракційною решіткою. Між дзеркалами ВР розміщена МДС, виконана у вигляді діелектричного резонатора. Така електродинамічна система є базовою при створенні дифракційно-черенковських генераторів. На рис. 4.37 б наведені можливі режими збудження об'ємних хвиль розподіленим джерелом випромінювання, розміщеним уздовж границь діелектричної призми зі стрічкової ДР і відбивної ДР. Встановлено, що введення у відкритий резонатор МДС приводить до якісно нових електродинамічних властивостей такої системи: при зміні параметрів МДС можлива реалізація режимів загасання енергії у ВР, збільшення амплітуди коливань і їх добротності, селекції коливань. Виявлені властивості такої системи пояснюються у рамках фізичної моделі дифракційно-черенковського випромінювання для МДС кінцевої товщини [37]. Такі системи можуть бути використані при реалізації конкретних приладів електроніки, наприклад, дифракційночеренковського генератора та черенковської ЛЗХ [38].

Більш докладну інформацію щодо матеріалів даного підрозділу можна одержати із монографій [28-32, 35] і оглядових статей останніх років [34, 36, 39-41].

236

4.9 Основні принципи побудови телекомунікаційних систем зв'язку НВЧ-діапазону

Оскільки електромагнітні хвилі НВЧ діапазону широко застосовуються в телекомунікаційних системах зв'язку, то при розгляді НВЧ техніки доцільним є стислий аналіз основних принципів побудови таких систем, які для широкого кола споживачів характеризуються терміном «бездротовий зв'язок» [42].

Можливість передавати інформацію без наявності ліній передачі, описаних у даному розділі, завжди була дуже привабливою. Як тільки технічні можливості ставали достатніми для того, щоб новий вид таких послуг набув двох необхідних складових успіху – зручності використання та низької вартості, – успіх йому був гарантований. Останній тому доказ – мобільна телефонія.

Починаючи із середини 90-х років досягла необхідної зрілості і технологія мобільних комп'ютерних мереж. З по-

явою стандарту IEEE 802.11 у 1997 році з'явилася можливість будувати мобільні мережі Ethernet, які забезпечують взаємодію користувачів незалежно від того, у якій країні вони перебувають і обладнанням якого виробника вони користуються.

Бездротові мережі часто зв'язують із радіосигналами, однак це не завжди правильно. Бездротовий зв'язок використовує широкий діапазон електромагнітного спектра, від радіохвиль низької частоти у декілька кілогерц до видимо-

го світла, частота якого становить приблизно 8×1014 Гц (див. рис. В1 і табл. 4.1).

Умовно бездротові системи передавання інформації поділяються на чотири групи:

1)діапазон до 300 МГц має загальну стандартну назву

–радіодіапазон (див. рис. В1). Союз ITU розділив його на декілька піддіапазонів, починаючи від наднизьких частот

(Extremely Low Frequency, ELF) і закінчуючи надвисокими

237

(Extra High Frequency, EHF, див. табл. 4.1). Звичні для нас радіостанції працюють у діапазоні від 20 кГц до 300 МГц, і для цих діапазонів існує хоча і не чітка, однак часто використовувана назва широкомовне радіо. Сюди потрапляють низькошвидкісні системи AM- і FМ-діапазонів, призначені для передавання даних зі швидкостями від декількох десятків до сотень кілобіт за секунду. Прикладом можуть бути радіомодеми, які з'єднують два сегменти локальної мережі на швидкостях 2400, 9600 або 19200 Кбіт/с;

2)кілька діапазонів від 300 МГц до 3000 ГГц (див. табл. 4.1) мають також нестандартну назву мікрохвильових діапазонів. Мікрохвильові системи становлять найбільш широкий клас систем, який поєднує радіорелейні лінії зв'язку, супутникові канали, бездротові локальні мережі та системи фіксованого бездротового доступу, названі також системами бездротових абонентських закінчень (Wireless Local Loop, WLL);

3)вище мікрохвильових діапазонів розміщується інфрачервоний діапазон. Мікрохвильовий та інфрачервоний діапазони також широко використовують для бездротової передавання інформації. Оскільки інфрачервоне випромінювання не може проникати через стіни, то системи інфрачервоних хвиль використовують для утворення невеликих сегментів локальних мереж у межах одного приміщення;

4)останніми роками видиме світло також стало застосовуватися для передавання інформації (за допомогою лазерів). Системи видимого світла використовуються як високошвидкісна альтернатива мікрохвильовим двоточковим каналам організації доступу на невеликих відстанях.

