Задача 4
Определить параметры передачи: числовую апертуру, критическую частоту и длину волны, волновое сопротивление, нормированную частоту, количество мод, затухание (собственное), дисперсию, фазовую скорость для волоконного световода с параметрами, приведёнными в таблице 4.
Таблица 4.
Диаметр сечения, мкм |
Вид моды |
Длина волны , мкм |
Длина кабеля l, км |
Показатель преломления сердцевины n1 |
Показатель преломления оболочки n2 |
Кр, дБ/км (мкм)4 |
tg 10-4 |
Тип волоконного светодиода |
54 |
Е01 |
1,53 |
17 |
1,5 |
1,47 |
1,1 |
1 |
Градиентный |
Решение.
Режим работы световода характеризуется обобщённым параметром V, который называется нормированной (характеристической) частотой ([1], 5.92)
V = = = = 33,07.
Числовая апертура определяется выражением ([1], 5.88)
NA = = = 0,298.
Для градиентного профиля число передаваемых мод, согласно ([1], 5.95), равно
N = = = 546,8
Критическая частота равна
f0 =
где Рmn – корень бесселевой функции, характеризующий тип волны. Для волны Е01 Рmn=2,405. Тогда
f0 = = = 1,43 107
Критическая длина волны равна
λ0 = = = 20,98 (мкм)
Коэффициент затухания световодных трактов оптических кабелей α обусловлен собственными потерями в волоконных световодах αс и дополнительными потерями, так называемыми кабельными αк, вызванными скруткой, а также деформацией и изгибами
α = αс + αк
Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения энергии в диэлектрике αп и потерь рассеяния её на мельчайших частицах световодной структуры αр
αс = αп + αр
Найдём потери энергии на поглощение (формула [1], 5.96)
αп = 8,69 · tgδ = 8,69 · 1 10-4 = 2,68 106
В таком световоде сигнал будет поглощаться практически полностью. У реальных световодов тангенс угла диэлектрических потерь имеет гораздо более меньшее значение. Примем tgδ = 1·10-11. Тогда
αп = 8,69 · · tgδ = 8,69 · · 1·10-11 = 0,268
Потери на рассеяние, называемое рэлеевским, определяются по формуле [1], 5.97
αр = = = 0,200
Суммарное затухание в световоде равно
α = αп + αр = 0,268 + 0,200 = 0,468
Дисперсия τ – это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, приводящее к уширению импульса на приёме. Результирующе значение уширения импульсов за счёт модовой (τмод), материальной (τмат) и волноводной (τвв) дисперсий определяется формулой
τ = .
С учётом реального соотношения вкладов отдельных видов дисперсий имеем для многомодовых волокон τ = τмод , а для одномодовых τ = τмат + τвв.
Так как наш световод является многомодовым, то применим формулу [1], 5.98
τ = τмод = l = 17 103 = 1,66 · 10-8 (с) = 16,6 (нс)
Фазовая скорость изменяется в пределах
< Vф < , или 2108 < Vф < 2,04108 .
Волновое сопротивление находится в пределах
< Vф < , или 251,3 (Ом) < Vф < 256,5 (Ом).
где Z0 = 377,0(Ом) – волновое сопротивление свободного пространства.
Задача № 5
Определить параметры передачи: волновое сопротивление, коэффициент затухания, скорость распространения для несимметричной микрополосковой линии передачи с учетом дисперсии и без учета дисперсии. Полосковые проводники изготовлены из меди. Исходные данные представлены в табл. 5.
Таблица 5
Параметры и характеристики микрополосковой линии
Ширина полоскового проводника w, мм |
Толщина подложки h, мм |
tg |
Материал подложки |
εr |
Частота f, ГГц |
0,25 |
1,4 |
4 10-4 |
Поликор |
9,6 |
0,5 |
Решение:
Для выбора расчетных формул, обеспечивающих минимальные погрешности вычислений, определим отношение ширины проводника к толщине подложки:
= = 0,179
Произведем расчет параметров передачи без учета дисперсии.
1. Волновое сопротивлении линии при < 1 определяется выражением [4] 2.69 с погрешностью не более 1%:
Zв = ·
Zв = · = 94,08 Ом.
2. Для определения фазовой скорости волны найдем значение εэф0 по формуле [4] 2.73:
εэф0 = = = 1,272
3. Фазовая скорость волны без учета дисперсии определяется выражением:
Vф = = = 2,66 108
4. Общие потери микрополосковой линии определяется выражением [4] 2.38:
Потери в диэлектрике определяются приближенным выражением [4] 2.77:
αд = 91· · f · tg = 91· · 0,5 · 4 10-4 = 0,056
Потери в металле при 0,16 < < 2 определяются приближенным выражением [4] 2.79:
αм =
Определим вспомогательные величины, входящие в выражение для αд:
Для меди по табл. [4] 1.6: q = 1
r = = = 7,516 10-3
Толщину полоски принимаем равной t = 0,03 10-3 м.
s = 1– = 1– = 0,998
p = 1+ = 1+ = 6,6
l1 = p+ = p+ = 14,648
Потери в металле составляют:
αм = = = 0,89
Полный коэффициент затухания равен:
= 0,056 + 0,89 = 0,946
Определим параметры передачи с учетом дисперсии. Для этого найдем значения вспомогательных величин в соответствии с [4] 2.74:
fω = 3,5 + = 3,5 + = 30,728 ГГц
εэф = · εr = · 9,6 = 1,27
Определим волновое сопротивление линии. Для этого найдем значение вспомогательной величины в соответствии с [4] 2.61:
Zв = 60 · = 60 · = 228,192 Ом
Волновое сопротивление линии равно:
Zв = = = 202,488 Ом
Фазовая скорость волны с учетом дисперсии:
Vф = = = 2,66 108
Определим потери в микрополосковой линии. Для этого определим вспомогательные величины:
А = = = 7,55
tgэф = = = 4,349 10-3
Затухание в диэлектрике в соответствии с выражением [4] 2.77:
αд = 91· · f · tgэф = 91· · 0,5 · 4,349 10-3 = 0,223
Потери в металле определяются выражением [4] 2.79:
αм =
где r = = = 2,954 10-3
Остальные вспомогательные параметры определены выше.
Затухание в металле равно:
αм = = = 0,352
Полный коэффициент затухания равен:
= 0,223 + 0,352 = 0,575