ЭД и РРВ Лекции1-24 И.П / Лекция 11 Диэл вол-ды и Оптоволоконные линии

Глава 5. Диэлектрические волноводы. Оптоволоконные линии передачи

Лекция 11 Диэлектрические волноводы

Рассмотрены линии передачи, в которых фазовая скорость распространяющихся волн была равна скорости света или превосходила ее. В технике СВЧ используются волноводные системы, в которых фазовая скорость распространяющихся волн меньше скорости света, получивших название медленных волн. Среди таких систем рассмотрим диэлектрические волноводы.

Диэлектрические волноводы – это диэлектрические стержни разных поперечных сечений с относительной диэлектрической проницаемостью ε₁. В основе работы этих линий лежит явление полного внутреннего отражения от границы диэлектрик - воздух. При соотношении диэлектрических проницаемостей ε₁>ε₂ (воздух) и при углах падения больших угла полного внутреннего отражения волна испытывает многократные отражения от границы диэлектрик – воздух и внутри диэлектрика возникает направляемая волна. В силу граничных условий - непрерывности тангенциальных составляющих электрического поля Е_τ1=E_τ2 - преломленная волна наблюдается во второй среде (в воздухе) в виде направляемой поверхностной волны. Поверхностная волна – это плоская неоднородная волна, распространяющаяся вдоль поверхности диэлектрика, ее поле экспоненциально убывает в направлении нормали к поверхности диэлектрика. Таким образом, энергия переносится как в диэлектрике, так и в прилегающей воздушной среде. Но так как коэффициент отражения по модулю равен единице |R|=1 и энергия должна вернуться внутрь диэлектрика, то преломленная волна, пройдя в воздухе какой-то путь, возвращается в диэлектрик. Образуется единая направляемая волна, несущая энергию внутри диэлектрического стержня и вокруг его.

Параметры этой направляемой волны определяются параметрами обеих сред. Например, коэффициент фазы этой волны находится в пределах k₂<β< k ₁, где k ₁- коэффициент фазы волны в диэлектрическом стержне, k₂- коэффициент фазы волны в окружающей воздушной среде. Фазовая скорость направляемой волны равна и будет меньше чем во второй среде (в воздухе), такая волна называется медленной.

Волновая задача определения поля и параметров направляемых волн в диэлектрических волноводах решается достаточно сложно. Остановимся на описании работы такой линии передачи. Эффективность работы линии определяется замедлением направляемой волны и её поверхностным характером. Замедление и поверхностный характер задаются двумя параметрами:

- коэффициент замедления n = /с, где c-скорость света;

- R- радиус граничной области вокруг диэлектрического стержня, где сосредоточено 80-90 % всей мощности.

Оба эти параметра зависят от поперечных размеров волновода, его диэлектрической проницаемости и особо сильная зависимость наблюдается от частоты. По концепции парциальных волн от частоты зависит угол падения на границу диэлектрического волновода и соответственно в зависимости от частоты волна проходит разный путь в воздухе и диэлектрике. На низких частотах волна проходит больший путь в воздухе и концентрирующее действие диэлектрического стержня невелико. На высоких частотах вся энергия сосредоточена внутри диэлектрического стержня и поверхностная волна уже не играет роли в переносе энергии, возрастает коэффициент затухания, так как он теперь полностью определяется параметрами диэлектрика.

В оптимальном частотном диапазоне 5-20% энергии сосредоточено внутри диэлектрика, и главное – затухание направляемой волны в 5-20 раз меньше чем в диэлектрике. Выбор оптимального режима работы линии связан с конкретной задачей и проводится по графикам численного решения задачи.

Наиболее распространенный – это круглый диэлектрический волновод в виде диэлектрического стержня круглого сечения радиусом а (рис.5.1).

Рис. 5.1. Диэлектрический волновод

Решение волновой задачи дает при индексе m=0 симметричные волны Е_оn и Н_оn, при индексе m≠0 – гибридные волны. Основной волной диэлектрического волновода является волна типа , которая относится к классу гибридных волн. Структура поля основной волны показана на рис.5.2.

Рис. 5.2 Структура поля волны .

