Воробьев Теория электромагн поля и СВЧ (Кривець)

251

конструктивно реализованы по схемам с реактивноотражающим и проходным резонаторами [34].

Разнообразие устройств релятивистской электроники [35, 36] обусловило необходимость разработки специальных открытых резонансных и волноведущих электродинамических систем, обладающих повышенной электрической прочностью и эффективной селекцией типов колебаний. К таким резонансным системам относится, например, кольцевой резонатор, представляющий собой совокупность зеркал, расположенных таким образом, чтобы луч, испытав отражения от резонаторных зеркал, замыкался сам на себя (режим бегущих волн). В МСМ диапазоне перспективным является использование также брэгговских резонаторов. Конструктивно они состоят из резонаторов Фабри-Перо, зеркала которых образуют зубчатые либо волнистые зеркальные поверхности. Отличаясь многофункциональностью, брэгговский резонатор является многочастотной системой. Кроме того, для волны накачки, распространяющейся вдоль оси резонатора, система зеркал является высокоселективной замедляющей структурой. Из волноведущих систем в основном применяются нерегулярные или слабо нерегулярные волноводы. К их разновидностям можно отнести сверхразмерные волноводы различных форм и сечений, волноводы с периодическими неоднородностями, такими как проводящие спиралевидные, типа гребёнка, штыревые, брэгговские и диафрагмированные, различные разновидности диэлектрических волноводов.

Квазиоптические системы с периодическими металлодиэлектрическими структурами (МДС).

Многосвязные системы, выполненные в виде ОР и ОВ, в объёме которых расположена МДС, позволяют

252

реализовать различные режимы трансформации энергии поверхностных волн в объёме [30].

Простейшая электродинамическая система с МДС схематически представлена на рис. 4.37 а. Она образована металлическим зеркалом и диэлектрическим слоем с проницаемостью ε , на боковой поверхности которого нанесена ленточная дифракционная решётка. Вдоль решётки расположен распределённый источник излучения, который в зависимости от параметров системы может возбуждать различные пространственные гармоники излучения с номерами n =0, ±1, ±2, … и плотностью энергии Sn . В частности, на рис. 4.37 а показан вариант

возбуждения черенковской ( S0ε ) и минус первой дифракционной ( S−1ε ) гармоник излучения в диэлектрик, а

также минус первой дифракционной гармоники излучения ( S−1ν ) в вакуум, которая может отражаться от

металлического экрана и поступать в металлодиэлектрический канал.

Для такой системы разработаны численные и экспериментальные методы моделирования различных режимов дифракционного и черенковского излучений, позволяющие определить количественные соотношения плотности энергии пространственных гармоник и оптимизировать параметры электродинамической системы в соответствии с поставленной задачей. При этом углы гармоник ДИ определяются следующим соотношением

[30]:

γnε = arccosηk +εn ,

где η = k / β0 ;

k– волновое число;

β0 – относительная скорость электронов.

				253
				4
				1
				5
	S-1ν	z	3
1		0	y	3
				2
2	S-1ε		S0ε
	5			1
		а		б

Рисунок 4.37 – Примеры выполнения квазиоптических систем с МДС: а – металлодиэлектрический канал; б – открытый резонатор с МДС (1 – отражательные зеркала; 2

– ленточная дифракционная решётка; 3 – источник когерентной волны (ЭП или ДВ); 4 – вывод энергии; 5 – диэлектрический слой)

Естественным переходом от простейших систем (см. рис. 4.37 а) к более сложным является открытый резонатор с МДС (см. рис. 4.37 б), который образован, например, сферическим зеркалом с выводом энергии и плоским зеркалом с отражательной дифракционной решёткой. Между зеркалами ОР расположена МДС, выполненная в виде диэлектрического резонатора. Такая электродинамическая система является базовой при создании дифракционно-черенковских генераторов. На рис. 4.37 б приведены возможные режимы возбуждения объёмных волн распределённым источником излучения, расположенным вдоль границ диэлектрической призмы с ленточной ДР и отражательной ДР. Установлено, что

254

введение в открытый резонатор МДС приводит к качественно новым электродинамическим свойствам такой системы: при изменении параметров МДС возможна реализация режимов затухания энергии в ОР, увеличения амплитуды колебаний и их добротности, селекции колебаний. Обнаруженные свойства такой системы объясняются в рамках физической модели дифракционночеренковского излучения для МДС конечной толщины [37]. Такие системы могут быть использованы при реализации конкретных приборов электроники, например, дифракционно-черенковского генератора и черенковской ЛОВ [38].

