556_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_2014_

Анализ СБР [1 – 3] при известном показателе преломления сердечника позволяет определить натяжение на различных участках световода.

Из рисунков 4 – 6 видно, как БОИР обнаружил изменение натяжения на «проблемном участке». Натяжение изменилось примерно на 0,05 % при растягивающей силе в 2 Н и на 0,12 % при растягивающей силе в 4 Н.

При дальнейшем увеличении нагрузки до 5 Н было обнаружено достижение критического значения натяжения 0,2 %.

После снятия нагрузки натяжение ОВ возвращалось в исходное состояние. Таким образом, анализ СБР позволяет эффективно обнаруживать

изменение натяжения (модуля Юнга ) ОВ.

Литература:

1.Богачков И. В., Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи: монография / И. В. Богачков, Н. И. Горлов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. – 192 с. – 500 экз.

2.Применение численных методов анализа бриллюэновского рассеяния для оценки распределенных нерегулярностей в ВОЛС / И. В. Богачков, С. В. Овчинников, Н. И. Горлов, Н. Ю. Ситнов // Телекоммуникации. №2, 2014. – М.: Наука и технологии, 2014 (ISSN: 1684-2588).

3.Applying of Brillouin Scattering Spectrum Analysis for Detection of Distributed Irregularities in Optic Fibers and Estimation of Irregularities Parameters / I. V. Bogachkov, S. V. Ovchinnikov , V. A. Maistrenko // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2013. Proceedings. – Krasnoyarsk: Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, Sept. 12−13, 2013.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Богачков И. В.1, Горлов Н. И.2, Строкан В. Н.1 1 ОмГТУ, Омск, 2 СибГУТИ, Новосибирск

Для оценки надежности и долговечности ВОЛС необходимо иметь достоверную информации о натяжении оптического волокна (ОВ) в оптическом кабеле (ОК). Одним из эффективных методов определения степени натяжения ОВ является метод бриллюэновской рефлектометрии [1 – 3], в основе которого лежит регистрация и последующий анализ спектра вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (СБР) в ОВ. Зондируя ОВ короткими импульсами и сканируя несущую частоту этих импульсов, можно найти распределение вдоль ОВ спектра бриллюэновского рассеяния и, соответственно, частоты максимального сигнала в этом спектре. Измерив распределение величины бриллюэновского сдвига частоты вдоль ОВ, можно понять картину распределения механических напряжений в нем. [1].

151

С целью уточнения моделей, рассмотренных в [1 – 3], были проведены экспериментальные исследования с БОИР «Ando AQ 8603» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура».

При экспериментальных исследованиях две катушки ОВ были соединены сваркой, а место в области сварного соединения (2 м – по 1 метру каждого ОВ) помещалось в камеру нагрева.

Рисунок 1 - Картина СБР в ОВ при температуре 25 С

На рисунке 1 представлена 3D-рефлектограмма, на которой показано распределение СБР по длине световода при комнатной температуре (25 С).

В данном случае световод составлен из ОВ нормализующей катушки (1) (длина 1,72 км), сваренного с ОВ (3) (длина 3 км). Место сварки и профиль СБР в нем обозначены стрелкой 2, а максимум СБР – стрелкой 4. Оба ОВ являются одномодовыми.

При нагреве участка в области сварного соединения наблюдалось изменение СБР и изменение натяжения ОВ. На рисунке 2 приведена картина СБР при температуре 120 С, а на рисунке 3 – картина СБР при 120 С, развернутая в области нагрева (сварки) с максимальным пространственным разрешением (50 см).

На рисунках 4 и 5 приведены зависимости по длине световода натяжения (Strain), СБР, ширины СБР (B.S.W) и потерь (Loss) в области места нагрева.

Из графиков видны изменения рефлектограмм. На рисунке 6 выделена характеристика натяжения (модуля Юнга) для нагретого участка до 120 С.

