5.3. Однопроводная линия

Однопроводной линией называется металлический провод, покрытый слоем диэлектрика

В диэлектрическом волноводе полное отражение происходит на границе диэлектрик-воздух. В однопроводной линии полное отражение происходит на границе диэлектрик-воздух и на границе диэлектрик-металл. Разница с диэлектрическим волноводом в том, что полное отражение от границы диэлектрик-металл будет при любом угле падения.

Для передачи электромагнитной энергии с помощью однопроводной линии наибольший практический интерес представляет волна E₀₁. Способ ее возбуждения и структура поля показаны на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Возбуждение моды Е01 в однопроводной линии

Рупор, возбуждающий волну, является развитием коаксиальной линии и обеспечивает переход энергии в однопроводную линию.

По коаксиальной линии распространяются поперечная волна, вектор напряженности электрического поля которой ориентирован по радиусу между центральным и внешним проводниками. Эту ситуацию отражает первая силовая линия электрического поля, изображенная в месте перехода от коаксиальной линии к рупору: она прямая. А силовые линии магнитного поля имеют форму замкнутых колец, охватывающих центральный проводник.

В однопроводной линии распространяется симметричная Е-волна, распределение поля которой не зависит от азимута. То есть ориентация поперечных составляющих электромагнитного поля в однопроводной линии такая же, как и в коаксиальной, но у вектора напряженности электрического поля появляется продольная составляющая. Вне рупора силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на проводнике однопроводной линии.

Силовые линии магнитного поля в однопроводной линии имеют только азимутальную составляющую. Она лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Критическая частота волны E₀₁ равна нулю. Это означает, что по однопроводной линии могут распространяться волны с любой частотой колебаний. Но постоянный ток по ней распространяться не может, так как токи проводимости, текущие по проводнику, должны замыкаться токами смещения в диэлектрике, окружающем проводник.

Однопроводную линию используют в дециметровом диапазоне длин волн. Затухание в таких линиях в несколько раз меньше, чем в прямоугольном волноводе.

Основными недостатками однопроводной линии являются ее чувствительность к внешним помехам и подверженность влиянию метеорологических условий. Кроме того, существует опасность возникновения потерь из-за рассеяния волн на окружающих предметах и вследствие излучения, вызванного искривлением оси линии.

5.4. Световодная линия передачи

Световодом называется линия передачи, предназначенная для направления света в узком пространственном канале

Световодные линии используются для связи на расстояниях от нескольких миллиметров до многих километров. Малые расстояния встречаются в узлах аппаратуры, а большие - в дальней оптической связи. Перспективность оптических систем обусловлена возможностью передачи огромного количества информации на большие расстояния при малых затратах энергии.

К достоинствам световодных линий передачи относятся малый диаметр оптоволокна, высокая гибкость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям, малый уровень взаимных помех между волокнами, высокая скорость передачи информации, высокая стабильность параметров, широкая полоса пропускания и сравнительно низкая стоимость.

Из всех известных световодов лучшими являются волоконные.

По конструкции волоконные световоды делятся на две группы - однослойные и многослойные. Многослойные световоды состоят из двух и более слоев материалов с разными свойствами. Кроме того, и в однослойном волокне оптическая плотность материала может быть не постоянна в радиальном направлении. Такие световоды называются градиентными.

В градиентном волокне показатель преломления плавно убывает по радиусу от максимума в центре волокна, то есть на оптической оси световода. При распространении по градиентному волокну световая энергия концентрируется в центре волокна за счет большой оптической плотности материала.

На рис. 5.4, а показано поперечное сечение двухслойного волоконного световода.

Рис. 5.4. Волоконный световод

Волокно состоит из сердечника и оболочки, которые являются оптически прозрачными диэлектриками. Для полного внутреннего отражения показатель преломления сердечника должен быть выше.

Для того чтобы свет попал в волокно, его торец надо осветить. При этом лучи падают на торец волокна под разными углами. Часть лучей, упавших под большими углами к оси уйдет за оболочку, и их энергия будет потеряна. А оставшаяся часть будет распространяться в волокне по законам поверхностной волны. Отсюда следует, что световод обладает способностью собирать лучи. Этот механизм иллюстрирует рис. 5.4, б.

Луч, помеченный цифрой 1, упал полого, достаточно для того, чтобы полностью отразится от границы волокна. Он и дальше будет распространяться в световоде. Луч 2 падает под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения и покидает пределы волокна.

По световодам можно передавать симметричные и несимметричные гибридные волны. Особенностью гибридных волн является отсутствие критической частоты в определенном диапазоне частот, позволяющее осуществлять передачу на любых частотах этого диапазона. Из гибридных волн чаще всего используют моду НЕ₁₁, обладающую наибольшей широкополосностью.

Для обеспечения передачи световой энергии используют оптические кабели связи, которые сокращенно обозначаются ОКС.