Более подробную информацию по материалам данного подраздела можно получить из монографий [28-32, 35] и обзорных статей последних лет [34, 36, 39-41].

4.9 Основные принципы построения телекоммуникационных систем связи СВЧ-диапазона

Поскольку электромагнитные волны СВЧ-диапазона широко применяются в телекоммуникационных системах связи, то при рассмотрении СВЧ-техники целесообразным является краткий анализ основных принципов построения таких систем, которые для широкого круга потребителей характеризуются термином «беспроводная связь» [42].

Возможность передавать информацию без наличия линий передачи, описанных в данной главе, всегда была очень привлекательной. И как только технические возможности становились достаточными для того, чтобы новый вид таких услуг приобрёл две необходимые составляющие успеха - удобство использования и низкую стоимость, - успех ему был гарантирован. Последнее тому доказательство – мобильная телефония.

Начиная со средины 90-х годов достигла необходимой зрелости и технология мобильных компьютерных сетей. С

255

появлением стандарта IEEE 802.11 в 1997 году появилась возможность строить мобильные сети Ethernet, обеспечивающие взаимодействие пользователей независимо от того, в какой стране они находятся и оборудованием какого производителя они пользуются.

Беспроводные сети часто связывают с радиосигналами, однако это не всегда верно. Беспроводная связь использует широкий диапазон электромагнитного спектра, от радиоволн низкой частоты в несколько килогерц до видимого света, частота которого составляет примерно

8×1014 Гц (см. рис. В1 и табл. 4.1).

Условно беспроводные системы передачи информации делятся на четыре группы:

1)диапазон до 300 МГц имеет общее стандартное название – радиодиапазон (см. рис. В1). Союз ITU разделил его на несколько поддиапазонов, начиная от сверхнизких частот (Extremely Low Frequency, ELF) и

заканчивая сверхвысокими (Extra High Frequency, EHF, см. табл.4.1). Привычные для нас радиостанции работают в диапазоне от 20 кГц до 300 МГц, и для этих диапазонов существует хотя и не определённое в стандартах, однако часто используемое название широковещательное радио. Сюда попадают низкоскоростные системы AM- и FMдиапазонов, предназначенные для передачи данных со скоростями от нескольких десятков до сотен килобит в секунду. Примером могут служить радиомодемы, которые соединяют два сегмента локальной сети на скоростях 2400, 9600 или 19200 Кбит/с;

2)несколько диапазонов от 300 МГц до 3000 ГГц (см. табл. 4.1) имеют также нестандартное название микроволновых диапазонов. Микроволновые системы представляют наиболее широкий класс систем, объединяющий радиорелейные линии связи, спутниковые каналы, беспроводные локальные сети и системы

256

фиксированного беспроводного доступа, называемые также системами беспроводных абонентских окончаний

(Wireless Local Loop, WLL);

3)выше микроволновых диапазонов располагается инфракрасный диапазон. Микроволновые и инфракрасный диапазоны также широко используются для беспроводной передачи информации. Так как инфракрасное излучение не может проникать через стены, то системы инфракрасных волн используются для образования небольших сегментов локальных сетей в пределах одного помещения;

4)в последние годы видимый свет тоже стал применяться для передачи информации (с помощью лазеров). Системы видимого света используются как высокоскоростная альтернатива микроволновым двухточечным каналам для организации доступа на небольших расстояниях.

Беспроводная линия связи строится в соответствии с достаточно простой схемой (рис. 4.38).

Рисунок 4.38 – Упрощенная схема беспроводной линии связи

Каждый узел линии связи оснащается антенной, которая одновременно является передатчиком и приёмником электромагнитных волн. Электромагнитные волны распространяются в атмосфере или вакууме со скоростью 3×108 м/с во всех направлениях или же в

257

пределах определенного сектора, в зависимости от типа антенны (см. п.4.6).

На рис. 4.38 показана параболическая антенна, которая является направленной. Другой тип антенн - изотропные антенны, представляющие собой вертикальный проводник длиной в четверть волны излучения, являются ненаправленными. Они широко используются в автомобилях и портативных устройствах. Распространение излучения во всех направлениях можно также обеспечить несколькими направленными антеннами.

Так как при ненаправленном распространении электромагнитные волны заполняют всё пространство (в пределах определенного радиуса, определяемого затуханием мощности сигнала), то это пространство может служить разделяемой средой. Разделение среды передачи порождает те же проблемы, что и в локальных сетях, однако здесь они усугубляются тем, что пространство в отличие от кабеля является общедоступным, а не принадлежит одной организации.

