книги / Электромагнитные волны в технике связи

Выбор размеров Ri и R2 осуществляется из условия одновол­ новой передачи

и требований к значениям Рпред		и а Пр. Максимальному значению
Рпред соответствует	значение R2/RI ^ 1,65, а		минимальному апр —
^ 2/^1 ^3,59. Обычно	выбирают	^ 2/^1=3,59,	уровень допустимой

мощности при этом остается достаточно высоким. При проектиро­ вании мощных передающих кабелей размеры выбираются в соот­ ношении /?2/#1 = 1.65.

Коаксиальный кабель в основном используется в диапазоне УКВ. При Л,< 10 см значительно возрастают потери в проводни­ ках и изоляторах и превышают потери в металлических волново­ дах. Поэтому в сантиметровом диапазоне длин волн применяют лишь короткие отрезки коаксиального кабеля.

Симметричная двухпроводная линия передачи. Основной вол­ ной двухпроводной линии передачи (рис. 2.32) является Г-волна. Структура Г-волны представлена на рис. 2.33. На этой волне от­ сутствуют излучение и дисперсия. Волновое сопротивление двух­ проводной линии

7 z c 1		d
—	In — .
rc		/?

коэффициент ослабления

__	Ps____
nP	0 .0 7 ГЖ1
	1*RZCY<P-UV ‘

Основным преимуществом двухпроводной линии являются про­ стота конструкции и удобство соединения с симметричными на­ грузками. К недостаткам линии относятся: потери энергии в про­ водах и изоляторах; индукционные потери за счет того, что поле линии наводит токи в находящихся поблизости металлических

H

Несимметричная линия конструктивно проще и технологичнее,, но имеет существенный недостаток: часть поля распространяется, в воздухе (рис. 2.35, а) и вызывает нежелательные связи с дру­ гими элементами схемы. Симметричная линия практически пол­ ностью экранирована (рис. 2.35,6).

Коэффициент ослабления поля в полосковой линии со сплош­ ным диэлектриком определяется в основном потерями в диэлек­ трике и вычисляется по формуле (2.24). Поэтому обычно выби­ рают диэлектрик, у которого tgô«10-3 10-4. Толщина провод­ ников t должна быть больше (3... 5)Д°

Для обеспечения одноволнового режима узкий проводник стро­ го центрируют, а размеры выбирают из условий D<Xl2, 6<Л/2;. /•<£). Полосковая линия является открытой, поэтому она обладает антенным эффектом, который может быть снижен, если а=(2,5...

...3)6. Потери на излучение уменьшаются также, если в качествеподложки использовать диэлектрик с е>10, поскольку в этом слу­ чае поле концентрируется в диэлектрике. Для устранения взаим­ ных помех между двумя полосковыми линиями их достаточно раз­ нести на расстояние порядка 3D.

Волновое сопротивление полосковой линии определяется с по­ мощью приближенных соотношений: для симметричной линии

	у *	\b!2D+tl2D )
для несимметричной линии
ZB=		[In (SD/1b) 4- b2/(32D2)] (при Ь/D < 2),
ZB=	-y= - {6/4D+(l/2*)ln [17,08 (6/2D+0.92)]}-1 (при b/D>2).

Коэффициент ослабления anp^R^J2ZB(b + t),

предельная мощность

Dnpea~ E l pJ D /4 & 2ZB.KÇB.

Если несимметричная полосковая линия не экранирована (рис- 2.34, б), то вводят дополнительный коэффициент ослабления

36,8 [ izD \2

zT~ 1“ ) '

характеризующий потери на излучение.

Полосковые линии широко применяются в диапазоне санти­ метровых и миллиметровых длин волн. Так как эти линии рабо­ тают с Г-волной, то они более широкополосны, чем металлические-

63

ш ш

Рис. 2.37

программ на расстояния порядка 50... 100 км при необходимости ответвления от магистральных кабельных или радиорелейных ли­ ний связи. При этом линия подвешивается на столбах проводной связи с помощью изоляторов. Наиболее целесообразно ее исполь­ зовать на дециметровых волнах. Возможность быстрой проклад­ ки такой линии делает перспективным ее применение в различных подвижных системах передачи.

Диэлектрический волновод круглого сечения. Такой волновод изображен в цилиндрической системе координат г, ф, z на рис. 2.38. Принцип действия волновода основан на полном отражении вол­ ны от границы «диэлектрик—воздух». Диэлектрическая проницае­ мость диэлектрика еь воздуха — 62. Перенос энергии вдоль от­ ражающей границы осуществляется двумя волнами: направляе­ мой, распространяющейся внутри диэлектрического стержня, и по­ верхностной, распространяющейся в воздухе. Как в круглом ме­ таллическом волноводе, так и в диэлектрическом могут сущест­ вовать ВОЛНЫ Етп и Нтп. Однако различие граничных условий на поверхности диэлектрического и стенках металлического волново­ дов приводит к тому, что в диэлектрическом волноводе только волны с симметричной структурой поля (Е0„ и Ноп) могут сущест­ вовать раздельно. Несимметричные волны Етп и Нтп (т>1) об-

Рис. 2.41 Рис. 2.42

чески изолировать отдельные волокна в пучке от соседних воло­ кон, так как поверхностная волна в оболочке практически не до­ стигает границы с воздухом.

