книги из ГПНТБ / Гроднев, И. И. Линейные сооружения связи учебник

ются фторопласт, полиэтилен и другие высокомолекулярные соеди­ нения в сплошном или пористом выполнении.

Проблема обеспечения криогенных температур для сверхпро­ водящих кабельных линий большой протяженности является до­ вольно сложной. Основная задача состоит в том, чтобы термоизолировать сверхпроводящий кабель от притока тепла из окружаю­ щей среды, нейтрализовать поступающее извне тепло и обеспечить постоянство температуры глубокого охлаждения кабеля. Для по­ лучения низких температур и глубокого охлаждения кабеля при­ меняются такие хладоагенты, как азот, водород, гелий в жидком или газообразном виде.

Обычно сверхпроводящий кабель помещается в трубопроводе из нержавеющей стали, меди или алюминия с теплоизолирующим покрытием. С помощью жидкого или газообразного азота, гелия или водорода, прокачиваемого по трубе, в ней создается и поддер­ живается требуемая низкая температура. Обязательным условием обеспечения низкой температуры является надежная термоизоля­ ция трубопровода от окружающей среды. В качестве термоизоля­ ции применяются пористые материалы (пенополистирол, пенопласт и др.) или вакуумно-многослойная изоляция.

Для іпіроікачіки хладоагентов вдоль трубопровода на большие расстояния и поддержания стабильной температуры необходимо иметь вдоль трассы кабеля через каждые 10—20 км компрессор­ ные рефрижераторные станции. Известны две системы подачи хла­ доагента в криогенном трубопроводе: открытый цикл и замкнутый цикл. При открытом цикле отработанный хладоагент выпускается наружу с другого конца трубы. При замкнутом цикле отработан­ ный хладоагент возвращается по обратному каналу, расположен­ ному под общей криогенной оболочкой. В этом случае происходит

температуры на криогенных станциях. Достоинство замкнутого ци­ кла — отсутствие потери хладоагента.

Рассмотрим несколько подробней одну из характерных конст-

Рис. 3.52. Конструкция сверхпроводящего кабеля в криогенной оболочке:

—162 —

имеющих проводники: внутренний из ниобия и внешний из свин­ ца. Изоляция — из фторопласта. Криогенная система состоит из гибкой изоляционной трубы 2, двух стальных гофрированных труб — 3 и 4. Снаружи для теплоизоляции располагается изоля­ ционная оболочка из пенопласта 5. В качестве хладоагента ис­ пользуется жидкий гелий (Г = 6,8К), циркулирующий в канале 6 между кабелем и изоляционной трубой. Отработанный гелий, име­ ющий Г=13,7К, возвращается обратно іпо каналу 7, .расположен­ ному между изоляционной и стальной трубами.

Первичная термоизоляция осуществляется глубоким вакуумом, создаваемым между стальными трубами. Вакуум составляет 0,1 мм рт. ст. Вся эта трубопроводная криогенная система выпол­ нена из гибких гофрированных труб, позволяющих наматывать их на барабаны. Трубопровод предполагается изготовлять в за­ водских условиях секциями по 30—300 м с выводами по концам для подачи гелия и с герметичными концевыми заделками. На ма­ гистрали эти секции собираются в линию и с рефрижераторных станций подается гелий.

Технико-экономические исследования показывают, что в сверх­ проводящей кабельной линии основные расходы связаны с созда­ нием криогенной оболочки и рефрижераторных станций для под­ держания глубокого охлаждения кабеля. Сам кабель стоит срав­ нительно дешево.

Сравнивая обычную кабельную магистраль и сверхпроводящую систему, можно отметить, что в первом случае для компенсации затухания кабеля необходимо иметь через каждые 6—20 км элек­ тронные усилители, а во втором—затухание ничтожно мало и мо­ жно организовать связь без усилителей на большие расстояния. Однако в этом случае для поддержания низких температур и про­ качки хладоагеита по трубопроводу необходимо иметь через каж­ дые 10—20 км трассы рефрижераторные станции, стоимость кото­ рых довольно высока. Поэтому затраты на сооружения сверхпродящей магистрали значительно превышают затраты на обычную кабельную магистраль.

Одним из целесообразных путей осуществления сверхпроводя­ щей магистрали связи является размещение кабеля связи в общем криогенном трубопроводе, создаваемом в интересах передачи вы­ соковольтной энергии. Такое совмещение сверхпроводящих кабелей энергетического назначения и кабелей связи в общем криогенном трубопроводе, под общей оболочкой весьма перспективно и выгод­ но в технико-экономическом отношении.