Обращаем внимание, что поле выходит за пределы диэлектрического стержня. Поперечные составляющие поля замыкаются продольными составляющими Е_z и Н_z. На практике берется оптимальный частотный диапазон, определяемый коэффициентом замедления и граничным радиусом R. В этом диапазоне υ_фл≤0,999с, то есть волна замедляется на 0,1%. Граничный радиус равен R≈10λ₀. Передаваемая мощность определяется как поток вектора Пойнтинга через стержень и через окружающий слой воздуха радиусом R≈10λ₀, в котором сосредоточено 80-90% передаваемой мощности. Допустимая мощность достаточно велика, т.к. она переносится широким пучком волн. Коэффициент затухания невелик (в 5-10 раз меньше, чем в диэлектрическом стержне). Линия открытого типа, возможны потери на излучение на изгибах, при деформировании сечения и других нерегулярностях. Линия требует свободной зоны вокруг себя. Один из способов возбуждения круглого диэлектрического волновода - через круглый металлический волновод с волной Н₁₁ с рупорным выходом. Волна НЕ₁₁ поляризационно неустойчива. Поляризационная неустойчивость снимается эллиптическим сечением диэлектрического стержня. Отметим существенную особенность диэлектрического волновода: одноволновый режим для заданной рабочей частоты можно обеспечить как уменьшением радиуса стержня r=a, так и уменьшением разницы между диэлектрическими проницаемостями стержня и окружающего пространства, обеспечив при этом одноволновый режим даже при a>>λ. Это свойство используется в оптическом диапазоне, где длина волны λ очень мала. Диэлектрические волноводы оптического диапазона называются световодами. В качестве линии передачи диэлектрические волноводы применяют в миллиметровом (λ=10мм-1мм) и субмиллиметровом (λ=1мм-0,1мм) диапазонах. Они обеспечивают передачу большой мощности с малыми потерями по сравнению с металлическими волноводами. Отрезки диэлектрических волноводов используют для создания диэлектрических антенн.

Оптоволоконные линии передачи

В световом диапазоне волн в качестве волноведущих устройств используются так называемые световоды, которые являются основой волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Световоды являются конструктивной модификацией диэлектрических волноводов. Волоконный световод состоит из диэлектрического сердечника и защитной диэлектрической оболочки с диаметрами и (рис. 5.3) и коэффициентами преломления и .

Рис. 5.3 Волоконный световод

При передаче волн по световодам также используется явление полного внутреннего отражения на границе раздела диэлектриков с разными коэффициентами преломления - сердечник и оболочка. Возникающая при этом поверхностная волна распространяется в защитной оболочке, переносимая энергия сосредоточена в сердечнике и оболочке. В качестве материалов сердечника и оболочки часто используют кварцевое стекло, легированное германием, фосфором, или бором. Такое стекло обладает очень малыми потерями. Типовая зависимость коэффициента затухания α в _дБ/ км в кварцевом световоде показана на рис. 5.4.

Рис. 5.4 Коэффициент затухания

Имеются три минимума (три окна прозрачности), где потери малы:

λ≈0,85 мкм - α≈0,7 дБ /км; λ≈1,3 мкм - α≈0,4 дБ /км; λ≈1,5мкм - α≈0,2 дБ /км,

что в десятки сотни раз меньше затухания этих волн в атмосфере.

По волоконному световоду, как и в диэлектрическом волноводе, могут распространяться гибридные волны.

Возможны несколько режимов работы линий.

Рис. 5.5. Эффект полного внутреннего отражения

Одномодовые режимы существуют в оптоволоконной линии с тонким сердечником (= 3 – 5 мкм), не допускающем распространения высших типов волн. Диаметр защитной оболочки = 50 мкм. На рис. 5.5 показаны сечения световода и пути распространения волн.

Достоинство одномодовых оптоволоконных линий заключается в минимальной дисперсии и малых потерях. Это позволяет использовать данные линии в магистральных высокоскоростных каналах связи.

Рис. 5.6. Одномодовый волновод

Многомодовые волноводы используют при построении местных локальных сетей связи. Они имеют более толстый сердечник с = 50 мкм и допускают на рабочей частоте возбуждение волн многих типов. Каждая из волн распространяется со своей скоростью, что приводит к размыванию импульсов битовых информационных последовательностей и ограничивает как длину линий связи, так и их скорость (рис. 5.7). Диаметр защитной оболочки составляет = 120 мкм.

Рис. 5.7. Многомодовый волновод

Для сохранения достаточно больших диаметров сердечника и для уменьшения явления дисперсии используются так называемые градиентные волноводы с = 50 мкм, = 80 мкм. В таком световоде применяется сердечник, коэффициент преломления которого неоднородный и уменьшается по определенному закону от оси волновода к границе сердечник-оболочка. Наиболее часто на практике используются градиентные волокна с параболическим законом изменения коэффициента преломления. Градиентные оптоволоконные линии занимают промежуточное положение между многомодовыми и одномодовыми линиями (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Градиентный волновод

Снаружи оптоволоконные линии защищены диэлектрической трубкой. В кабеле одновременно находится несколько волокон. Внешняя оболочка защищает как от климатического, так и механического воздействия на оптоволоконный кабель.

Контрольные вопросы

1. Поясните физические принципы, поясняющие работу диэлектрических волноводов и оптоволоконных линий.

2. Поясните отличия многомодовых, одномодовых и градиентных оптоволоконных линий.

3. Объясните причины, не позволяющие применять многомодовые линии при построении высокоскоростных сетей с длинными участками.

8