В волоконном световоде раздельно могут существовать вол* ны (моды) Е0п, Н0Пу обладающие осесимметричной структурой по­

ля. Несимметричные	моды (т> 1)	являются гибридными: НЕтп
И ЕНщп.
Критическая длина волны определяется по формуле
Кр = 2ua V n \ - n î h mn,		(2.28)
где Vmn— корни функций Бесселя,		значения которых для разных
типов волн приведены в табл. 2.2.
Анализ формулы	(2.28) и значений утп позволяет утверждать,
что основной волной	волоконного	световода является НЕп, так-

как она имеет Якр = °° и, следовательно, может распространяться при любых частотах и радиусах сердечника подобно Г-волне в коаксиальной линии.

Избежать существования симметричных волн Е0п и #ол легко, если Я>!А2р Ближайшей среди гибридных волн является НЕ2,.

Поскольку V2i>-voi, условие одноволновой передачи определяется неравенством

A>2ira V n \ — n\ /2,405 =	2,61a	(2.29)
Из соотношения (2.29)	следует, что радиус	сердцевины зави­

сит от tii/n2. Чем ближе к единице njn2, тем при большем радиу-

				Таблица 2.2
			п
Тип волны	т	1	2	3
Е , Н	0	2,405	5,520	8,654
Н Е	1	0	3,832	7,016
Е Н	1	3,832	7,016	10,173
Н Е	2	2,455	5,538	8,665
Е Н	2	5,136	8,417	11,620

Рис. 2.43

се сердцевины сохраняется одноволновая передача. Трудности из­ готовления оптического волокна возрастают с уменьшением рариуса сердцевины. Поэтому обычно волокна выполняют из мате­ риалов с относительной разностью (п[—п2)/п{ порядка 10-2 1(Н.

Световод, в котором обеспечен одноволновыи режим, называ­ ется одномодовым.

Типы волоконных световодов. В настоящее время широкое применение получили несколько типов волоконных световодов.

Одномодовый световод (рис. 2.43, а) обладает минимальной дисперсией и, следовательно, максимальной шириной полосы про­ пускания. Но так как оптические волокна являются очень деше­ вой передающей средой, они представляют интерес и с точки зре­ ния работы в более узкой полосе частот. Это приводит к приме­ нению многомодовых световодов. На рис. 2.43, б показан много­ модовый световод со ступенчатым профилем показателя прелом­ ления. По такому световоду может распространяться большое число мод. На рис. 2.43, б изображены траектории двух мод (лу­ чи 1 и 2). Различие в групповых скоростях отдельных мод (меж­ модовая дисперсия) приводит к искажениям сигнала и уменьше­ нию полосы пропускания световода. Тем не менее многомодовый световод имеет ряд преимуществ перед одномодовым. Если диа­ метр сердцевины одномодовых световодов порядка 2...8 мкм, что существенно усложняет технологию изготовления, то многомодо­ вые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления

имеют диаметр сердцевины порядка 50 мкм. Большой диаметр сердцевины удешевляет изготовление световода, позволяет рабо­ тать с некогерентными оптическими источниками и предъявляет менее жесткие требования к устройствам соединения световодов.

Малой межмодовой дисперсией обладает градиентный свето­ вод, характеризующийся плавным изменением показателя пре­ ломления п от центра к периферии волокна (рис. 2.43, в). Гра­ диентный световод также является многомодовым, но плавный профиль показателя преломления минимизирует разность группо­ вых скоростей различных мод. Это объясняется тем, что световые лучи следуют по искривленным траекториям (лучи 1 и 2 на рис. 2.43, в) . Луч 2, распространяющийся близко к оси световода, про­ ходит меньший путь, чем луч 1, и должен иметь большую ско­ рость. Но он распространяется в области с большим показателем преломления (более плотная среда), что компенсирует разность скоростей. Градиентные многомодовые световоды более широко­ полосны, чем многомодовые со ступенчатым профилем п, но тех­ нология их изготовления сложнее и дороже.

Практическая конструкция волоконного световода представле­ на на рис. 2.44.

Сердцевина (/) и оболочка (2) изготавливаются из высоко­ чистых стекол во избежание потерь из-за примесного поглощения. Толщина оболочки примерно в 10 раз должна превышать радиус

сердцевины. Наружный слой	(5) может быть менее чистым и
иметь тот же показатель преломления, что и оболочка.			Его на­
значение— увеличить диаметр	световода для	удобства работы с
ним.	со ступенчатым	профилем	показа­
Многомодовые световоды

теля преломления могут иметь более простую конструкцию: световод с пластиковой оболочкой, не требующий наружного

•слоя; полимерный световод, который не требует особых мер предо­

сторожности при работе с ним и поэтому не имеет наружного •слоя и защитного покрытия (4).

Такие световоды узкополосны, но весьма экономичны. Волоконные световоды, пучки которых конструктивно выпол­

няются в виде кабеля, применяются в качестве линий дальней связи.