Явление сверхпроводимости позволяет не только создать высо­ кочастотные кабели связи и высоковольтные линии передачи элек­ тромагнитной энергии, но и открывает широкие возможности эф­ фективного применения данного явления в электронике. За счет сверхпроводимости в режиме низких температур можно создать запоминающие устройства большой емкости для электронно-вычис­ лительных машин, существенно снизить тепловые шумы в элек-

тронных устройствах и создать качественно новые радиоэлектрон­ ные устройства.

Режим сверхнизких температур получил эффективное примене­ ние в технике МГД-генераторов, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Сверхнизкие температуры не­ обходимы в квантовой технике для создания оптических генера­ торов, а также в радиоэлектронике при выполнении объемных ре­ зонаторов, при создании электронных микроскопов, в электроиз­ мерительной технике и т. д.

ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ ПО ВОЛНОВОДАМ

ИСВЕТОВОДАМ

3.33.ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВОЛНОВОДАХ

ИСВЕТОВОДАХ

Впоследнее время все большее развитие получает передача ультракоротких волн метрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов как в атмосфере, так и по направляющим системам и

впервую очередь по волноводам. При этом если раньше волново­ дам отводилась лишь роль фидеров от антенн к приемо-передаю­ щим радиоустройствам, то в настоящее время на реальную осно­ ву поставлена задача создания волноводных магистралей дальней связи.

Волновод — это устройство, которое ведет волну. Другими словами, волновод — это средство сосредоточения электромагнит­ ной энергии в определенном пространстве и передачи ее в задан­ ном направлении. Конструктивно волновод представляет собой полую металлическую трубу круглого или прямоугольного сечения, изготовленную из хорошо проводящего материала (рис. 3.53).

медь). Передача электромагнитной энергии возможна также по диэлектрическим волноводам, изготовленным из пластмасс.

По волноводам электромагнитная энергия передается принци­ пиально по тем же законам, что и в атмосфере, но только в вол­

— 164 —

новодах эта передача имеет строго заданное направление и, кро­ ме того, ограничена по частоте.

По волноводу могут передаваться лишь высокочастотные ко­ лебания, длина волны которых соизмерима с его поперечными раз­ мерами, например диаметром D в круглом волноводе, т. е. f>fo,

В конструктивном отношении коаксиальный кабель отличается от волновода лишь наличием внутреннего проводника. При воз­ буждении в коаксиальном кабеле сильных токов смещения /0м, т. е. при X<.D, внутренний проводник в кабеле не нужен и энер­ гия распространяется по законам волноводной передачи.

3.34. КРИТИЧЕСКИЕ ЗНАЧЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ И ЧАСТОТЫ

Для наглядности представим реальную и, как правило, весьма сложную волну в волноводе в виде серий плоских волн и рассмот­ рим геометрию электромагнитного поля одной из составляющих волн.

На рис. 3.54 показан путь движения электромагнитных волн в волноводе. Волны распространяются зигзагообразно, образуя с поперечным сечением волновода угол Ѳ и многократно отражаясь под углом 2Ѳ от стенок волновода. Рисунок 3.54а соответствует случаю малых длин волн (Я—>-0) и весьма высоких ча­ стот ('/->-оо). Здесь Ѳ-*-90°,

отражений мало и волна стремится к прямолинейно­ му движению вдоль волно­ вода. В этом случае про­ дольная составляющая поля

Hz) стремится к нулю и

вдоль волновода передается незначительная доля энергии.

При определенной, сравнительно низкой частоте наступает та­ кой режим, когда Ѳ= 0 и волна падает на стенку и отражается

— 165 —

перпендикулярно. В волноводе устанавливается режим стоячей волны, и энергия вдоль волновода не перемещается. Частота, при которой наступает режим стоячей волны, носит название критиче­ ской частоты /о и выражает собой нижний предел частот, которые могут распространяться по данному волноводу. Таким образом, волновод действует как фильтр верхних частот, срезая частоты ни­ же критической U и пропуская частоты, лежащие выше данного предела.

Критическая частота /0 и соответствующая ей критическая дли­

f o = c / D .

Более точно для широкого класса волн это соотношение может быть записано:

К—— и f0 = —-----для прямоугольного волновода

п2а

Таким образом, критическая длина волны (при Ѳ—0) соизме­ рима с диаметром цилиндрического волновода (X0~D) и двойной шириной стенки. Цилиндрический волновод диаметром 6 см будет пропускать все короткие волны длиной меньше 6 см и задержи­ вать все более длинные волны. Для передачи волн метрового диа­ пазона потребовалась бы громоздкая труба диаметром в несколь­ ко метров, что не всегда целесообразно.

3.35. ЗАТУХАНИЕ И СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ПО ВОЛНОВОДАМ

Рассмотрим затухание волновода и проанализируем частотную характеристику этого затухания. На рис. 3.55 приведен принципи­ альный график частотной зависимости затухания волновода. Тут же для сравнения показаны кривые затухания симметричной и ко­ аксиальной кабельных цепей. Из рисунка видно, что частотная

— 166 —

зависимость симметричного и коаксиального кабелей имеет зако­ номерно растущий характер.