Кроме того, линия передачи строго определяет направление распространения сигнала в пространстве, а «беспроводная среда» является ненаправленной.

Для передачи дискретной информации с помощью беспроводной линии связи необходимо модулировать электромагнитные колебания передатчика в соответствии с потоком передаваемых битов. Эту функцию осуществляет DCE-устройство, располагаемое между антенной и DTEустройством, которым может быть компьютер, коммутатор или маршрутизатор компьютерной сети.

Потребность в скоростной передаче информации является превалирующей, поэтому все современные системы беспроводной передачи информации работают в высокочастотных диапазонах, начиная с 800 МГц, несмотря на преимущества, которые сулят низкочастотные

258

диапазоны благодаря распространению сигнала вдоль поверхности земли или отражения от ионосферы.

Для успешного использования микроволнового диапазона необходимо также учитывать дополнительные проблемы, связанные с поведением сигналов, распространяющихся в режиме прямой видимости и встречающих на своем пути препятствия. На рис. 4.39 показано, что сигнал, встретившись с препятствием, может распространяться в соответствии с тремя механизмами: отражением, дифракцией и рассеиванием.

Отражение

Рассеивание

Дифракция

Рисунок 4.39 – Возможные варианты распространения электромагнитной волны в системах связи

В результате подобных явлений, которые повсеместно встречаются при беспроводной связи в городе, приёмник может получить несколько копий одного и того же сигнала. Такой эффект называется многолучевым распространением сигнала. Так как время распространения сигнала вдоль различных путей будет в общем случае различным, то может также наблюдаться и

межсимвольная интерференция.

259

Искажения из-за многолучевого распространения приводят к ослаблению сигнала, этот эффект называется

многолучевым замиранием. В городах многолучевое замирание приводит к тому, что ослабление сигнала становится пропорциональным не квадрату расстояния, а его кубу или даже четвёртой степени.

Проблема высокого уровня помех беспроводных каналов решается различными способами. Важную роль играют специальные методы кодирования, распределяющие энергию сигнала в широком диапазоне частот. Кроме того, передатчики сигнала (и приёмники, если это возможно) стараются разместить на высоких башнях, чтобы избежать многократных отражений. Ещё одним способом является применение протоколов с установлением соединений и повторными передачами кадров уже на канальном уровне стека протоколов. Эти протоколы позволяют быстрее корректировать ошибки, так как работают с меньшими значениями тайм-аутов, чем корректирующие протоколы транспортного уровня, такие как TCP.

Особое значение в этом направлении приобретает так называемая «техника расширенного спектра», которая разработана специально для беспроводной передачи. Она позволяет улучшить помехоустойчивость кода для сигналов малой мощности, что очень важно для мобильных применений. Однако нужно подчеркнуть, что техника расширенного спектра - не единственная техника кодирования, которая применяется для беспроводных линий связи микроволнового диапазона. Здесь также применяются частотная (FSK) и фазовая (PSK) манипуляции. Амплитудная манипуляция (ASK) не используется по той причине, что каналы микроволнового диапазона имеют широкую полосу пропускания, а усилители, которые обеспечивают одинаковый

260

коэффициент усиления для широкого диапазона частот, очень дороги.

С учётом перечисленных выше свойств электромагнитных полей и общих принципов построения беспроводных систем связи к настоящему времени применяются следующие типы каналов телекоммуникационных систем микроволнового диапазона:

-двухточечный канал;

-канал с одним источником и несколькими приёмниками;

-канал с несколькими источниками и несколькими приёмниками;

-спутниковый канал связи.

1 Двухточечный канал связи. Типичная схема проводного двухточечного канала является популярной и для беспроводной связи. По двухточечной схеме могут работать беспроводные каналы различного назначения, использующие различные диапазоны частот.

В телекоммуникационных первичных сетях такая схема уже долгое время используется для создания так называемых радиорелейных линей связи. Такую линию образуют несколько башен, на которых установлены параболические направленные антенны (рис. 4.40). Каждая такая линия работает в микроволновом диапазоне на частотах в несколько гигагерц. Направленная антенна концентрирует энергию в узком пучке, что позволяет передавать информацию на значительные расстояния, обычно до 50 км. Высокие башни обеспечивают прямую видимость антенн.

Другой пример беспроводной двухточечной линии связи показан на рис. 4.41. Здесь она используется для соединения двух компьютеров. Такая линия образует