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

3.40. СРАВНЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ С ЛИНИЯМИ ДРУГИХ ТИПОВ

Рассмотрим особенности существующих типов линий переда­ чи (воздушных, линий, симметричных и коаксиальных кабелей) и волноводов и выявим их сравнительные достоинства и недо­ статки.

Основными показателями любых линий передачи энергии явля­ ются затухание энергии вдоль системы и величина внешнего элек­ тромагнитного поля, создаваемого системой в окружающем про­ странстве.

При расчете затухания энергии в общем случае учитываются:

—потери в металле (ам) ;

—потери в диэлектрике (ад) ;

—потери на излучение (аи).

Т а б л и ц а 3.16

СВОДКА СРАВНЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ЛИНИИ ПО ПОТЕРЯМ ПЕРЕДАЧИ

В табл. 3.16 дано сравнение потерь в различных типах линий передач. Открытая симметричная цепь имеет все три вида потерь (ам + «д + аи). В экранированной симметричной цепи и коаксиаль­ ном кабеле отсутствуют потери на излучение. В этих линиях по­ тери в металле (ам) преобладают над потерями в диэлектрике (ад). Однако с ростом частоты весьма быстро растет удельная значимость диэлектрических потерь и они становятся соизмеримы­ ми с потерями в металле.

В волноводе электромагнитное поле полностью экранируется и потери на излучение отсутствуют. Диэлектрические потери в вол­ новоде также практически отсутствуют. Потери в металле у вол­ новода существенно меньше, чем у симметричной или коаксиаль­ ной цепи. У коаксиального кабеля, например, большая часть по­ терь (80%) вызывается внутренним проводом, так как периметр его сечения меньше, чем у внешнего провода. Волновод не имеет внутреннего провода и поэтому свободен от таких потерь. Таким

— 182 —

образом, в преимущественном положении по потерям является вол­ новод, затем идет коаксиальный кабель и на последнем месте сим­ метричная цепь.

Следующим достоинством волновода является то, что по нему можно пропускать большую мощность, чем, например, по коакси­ альному кабелю. Мощность связана с напряжением, которое, в свою очередь, обусловлено величиной изоляционного промежутка.

В круглом волноводе максимальное напряжение приложено между точками, расположенными по диаметру волновода. Это рас­ стояние заметно больше, чем величина изоляционного про­ межутка в коаксиальном кабе­ ле такого же диаметра. В ре­ зультате электрическая проч­ ность и соответственно допу­ стимая мощность в волноводе заметно больше, чем в кабеле того же диаметра.

В конструктивном отноше­ нии волновод существенно про­ ще, чем коаксиальный кабель. Волновод не имеет внутренне­ го провода и не нуждается в сложной изоляционной про­ слойке, являющейся составным элементом коаксиального ка­ беля.

Сравнивая волновод и коаксиальный кабель в технико-эконо­ мическом отношении, следует отметить, что волновод эффективен лишь при задействовании его большим количеством каналов. На рис. 3.64 показана область эффективного использования волно­ вода и коаксиального кабеля. Из рисунка видно, что до 25000 те­ лефонных каналов выгоднее кабель, а свыше 25 000 каналов эф­ фективнее волновод. При массовом изготовлении волноводов гра­ ница раздела составит около 20 000 каналов.

Резюмируя, можно отметить, что достоинствами волновода яв­ ляются:

—возможность передачи весьма высоких частот;

—полная экранировка поля;

—отсутствие диэлектрических потерь и потерь на излучение;

—большая пропускная мощность;

—простота конструкции.

К недостаткам волноводов относятся:

— наличие критической частоты, в связи с чем волновод не пропускает частот, длины волн которых больше, чем диаметр вол­ новода. Для сравнительно низкой области частот требуются вол­ новоды большого сечения;

— жесткие требования к прокладке и монтажу волноводных линий. Необходимо очень строго соблюдать однородность волно­

— 183 —

водной линии. Наличие изгибов, деформаций, вмятин волновода приводит к появлению отражения в местах неоднородности и пре­ образованию волн, а это, в свою очередь, связано с дополнитель­ ными потерями энергии и ухудшением качества передачи.

По существующим требованиям радиус изгиба волновода дол­ жен быть не менее 100 м. Максимально допустимый изгиб волно­ вода на длине 10 м не должен превышать 5 см.