152

2

ОВ1

Рисунок 2 - Картина СБР в световоде при температуре 120 С

2

ОВ1

Рисунок 3 - Картина СБР в области места нагрева (сварки) ОВ при температуре 120 С

153

Рисунок 4 - Итоговая мульти-рефлектограмма световода при 25 С

Рисунок 5 - Итоговая мульти-рефлектограмма световода при 120 С

154

Рисунок 6 - Картина изменения натяжения в месте нагрева до 120 С

Анализ рисунков 4 – 6 показывает, что при изменении температуры натяжение изменилось на 0,14 %, и приблизилось к опасному участку.

При дальнейшем увеличении температуры до 150 С натяжение превысило критический уровень в 0,2 %.

Аналогичные исследования при охлаждении ОВ до –20 С привели к сжатию ОВ (отрицательному натяжению) на 0,05 %.

После возвращения температуры к 25 С характеристики ОВ в обоих случаях восстановились в исходное состояние.

Таким образом, БОИР успешно обнаружил проблемный участок и позволил обнаружить изменение модуля Юнга и температуры в ОВ. Данный эффект можно использовать для построения распределенных датчиков температуры на основе ОВ с эластичной защитной оболочкой.

Литература:

1.Богачков И. В., Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи: монография / И. В. Богачков, Н. И. Горлов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. – 192 с. – 500 экз.

2.Применение численных методов анализа бриллюэновского рассеяния для оценки распределенных нерегулярностей в ВОЛС / И. В. Богачков, С. В. Овчинников, Н. И. Горлов, Н. Ю. Ситнов // Телекоммуникации. №2, 2014. – М.: Наука и технологии, 2014 (ISSN: 1684-2588).

3.Applying of Brillouin Scattering Spectrum Analysis for Detection of Distributed Irregularities in Optic Fibers and Estimation of Irregularities Parameters / I. V. Bogachkov, S. V. Ovchinnikov , V. A. Maistrenko // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2013. Proceedings. – Krasnoyarsk: Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, Sept. 12−13, 2013.

155

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАМАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ АНТЕНН

Богачков И. В., Кузьменко А. А., Шашерина К. П. ОмГТУ, Омск

e-mail: bogachkov@mail.ru

Микрополосковые антенны (МПА) способны излучать ЭМВ различной поляризации, что позволяет применять МПА в миниатюрных устройствах.

МПА представляет собой металлические структуры определенной геометрической формы, расположенных над слоем диэлектрика с металлическим экраном [1].

Особый интерес представляет использование в конструкции МПА метаматериалов (искусственно сформированных структурированных сред, обладающих особыми электромагнитными (ЭМ) свойствами (ε, µ < 1) [2].

Метаматериалы в качестве подложек для печатных миниатюризированных антенн позволяют снижать размеры традиционных излучателей, увеличивать их полосы пропускания и эффективность излучения.

Структура метаматериала, формирующего подложку, может быть однородной либо композитной, образованной из нескольких типов сред.

Привлекателен композитный материал, в котором сочетаются ячейки из обычного материала (ε и µ > 0) c DNG-материалами. В низкочастотном диапазоне этих материалов возможен отрицательный коэффициент преломления, а при превышении некоторой граничной частоты – положительный. Подбором размеров сегментов удается регулировать резонансную частоту МПА, а также сделать ее двухдиапазонной [1 – 3].

Рисунок 1 - МПА

На рисунке 1 показана МПА, у которой подложка (2) выполнена на основе метаматериала, которая непосредственно примыкает к экранной плоскости (3), а проводящая пластина (1) имеет трапециевидную форму и трапециевидный переход для соединения с питающей коаксиальной линией, которая подсоединяется в точке (4).

156

Подложка имеет линейно-решётчатую структуру, которая представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структура метаматериала

Диаграмма направленности МПА (рисунок 3) имеет секторный характер. В результате для приведенной конструкции при толщине подложки 4 мм была получена МПА с рабочей полосой частот от 1 до 3 ГГц.

Рисунок 3 - Диаграмма направленности МПА

На рисунке 4 изображены соответсвующие харатеристики согласования МПА (коэффициент отражения S11 в дБ).

Рисунок 4 - Частотная зависимость коэффициента отражения S11

157

Таким образом, в результате изменения структуры подложки и формы проводящей пластины была получена многодиапазонная МПА, имеющая упрощенную и компактную структуру.

Основной задачей совершенствования метаструктур является синтез таких сред, которые бы обладали минимальными потерями и слабо выраженными дисперсионными свойствами.

