22. Направляющие системы и направляемые волны

Коаксиальный волновод, структура поля волны класса Т, условие одноволнового режима, волновое сопротивление, использование в технике связи.

Коаксиальный волновод — наиболее распространенная линия передачи.

Используются как твердые, наполненные воздухом волноводы, так и гибкие, с

диэлектрическим заполнением (коаксиальные кабели).

Основным типом волны для коаксиального волновода является T–волна, которая характеризуется отсутствием дисперсии и как следствие, — равенством фазовой скорости и скорости света для данной диэлектрической среды. Характер распределения полей в поперечной плоскости для бегущих T–волн совпадает с распределением статических полей и находится из уравнения Лапласа.

Получить аналитическое выражение для полей T–волны можно, рассматривая в выражениях для статических полей ток и напряжение как мгновенные значения, которые равны соответствующим амплитудам, умноженным на волновой множитель: (1)

Распределение электрического (красные линии) и магнитного (зеленые линии) полей для основной T моды в поперечном сечении коаксиального волновода аналогично их распределениям для статических полей.

С течением времени вся картина распределения полей смещается вдоль оси z со скоростью света. Важным параметром коаксиальных линий является так называемое эквивалентное волновое сопротивление, которое в данном случае определяется как отношение амплитуд напряжения и тока для падающей волны. Учитывая, что для T–волн отношения амплитуд E и H равняется волновому сопротивлению среды, из (1) получаем

Поскольку у волны основного класса Т λ=∞, то согласно λ < λ_кр1, λ_кр2 < λ одноволновый режим в коаксиальном волноводе обеспечивается при выполнении условия λ>π(a+b).

Коаксиальный волновод можно использовать для любых частот, включая постоянный ток. Однако на высоких частотах, как и в прямоугольном волноводе, в нем могут возбуждаться высшие моды TE и TM типов. Поэтому верхняя частота использования ограничена ближайшей высшей модой TE11, которая имеет критическую длину волны, приблизительно равную длине средней окружности поперечного сечения коаксиальной линии. По этой причине для более высокочастотных волноводов нужно выбирать меньшие поперечные размеры, а это вызывает дополнительные потери энергии. Поэтому, особенно для волноводов с диэлектрическим заполнением, диапазон их использования может ограничиваться допустимым затуханием.

23.Направляющие системы и направляемые волны

Полосковые линии, структура поля, выбор поперечных размеров. Микрополосковые линии. Линии передачи оптического диапазона – световоды. Затухание волн в световодах. Дисперсионные искажения.

Полосковая линия (рис. 2.1,а) является наиболее часто используемой линией передачи СВЧ-диапазона. Основным типом волны полосковой линии является Т-волна.

Ф ормула волнового сопротивления имеет вид:

Где k=th(πW/2b), K – полный эллиптический интеграл первого рода; К′ – дополнительная функция, определяемая уравнением K′(k)= K(k ′),

k ′ = .

Для получения простого соотношения для волнового сопротивления используют следующую аппроксимацию для соотношения K/K′ вида:

Э ти формулы позволяют рассчитать точное значение волнового сопротивления Z₀.

Симметричные полосковые линии с полосковым проводником конечной длины наиболее точно вычисляются по следующим приближенным формулам:

Д ля расчета, конструирования и оптимизации устройств на

симметричных полосковых линиях используют формулы определяющие

ширину полоски W для заданного значения волнового сопротивления линии с параметрами b, ε_r и t. Для полоски нулевой толщины значение отношения W/b в функции Z₀ и ε_r используется формула

г де

П ри t ≠ 0 уравнения для W b используют следующую формулу:

Микрополосковая линия является неоднородной линией передачи, так как не все силовые линии поля между полосковым проводником и заземленной пластиной проходят через подложку. Поэтому волна, распространяющаяся вдоль микрополоскового проводника, является не чистой Т-волной («квази – Т-волной»). Эффективная диэл. проницаемость ε_эф меньше диэлектрической проницаемости подложки, так как она учитывает поле вне подложки.. Распределение электромагнитного поля, тока, мощности в поперечном сечении воздушной микрополосковой линии показано на рис. 2.2. На практике микрополосковые схемы размещают в гермитирующих корпусах, изолирующих от внешних электромагнитных полей и от внешних климатических воздействий.

Микрополосковые линии широко применяются в радиоэлектронике в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн. С помощью МПЛ решается важнейшая проблема уменьшения размеров и массы радиоэлектронной аппаратуры.

Световодные линии передачи предназначены для передачи электромагнитной энергии в оптическом диапазоне длин волн.

Все известные световоды можно разделить на четыре группы

-полые (металл или диэлектрик) с зеркальной внутренней поверхностью;

-световоды поверхностной волны (диэлектрические волноводы);

-диафрагмированные, зеркальные, линзовые;

-волоконные световоды.

Затухание α определяет длину регенерационных участков (расстояние между регенераторами) и для трактов оптических кабелей обусловлено собственными потерями в волоконных световодах αси дополнительными потерями, так называемыми кабельными αк, обусловленными скруткой, а также деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля.

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения αпи потерь рассеяния αр. Механизм потерь, возникающий при распространении по волоконному световоду электромагнитной энергии, иллюстрируется на рис. 2.14.

Наряду с затуханием α важнейшим параметром волоконно-оптических

систем передачи является полоса частот ΔF, пропускаемая световодом. Она

определяет объем информации, который можно передавать по оптическому

кабелю (ОК). Ограничение ΔF применительно к цифровым системам передачи

обусловлено тем, что импульс на приеме приходит размытым, искаженным

вследствие различия скоростей распространения в световоде отдельных его

частотных составляющих. Данное явление носит название дисперсии.

Дисперсия (уширение импульсов) – рассеяние во времени спектральных

или модовых составляющих оптического сигнала. Импульсный сигнал на

вход приемного устройства приходит тем искаженнее, чем длиннее линия.

Дисперсия приводит к появлению межсимвольных помех и ограничению

пропускной способности кабеля. Чем меньше дисперсия, тем больший поток

информации можно передать по волокну.

Дисперсионные искажения имеют характер фазовых искажений сигнала

и обусловлены различием времени распространения различных мод в

световоде и наличием частотной зависимости показателя преломления.

Уширение импульса возникает также при прохождении импульса через

соединители, модуляторы, демодуляторы и другие устройства.

Дисперсия имеет размерность времени и определяется как квадратичная

разность длительностей импульса на выходе и входе кабеля длиной l.

Величина дисперсии может быть рассчитана по формуле:

Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами: различием скоростей распространения направляемых мод; направляющими свойствами оптического волокна и свойствами материала, из которого оно изготовлено. В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в световоде (межмодовая или модовая дисперсия), а с другой стороны – некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн Δλ (хроматическая дисперсия).