При изменении прямолинейности волноводной трассы приме­ няются специальные устройства поворота, позволяющие изменить направление линии на 60, 90 и 120°.

3.41. СИСТЕМЫ СВЯЗИ ПО ВОЛНОВОДАМ

Основные данные волноводной линии дальней связи примерно ■следующие:

—диаметр волновода (внутренний) — 6 см;

—диапазон волн — 8,64-3,75 мм (354-80 ГГц);

—ширина полосы — 45 ГГц;

—число вч стволов — 90 (при ширине одного ствола 500 МГц);

—затухание — 0,34-0,4 Нп/км (24-3 дБ/км);

—длина усилительного участка — 204-30 км,

—тип волновода — комбинированный (цельнометаллический

со спиральными вставками для фильтрации).

В электрическом отношении (фильтрация паразитных волн) лучше спиральный волновод. Однако он дороже цельнометалличе­ ского в 2—3 раза. Поэтому прокладывают комбинированную вол­ новодную линию, сочетающую однокилометровые участки цельно­ металлического волновода с 10-метровыми спиральными вставка­ ми. Общие потери (затухание) реальных волноводных линий скла­ дываются из:

—потерь в медных стенках......................... около 1,5 дБ/км;

—потерь на сочленениях.............................. 0,2 дБ/км;

—паразитных потерь:

После прокладки затухание возрастает до 3,2 дБ/км. Известны волноводные линии с затуханием в 2 дБ/км.

Применяются две системы уплотнения волноводной линии даль­ ней связи:

—система амплитудно-частотной модуляции 4M;

—система импульсно-кодовой модуляции ИКМ.

При 4M используется типовая аппаратура уплотнения кабель­ ных и радиорелейных линий типа К-1920. В этом случае по каж­ дому волноводному стволу можно будет получить 1920 телефонных каналов или одну телевизионную передачу и 300 телефонных ка- ■налов.

-184 —

При ИКМ в волноводном стволе размещается 1320 телефон­ ных каналов или одна телевизионная передача. Сравнивая эти системы, можно отметить: по числу каналов эффективнее система 4M. Однако по дальности связи все преимущества на стороне ИКМ. В этом случае возможны регенерация сигнала и снижение помех от попутного потока, тепловых шумов и помех соседних вч стволов. Расчеты показывают, что при сохранении заданной нор­ мы МККТТ по шумам можно получить предельную дальность свя­ зи по ИКМ, в 2—3 большую, чем при 4M.

Таким образом, волновод позволяет получить мощный и эконо­ мичный пучок телевизионных и телефонных каналов. Действитель­ но, если даже принять 1320 каналов в одном вч стволе, то получим, по волноводной линии свыше 100 000 телефонных каналов или поч­ ти 100 телевизионных передач.

3.42.ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПО СВЕТОВОДАМ

Впоследние годы развитию квантовой радиоэлектроники и оп­ тическим системам связи уделяется большое внимание. Перспек­ тивность оптических систем обусловлена возможностью передачи огромного количества информации на большие расстояния при ма­ лых затратах энергии, так как эти системы имеют высокую нап­ равленность излучения.

Оптическая световодная связь базируется на применении кван­ товых приборов, называемых лазерами. Лазер—это слово, состав­ ленное из первых букв фразы на английском языке, — усиление света с помощью стимулированного излучения энергии. Лазерные системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при пере­ даче по кабелям используются частоты порядка мегагерц (10еГц), а по волноводам — гигагерц (ІО9 Гц), то для лазерных систем ис­ пользуется видимый спектр оптического диапазона волн — (6-f- -f-9)-1014 Гц. Он лежит между инфракрасным спектром (1012-^- -т-6-1014 Гц) и ультрафиолетовым спектром (9- 1014ч-8-ІО16 Гц).

Принцип действия квантовых приборов (лазеров) основан на использовании излучения атомов веществ под воздействием внеш­ него электромагнитного поля. Из квантовой механики известно, что движение электронов атома вокруг ядра характеризует энер­ гетическое состояние электронов, иначе называемое энергетиче­ ским уровнем. Каждому уровню соответствует определенная орби­ та вращения электронов, и чем дальше от ядра, тем большей энер­ гией обладают электроны. При переходе электронов с одной орби­ ты на другую под воздействием внешнего электромагнитного поля меняется энергетический уровень и происходит излучение энергии. В настоящее время известны различные типы лазеров, например твердотельные лазеры на основе рубина, сапфира, берилла и дру­ гих материалов, газовые лазеры, полупроводниковые и др.