Особый интерес представляет применение фрактальных структур. На рисунке 5 показана МПА на основе «квадрата Серпинского».

Рисунок 5 - МПА на основе фрактальной структуры

Применение подобных «самоподобных структур» позволяет получить стабильные характеристики в широкой полосе частот.

Литература:

1.Богачков И. В. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства: учеб. пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 112 с.

2.Проектирование миниатюрных антенн с использованием метаматериалов / И.

В. Богачков, Е. П. Шашерина, И. А. Яковлева // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2013. Proceedings. – Krasnoyarsk: Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, Sept. 12−13, 2013.

3.Проектирование микрополосковых антенн с использованием метаматериалов

/ И. В. Богачков, Е. П. Шашерина, И. А. Яковлева // Россия молодая: передовые технологии в промышленность!: Мат. V Всерос. молодежн. науч.- техн. конф. с междунар. участием. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. – Кн. 1. – С. 184 – 188.

158

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТАМАТЕРИАЛОВ

Богачков И.В., Шашерина К.П., Кузьменко А.А. ОмГТУ, Омск

e-mail: bogachkov@mail.ru

Одним из перспективных видов излучателей являются микрополосковые антенны (МПА). Они способны излучать ЭМВ различной поляризации, и при этом относительно недороги. Эта особенность позволяет применять МПА в миниатюрных устройствах. МПА представляет собой металлические структуры определенной геометрической формы, расположенных над слоем диэлектрика с металлическим экраном.

Особый интерес представляет использование в конструкции МПА метаматериалов (искусственно сформированных структурированных сред, обладающих особыми электромагнитными (ЭМ) свойствами (ε, µ < 1).

В рамках данного исследования было произведено моделирование МПА в

Microwave CST studio.

Антенны малых волновых размеров (например, элементарный электрический диполь) могут иметь диаграмму направленности (ДН) почти такую же, как у антенн, имеющих электрическую длину (l/λ) порядка 0,5, но будут иметь низкий КПД из-за малого сопротивления излучения по сравнению с потерями в проводах антенны, а также большое, по сравнению с активным, реактивное сопротивление, которое неограниченно возрастает при l/λ→0. Это свойство ограничивает возможность уменьшения размеров антенн [1].

Уменьшение величины реактивной составляющей ЭМ поля (ЭМП) – решение проблемы миниатюризации антенн [1]. Эта проблема сравнительно просто решается для антенн низких частот – компенсация реактивного сопротивления антенны с помощью реактивных элементов цепи. Значительно сложнее уменьшить размеры антенн сантиметровых и более коротких волн. О том, что существующие конструкции антенн далеки от этого предела, свидетельствует тот факт, что электрон излучает весь спектр ЭМВ, а его размер имеет порядок 10-13 см [1].

Метаматериалы в качестве подложек для печатных миниатюризированных антенн позволяют снижать размеры традиционных излучателей, увеличивать их полосы пропускания и эффективность излучения.

Структура метаматериала, формирующего подложку, может быть однородной либо композитной, образованной из нескольких типов сред.

Привлекателен композитный материал, в котором сочетаются ячейки из обычного материала (ε и µ > 0) c DNG-материалами.

Поскольку у материалов первого типа векторы напряженности электрического и магнитного полей образуют с волновым вектором правостороннюю систему координат, а в DNG-материалах – левостороннюю, такие композитные материалы называют праволевосторонними. В

159

низкочастотном диапазоне у них возможен отрицательный коэффициент преломления, а при превышении некоторой граничной частоты – положительный. Подбором размеров право- и левосторонних сегментов удается регулировать резонансную частоту МПА, а также сделать ее двухдиапазонной [2 – 4].

Было проведено моделирование антенн с различными излучателями. На рисунке 1 и рисунке 2 изображены модели МПА, отличающиеся размерами излучателя.

На рисунке 3 и рисунке 4 изображены соответсвующие харатеристики согласования МПА.

Из этих рисунков следует, что при увеличении размеров излучателя можно получить двухдиапазонную МПА, но при этом уменьшается коэффициент усиления, что следует из рис. 5 и рис. 6 [3, 4].

160