Частотная зависимость затухания волновода выражается слож­ ной кривой. Это объясняется следующим образом. Затухание в волноводе обусловлено, во-пер­ вых, потерями энергии в стен­ ках волновода и, во-вторых, от­ ражением волн от стенок вол­ новода. Естественно, что чем больше отражений испытывает волна, тем больше потери энер­ гии на отражение.

В зоне / при частотах ниже критической волновод, являясь фильтром высоких частот, не пропускает энергию. Здесь имеет место бесконечно большое число отражений от сте­ нок волновода, энергия вдоль не перемещается и затухание стремится к бесконечности. По мере увеличения частоты

уменьшается число отражений от стенок, укорачивается общая длина зигзагообразной линии и вследствие этого затухание умень­ шается. Этот закон действует в зоне II, когда угол падения волны сравнительно невелик.

При переходе к частоте, значительно большей критической (зо­ на III), где угол стремится к 90°, число отражений становится весьма малым, зигзагообразная линия приближается к прямой и потери на отражение не имеют существенного значения. В этой зоне начинают доминировать потери в металлических стенках вол­ новода, обусловленные распространением энергии вдоль волново­ да, растущие с частотой пропорционально корню из частоты. Сле­ довательно, в зоне III с ростом частоты затухание будет сравни­

тельно медленно возрастать по закону У /• Поэтому на частотном графике затухания волновода (см. рис. 3.55). наблюдается внача­

существует область минимального затухания.

Проанализируем скорость распространения энергии в волново­ дах. Различают два вида скоростей: фазовую скорость Нф и груп­ повую скорость нГр. Фазовая скорость — это скорость изменения фазы поля. Она характеризует распределение фазы поля опреде­ ленной волны. Групповая скорость — это скорость движения це­ лого спектра волн. В конечном итоге пгр характеризует скорость распространения энергии вдоль волновода. Учитывая зигзагооб­ разное движение электромагнитной волны в волноводе, следует отметить, что фазовая скорость определяется движением волны по этой зигзагообразной линии, а групповая скорость — это эф­

— 167 —

фективная скорость движения вдоль оси волновода. Естественно,

ЧТО У ф > ^ г р -

Учитывая зигзагообразное распространение энергии в волново­ де (см. рис. 3.54), можно получить следующие соотношения:

sin Ѳ

На рис. 3.56 приведен график частотной зависимости скоростей і»Ф и пГр в волноводе. Из рисунка видно, что при частоте, равной

V

Рис. 3.56. Частотная зависимость скорости распро­ странения энергии в волноводе (1, 2) и в ка­ беле (3)

критической (fo), фазовая скорость за счет большого числа отра­ жений устремляется в бесконечность, а групповая скорость, в си­ лу отсутствия движения вдоль волновода, приближается к нулю. В этом случае энергия колеблется между противоположными стен­ ками волновода и вдоль его оси не распространяется. При удале­ нии от критической частоты в область более высоких частот (f>fo) фазовая скорость уменьшается, а групповая увеличивается, а при очень высоких частотах обе они приближаются к скорости света. Это объясняется тем, что с ростом частоты уменьшается зигзаго­ образность распространения волны и в области весьма высоких ча­ стот энергия движется почти прямолинейно вдоль оси волновода.

В кабельных линиях скорость передачи энергии изменяется от

10 000—20 000 км/с при постоянном токе до 250 000—290 000 км/с

вобласти высоких частот.

3.36.КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА ВОЛН

ВВОЛНОВОДАХ

Вдвухпроводных направляющих системах (симметричный и коаксиальный кабель, воздушная линия) передача осуществляет­ ся на основной поперечно-электромагнитной волне ТЕМ, дейст­ вующей в сравнительно ограниченном диапазоне частот, где опре­

деляющими являются токи проводимости. В волноводных системах

— 168 —

используются волны высшего порядка ТЕ и ТМ (см. рис. 3.1). Эти волны содержат по одной продольной составляющей поля: ЕгФ О для волны ТМ и Н2фО для волны ТЕ. Волны ТМ и ТЕ возбужда­ ются в весьма высоком диапазоне частот, где определяющими яв­ ляются токи смещения / см- В такой системе разность потенциалов создается между по'люсами волн, а также между полюсами и стен­ ками волновода, поэтому по волноводу возможна передача лишь очень коротких волн. Длина волны должна быть такой, чтобы в се­ чении волновода уложилось целое число полуволн или хотя бы одна полуволна.