На рис. 3.65 приведена принципиальная схема твердотельного квантового генератора. Генератор состоит из активного вещества, размещенного в объемном резонаторе, образованном двумя плос­

— 185 —

ко-пар аллельными зеркалами, источника возбуждения и источни­ ка питания. В качестве активного вещества чаще всего использу­ ется кристалл рубина, получаемый из окиси алюминия (99,9%) с добавлением хрома (0,1%). Возможно применение также берил­ ла, сапфира и др. В качестве источника возбуждения применяется импульсная лампа, а источником питания служит конденсатор, за-

Рис. 3.65. Оптический кванто­

3 — стеклянный баллон; 4 — источ­ ник питания; 5 — луч

ряжаемый от выпрямителя. Квантовый генератор работает сле­ дующим образом. Импульсная лампа большой мощности создает электромагнитное поле, которое облучает рубин и накапливает в нем энергию. Затем происходит мгновенное излучение, в резуль­ тате чего создается сильный и остронаправленный поток световой энергии (фотонов). Процесс накопления и разрядки световой энер­ гии напоминает действие лампы — вспышки, применяемой при фо­ тографировании.

Отличие лазерного излучения от обычного света состоит в том, что в первом случае имеет место строго фазированное, когерент­ ное, т. е. согласованное во времени и в пространстве движение световых частиц — фотонов, а обычный свет — это хаотическое движение этих частиц.

Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он рас­ пространяется на большие расстояния и имеет строго прямоли­ нейное направление. Луч движется очень узким пучком с малой степенью расходимости. Так, лазерный луч достигает луны с фо­ кусировкой в сотни метров. Лазерный луч выделяет тепло в 7000°С и может пробивать отверстие в любом материале. Свето­ вая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых силь­ ных источников света.

Оптические связи с применением лазеров используются в ат­ мосфере, в космосе и по световодам.

Наземная оптическая связь с использованием атмосферы огра­ ничивается потерями и рассеянием энергии в атмосфере, требует лазеров большой мощности и, кроме того, существенно зависит от метеорологических и климатических условий. Применение лазе­ ров для целей связи в космическом пространстве более перспектив­ но, чем в атмосфере, и может быть осуществлено на лазерах не­ большой мощности. Однако сложной пока еще остается проблема наведения и удержания луча между абонентами. Наземная опти­ ческая связь в атмосфере и космическая связь выходят за рамки настоящей работы.

— 186 —

Оптическая связь в закрытых средах — по световодам — от­ носится к разделу передачи энергии по направляющим системам, и ниже рассматривается лишь этот аспект оптической связи. Из­ вестные в настоящее время световоды можно разбить на два клас­ са: линзовые (трубопроводные) и волоконные (оптические кабели).

3.43. ЛИНЗОВЫЕ СВЕТОВОДЫ

Линзовый световод представляет собой металлическую трубу, внутри которой размещены линзы и распространяется лазерный луч. Здесь основная задача состоит в том, чтобы сфокусировать луч и заставить двигаться по центру трубы, особенно при неиз­ бежных изгибах и нарушениях прямолинейности трассы. В таких фокусирующих световодах передача проходит вдоль оси трубы и стенки не участвуют в передаче луча. Луч фокусируется при по­ мощи линз, располагаемых вдоль трубы через определенные рас­ стояния.

Известны следующие фокусирующие световоды: оптические, газовые, зеркальные. Рассмотрим принцип действия этих свето­ водов.

О п т и ч е с к и й с в е т о в о д представляет собой трубу с раз­ мещенными вдоль трубы через каждые 50—200 м стеклянными линзами (рис. 3.66). За счет этих линз осуществляются фокусиров-

Рис. 3.66. Оптический све­ товод:

1 — луч; 2 — линза; 3 — труба

ка луча и направление его по центру световода. В таком светово­ де основные потери обусловлены отражением и поглощением энер­ гии в линзах. Кроме того, имеются дифракционные потери, а так­ же потери, связанные с неоднородностью световодного тракта.

На опытном участке оптического световода потери составили

2,5 дБ/км.

