1.4 Передающие среды

Распространение волн в атмосфере. Проводные линии передачи. Первичные и вторичные параметры передачи. Направляющие системы проводных линий передачи.

Л: [5], с.4-14, 14-23, 23-25, 27-31, 33-36

В передающих средах изучают строение вещества и взаимодействие (поле, энергия) этого вещества с распространяющейся по нему электромагнитной волной (сигналом). Различают две основных группы взаимодействия передающих сред и их полей (энергий) с сигналом: распространение электромагнитных волн в свободном пространстве (космос (вакуум)) и атмосфере – радиосвязь и распространение электромагнитных волн в направляющих системах – проводная связь.

Для радиосвязи и вещания используют радиочастотные диапазоны, вся полоса частот которых с 4 по 12 номер носит название частотного ресурса, который является национальным достоянием и может быть как объектом торговли (купли-продажи), так и объектом сдачи в аренду на коммерческих условиях.

В теории электрических цепей различают активные и пассивные элементы. Активными элементами считаются источники электрической энергии: источники напряжения u и источники тока i. К пассивным элементам электрических цепей относятся сопротивления r, индуктивности L и емкости C. Соответственно различают активные и пассивные цепи.

Первичные параметры (r, L, C, g) линии зависят от ее конструкции и от частоты. Вычисление первичных параметров линии относится к задачам теории электромагнитного поля. Для оценки эксплуатационно-технических качеств линии передачи при проектировании, строительстве и эксплуатации нормируют и наиболее легко контролируют вторичные параметры передачи – коэффициент распространения  и волновое сопротивление Z_В.

Коэффициент распространения  учитывает потери энергии при передаче и является комплексной величиной:  =  + j . Действительная часть  носит название коэффициента затухания цепи и характеризует уменьшение тока, напряжения или мощности при распространении сигнала по цепи длиной 1 км. Затухание цепи длиной l (a =  ∙ l ) принято оценивать в децибелах или неперах (1 Нп = 8,69 дБ; 1 дБ = 0,1 Б = 0,115 Нп). Мнимая часть  характеризует изменение фаз тока, напряжения или мощности сигнала на участках цепи длиной в 1 км и называется коэффициентом фазы. Измеряется  в радианах или в градусах на 1 км (1 рад = 57,3).

Для передачи электромагнитной энергии по световоду (оптическому волокну) используют известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред с различными показателями преломления. Наиболее важными передаточными параметрами, которые должны быть учтены при проектировании и эксплуатации волоконно-оптических кабельных магистралей, являются затухание и ширина полосы пропускания применяемых световодов, а также потери, вносимые неразъемными соединениями. Важной характеристикой, определяющей дальность и частотный диапазон передачи по оптическому волокну, является дисперсия – разложение света на отдельные лучи с различной длиной пробега. Дисперсия расширяет передаваемый импульс и искажает сигнал на приеме, что приводит к сужению полосы передаваемых частот. Основной элемент оптического волокна изготавливается из высококачественного кварцевого стекла. Конструктивные и оптические характеристики оптического волокна определены Рекомендациями ITU – T: G.651 (многомодовое градиентное); G.652 (одномодовое); G.653 (одномодовое нестандартное со смещенной дисперсией); G.654 (одномодовое стандартное с минимизированным затуханием).

В настоящее время наряду с широким применением кабелей получили развитие также другие средства передачи информации, такие как волноводы, световоды, линии поверхностной волны, сверхпроводящие и ленточные кабели и др. Все они объединены под общим названием – направляющие системы.

Направляющая Система (НС) – это устройство, предназначенное для передачи электромагнитной энергии в заданном направлении. Таким канализирующим свойством обладает проводник и любая граница раздела сред с различными электрическими свойствами (метал – диэлектрик, диэлектрик – воздух и др.). Поэтому роль направляющей системы могут выполнять металлическая линия (кабель, волновод), диэлектрическая линия из материала с  > 1 (диэлектрический волновод, волоконный световод), а также металлодиэлектрическая линия (линия поверхностной волны).

Современные направляющие системы передачи высокочастотной энергии разделяются: на воздушные линии связи, симметричные кабели, коаксиальные кабели, сверхпроводящие кабели, волноводы, световоды, оптические кабели, линии поверхностной волны, диэлектрические волноводы, ленточные кабели (полосковые линии), радиочастотные кабели и подводные кабели. Направляющие системы могут быть классифицированы в первую очередь по длине волны и частотному диапазону их использования.