Бездротова лінія зв'язку будується відповідно до досить простої схеми (рис. 4.38).

238

Рисунок 4.38 – Спрощена схема бездротової лінії зв'язку

Кожний вузол лінії зв'язку оснащується антеною, яка одночасно є передавачем і приймачем електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі пошируються в атмосфері

або вакуумі зі швидкістю 3×108 м/с у всіх напрямках або ж у межах певного сектора залежно від типу антени.

На рис. 4.38 показана параболічна антена (див. п. 4.6), яка є спрямованою. Інший тип антен – ізотропні антени, які являють собою вертикальний провідник довжиною у чверть хвилі випромінювання і є неспрямованими. Вони широко використовуються в автомобілях і портативних пристроях. Поширення випромінювання у всіх напрямках можна також забезпечити декількома спрямованими антенами.

Оскільки при неспрямованому поширенні електромагнітні хвилі заповнюють увесь простір (у межах певного радіуса, обумовленого загасанням потужності сигналу), то цей простір може бути розділювальним середовищем. По-

діл середовища передавання породжує ті ж проблеми, що і у локальних мережах, однак тут вони збільшуються тим, що простір на відміну від кабелю є загальнодоступним, а не належить одній організації. Крім того, лінія передавання строго визначає напрямок поширення сигналу у просторі, а «бездротове середовище» є неспрямоване.

Для передавання дискретної інформації за допомогою бездротової лінії зв'язку необхідно модулювати електро-

239

магнітні коливання передавача відповідно до потоку переданих бітів. Цю функцію здійснює DCE-пристрій, розміщений між антеною та DTE-пристроєм, яким може бути комп'ютер, комутатор або маршрутизатор комп'ютерної мережі.

Потреба у швидкісному передавання інформації є переважаючою, тому всі сучасні системи бездротового передавання інформації працюють у високочастотних діапазонах, починаючи із 800 МГц, незважаючи на переваги, які дають низькочастотні діапазони завдяки поширенню сигналу вздовж поверхні землі або відбиття від іоносфери.

Для успішного використання мікрохвильового діапазону необхідно також враховувати додаткові проблеми, пов'язані із поведінкою сигналів, які поширюються в режимі прямої видимості та тих, які стикаються на своєму шляху з перешкодами. На рис. 4.39 показано, що сигнал, зустрівшись із перешкодою, може поширюватися відповідно до трьох механізмів: відбиття, дифракції та розсіювання.

У результаті подібних явищ, які завжди спостерігаються при бездротовому зв'язку у місті, приймач може одержати кілька копій того самого сигналу. Такий ефект нази-

вається багатопроменевим поширенням сигналу. Оскільки час поширення сигналу вздовж різних шляхів буде в загальному випадку різним, то може також спостерігатися і

міжсимвольна інтерференція.

Викривлення через багатопроменеве поширення призводять до ослаблення сигналу, цей ефект називається ба-

гатопроменевим завмиранням. У містах багатопроменеве завмирання приводить до того, що ослаблення сигналу стає пропорційним не квадрату відстані, а його кубу або навіть четвертій степені.

240

Відбиття

Дифракція Розсіювання

Рисунок 4.39 – Можливі варіанти поширення електромагнітної хвилі в системах зв'язку

Проблема високого рівня перешкод бездротових каналів вирішується різними засобами. Важливу роль відіграють спеціальні методи кодування, які розподіляють енергію сигналу в широкому діапазоні частот. Крім того, передавачі сигналу (і приймачі, якщо це можливо) намагаються розмістити на високих вежах, щоб уникнути багаторазових відбиттів. Ще одним способом є застосування протоколів із установленням з'єднань і повторними передачами кадрів уже на канальному рівні стека протоколів. Ці протоколи дозволяють швидше корегувати помилки, тому що вони працюють із меншими значеннями тайм-аутів, ніж коригувальні протоколи транспортного рівня, такі як, TCP (Transmission Control Protocol).

Особливого значення в цьому напрямку набуває так звана «техніка розширеного спектра», яка розроблена спеціально для бездротового передавання. Вона дозволяє поліпшити перешкодостійкість коду для сигналів малої потужності, що дуже важливо для мобільних застосувань. Однак необхідно зазначити, що техніка розширеного спектра – не єдина техніка кодування, яка застосовується для