В г а з о в ы х с в е т о в о д а х фокусировка световодного луча по центру осуществляется с помощью газовых линз. Установлено, что световой луч, пропущенный через газовую среду, можно от­ клонить или сфокусировать и направить по заданному руслу, если показатель плотности среды меняется в радиальном направлении. Газовые линзы устанавливаются через каждые 50—100 м вдоль трубы.

Газовая линза (рис. 3.67) представляет собой пустотелую ди­ электрическую втулку, на которой размещена спираль подогрева­ теля. За счет газовых линз температура у стенок трубы на не­ сколько градусов больше, чем в центре. Соответственно плот­ ность газа вдоль оси трубы выше, чем у стенок. За счет изменения

— 187 —

характеристик газа в радиальном направлении луч света фокуси­ руется внутри трубы и направляется вдоль световода, воспроизво­ дя неизбежные неоднородности трассы. Затухание газовых свето­ водов составляет примерно 2-^-4 дБ/км.

Разработка газовых линз является перспективным, но слож­ ным направлением развития световодной техники.

Рис. 3.67. Газовый световод:

/- _ л у Ч; 2 — газовая линза; 3 — труба; 4 — диэлектрическая втулка; 5 — электроспираль

В з е р к а л ь н ы х с в е т о в о д а х световой луч фокусируется с помощью перископической системы зеркал, устанавливаемых че­ рез каждые 100—500 м вдоль трубы—световода (рис. 3.68). Эти зеркала корректируют луч и передают его в заданном направле­ нии. Потери энергии в зеркальных волноводах зависят от расстоя­ ния между зеркалами. Опытным путем установлено, что при ус­ тановке зеркал через 100 м потери составляют 2-=-3 дБ/км. Зер­ кальные системы корректировки и фокусировки светового луча представляют интерес и практически реализуются.

Сравнивая различные типы трубопроводных световодов с лин­ зовой фокусировкой луча, следует отдать предпочтение зеркаль­ ному и газовому световодам.

3.44. ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ (ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ)

Волоконный световод представляет собой тонкую двухслойную стеклянную нить круглого сечения (рис. 3.69). Волоконный свето­ вод относится к классу диэлектрических волноводов, используе­ мых обычно в области сантиметровых и миллиметровых волн. Од­ нако использование таких устройств в оптическом диапазоне

— 188 —

(ІО14—ІО15 Гц) ввиду различия частот связано с рядом специфиче­ ских требований и, в первую очередь, с выбором конструкции и материалов с малыми потерями в оптическом диапазоне.

Рассмотрим волоконный световод, состоящий из диэлектриче­

жается и не переходит в другую среду. Угол падения, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, назы­

Hl ei

ИЛИ, имея в виду, ЧТО Ці = Р2 , получим

sin ѲС‘= У^ег/еі.

При угле Ѳп= бс энергия, поступившая в сердечник, полностью отражается от границы раздела сред (сердечник—оболочка) и. многократно отражаясь, распространяется по световоду. Чем боль­ ше угол падения волны ѲП>ѲС в пределах от Ѳс до 90°, тем лучше условия распространения и быстрей волна достигает приемного конца (рис. 3.706). При угле, меньшем угла полного внутреннего отражения, т. е. при ѲП<ѲС, энергия проникает в оболочку и из­ лучается в окружающее пространство, и передача по волоконному световоду невозможна (см. 3.70а).

— 189 —

волны, имеющие продольные составляющие одновременно и элек­ трических (Ех) и магнитных (Hz) полей. Эти волны обозначаются через НЕпт или ЕНпт. Особенностью дипольных волн является отсутствие критической частоты, свойственной другим типам волн. Из всей номенклатуры дипольных волн в световодной практике получила наибольшее применение волна типа НЕц, являющаяся более устойчивой и менее требовательной к тракту передачи.

По структуре поля возможны одноволновый (одномодовый) световод и многоволновый световод. Одноволновая передача обес­ печивается при поперечных размерах сердечника световода, рав­ ного или соизмеримого с длиной волны (dmX). При большом диа­ метре световода (d>X) число распространяющихся волн увели­ чивается и световод работает в многоволновом режиме. Пред­ почтение отдается одноволновым режимам использования свето­ вода, как обеспечивающим меньшее поглощение и искажение пе­ редаваемой информации.

иоболочки;

Ро т — корни бесселевых функций.

Диаметр сердечника световода может быть определен из сле­ дующего выражения:

190 —