Для удобства классификации волн и учета их конфигурации к буквам ТЕ и ТМ добавляются еще двузначные индексы пт, помещаемые внизу. Первая буква индекса (п) означает в круглых волноводах число полных изменений поля по окружности волново­ да, а вторая (т). — число изменений поля по диаметру. В прямо­ угольных волноводах первая цифра характеризует число измене­ ний поля вдоль малого размера, а вторая цифра — вдоль боль­ шого размера.

В порядке иллюстрации этой системы укажем, что приведен­ ные на рис. 3.57 волноводы имеют обозначения: а) — ТЕц, б) — ТМоь в) - ТЕІ0, г) - ТМн.

Рис. 3.57. Электроыашитное поле в волноводах:

а), б) круглых; в), г) прямоугольных

Анализируя конфигурацию электромагнитных полей в волно­ водах, следует отметить, что:

—линии электрического и магнитного полей внутри волново­ дов расположены взаимно перпендикулярно;

—электрические линии в большинстве случаев замыкаются на стенках волновода и имеют перпендикулярное направление у сте­ нок;

—магнитные линии имеют замкнутые пути вокруг электриче­ ских линий и не касаются стенок волновода.

Интересно также рассмотреть вопрос о возможности возбуж­ дения и передачи волн высших порядков ТЕ и ТМ по обычным про­ водным линиям связи (коаксиальным и симметричным). Оказы­ вается, при определенных условиях по таким линиям возможна передача волн ТЕ и ТМ принципиально так же, как в волноводе. Для этого необходимо применять весьма высокие частоты так, что­ бы длина волны была соизмерима с поперечными размерами ли­

нии.

169 —

Так, по коаксиальному кабелю возможна передача волн ТЕ и ТМ при условии соблюдения следующих соотношений:

где п—1, 2, 3;

D — внутренний диаметр внешнего проводника кабеля; d — диаметр внутреннего проводника.

Для осуществления передачи волн высшего порядка по наибо­

5,8 мм для волн ТМ и 20,4 мм для волн ТЕ. Однако такие корот­ кие волны по коаксиальным кабелям передавать нецелесообраз­ но, так как это связано с большими потерями, превышающими по­ тери в волноводах. Поэтому коаксиальные кабели, как правило, используются лишь для передачи основного типа волн — попе­ речно-электромагнитных волн ТЕМ в спектре не выше 1000 МГц. Для частот свыше 3000 МГц получили применение волноводы.

3.37. ОСОБЕННОСТИ ВОЛНЫ Н01 В КРУГЛОМ ВОЛНОВОДЕ

Сравнительно с другими разновидностями и типами волн в осо­ бых условиях находится поперечно-электрическая волна ТЕ0і или по-другому называемая Н0 1 в круглых волноводах (рис. 3.58). За­

тухание этой волны, в отличие от других волн на частотном гра­ фике (рис. 3.59), имеет падающий характер, и чем короче пере­ даваемая волна, тем меньше потери и соответственно затуханиеэнергии в волноводе.

Падающая частотная характеристика является специфической особенностью лишь волны Н01 в круглом волноводе и не может быть воспроизведена ни в каком другом типе линий передач (сим­

-170 —

Рис. 3.59. Частотная зависимость затухания мед­ ного волновода е радиусом 5 ем для трех основ­ ных типов волн

ков смещения (7СМ) в диэлектрике внутри волновода и токов про­ водимости (7Пр) в стенках волновода. Эта циркуляция имеет ак­ сиальное (продольное) направление для полей ТМ и тангенци­

альное — для полей ТЕ.

Прохождение токов (7Лр) в металлических стенках волновода связано с потерями на джоулевое тепло и затуханием передавае­ мой энергии. Причем с ростом частоты эти потери возрастают и увеличивается затухание. Этим объясняется частотное возраста­ ние затухания всех типов волн, кроме #оі.

Как видно из конфигурации поля (см. рис. 3.58), силовые элек­ трические линии волны #оі циркулируют по поперечным замкну­ тым окружностям внутри волновода и не соприкасаются со стен­ ками волновода. Это — токи смещения ів диэлектрике (/см)- В металлических стенках нет токов проводимости (7пр) ни тангенци­ ального, ни аксиального направлений и в идеальном случае, сле­ довательно, нет возрастающих с частотой потерь, свойственных другим типам волн. Больше того, с ростом частоты круговое поле

#оі все больше отрывается от стенок волновода и потери умень­ шаются. Можно объяснить особенности волны #оі иначе — ис­ ходя из теории зигзагообразного распространения волн в волно­ водах. С ростом частоты уменьшается число отражений от стенок волновода, укорачивается общая длина зигзагообразной линии и соответственно уменьшаются потери передачи.

Из рис. 3.59 следует, что волна #оі находится в существенно привилегированном положении по сравнению с другими типами

-171 —