Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Амплитуда поля такой волны резпго спадает по экспоненциальному закону при удалении от диэлектрика. Это позволяет ограничить поперечный размер металлических пластин и сделать линию компактной. Волоконно-оптические линии передачи. При переходе в субмиллиметровый и оптический диапазоны длин волн традиционные линии передачи становятся непригодными из-за возрастания потерь и трудностей изготовления. Наибольшее распространение в этих диапазонах получили волоконно-оптические линии передачи, представляющие собой многомодовые диэлектрические волноводы в форме нитей толщиной около 150 мкм (это сотни длин волн этого диапазона!) из особо чистого кварца, обладающего ничтожными потерями в диапазоне оптических волн.
Действие волоконно-оптических линий основано на распространении световой энергии в кварцевом волокне в результате полного внутреннего отражения. а1 а) Рис. 1.12. Волокоииые световолы со ступенчатым (а) и плав. иым (о) иамеиением ковффипиеита преломлеиип Для устранения потерь света на нерегулярностях поверхности волокна граница полного внутреннего отражения должна быть смещена внутрь волокна.
Это достигается созданием ступенчатой или плавной радиальной неоднородности оптического коэффициента преломления. Необходимое изменение коэффициента преломления и кварцевой нити вдоль радиуса (рис. 1.12) обеспечивается внесением легирующих примесей, в качестве которых используют оксиды бора, фосфора и других элементов. При изменении частоты трассы распространения лучей внутри волокна изменяются так, как показано на рис. 1.12. Это приводит к дисперсии, вызывающей искажения прн передаче широкополосных сигналов. Дисперсия проявляется слабее в оптических волокнах с плавным изменением коэффициента преломления по радиусу и может быть уменьшена выбором закона этого изменения. Оптические волокна покрывают лаком, обеспечивающим прочность и защиту от внешних воздействий, и укладывают в общий жгут, образующий многожильный волоконно-оптический кабель.
Затухание в регулярных волоконно-оптических линиях определяется только диэлектрическими потерями. Современная технология по- зволяет получить кварцевое волокно с исключительно высокой прозрачностью и осуществлять точно контролируемое внесение легирующих примесей. Достигнутые значения коэффициентов затухания волоконно-оптических линий составляют 3 — 5 дБ/км.
В качестве возбудителей волоконно-оптических линий используют светодиоды или полупроводниковые лазеры, На приемных концах волоконно-оптических линий применяют светоприемные р-гчп-диоды с хорошим быстродействием и высокой чувствительностью или светоприемные лавинно-пролетные диоды, обеспечивающие усиление принятых сигналов. Волоконно-оптические линии передачи обеспечивают очень широкие полосы рабочих частот, идеальную помехозащищенность, практически полную развязку между каналами.
Успешно происходит разработка элементов тракта на волоконных линиях: многоканальных разъемных соединителей, направленных ответвителей, коммутаторов, фильтров и др. Все шире начинают внедряться так называемые одномодовые волоконно-оптические линии передачи, работа|ощие в режиме одного типа волны. Это оптические волокна диаметром 3 — 5 мкм, практически свободные от дисперсии. На регулярном участке любой линии передачи электромагнитное поле. распространяющейся волны выбранного типа представляет собой суперпозицию (наложение) падающей и отраженной волн.
Падающей волной называют бегущую волну, создаваемую генератором и движущуюся в сторону возрастания продольной координаты К. При временнбй зависимости монохроматических колебаний е~"' любой компонент электромагнитного поля падающек волны зависит от продольной координаты по закону е-~", где у= =р — /а — комплексный коэффициент распространения; а — коэффициент затухания, Нп/и;,р — коэффициент фазы, и — '. Коэффициент фазы, в свою очередь, связан с длиной волны в линии передачи Х, и фазовой скоростью оф известным соотношением $=2п/Х,= =ы/ов.
Напомним, что длину волны в линии передачи определяют как расстояние, на котором фаза бегущей волны изменяется на 2п. Отраженнойназывают бегущую волну, порождаемую нагрузкой или нерегулярностью и движущуюся в направлении, обратном направлению падающей волны. Любой компонент поля отраженной монохроматической волны в линии передачи характеризуется продольной зависимостью е~'г.
Как падающая, так и отраженная волны переносят вдоль линия передачи электромагнитную мощность. В электродинамике установлено, что распространяющиеся падающая и отраженная волна являются ортогональными. Зто означает, что активная мощность, переносимая каждой волной, не зависит от присутствия другой Р„= Йе(~ (Е„К„1 дЬ), (1 4) где Е„и Й вЂ” векторные функции распределения действующих значений напряженностей электрического и магнитною полей падающей волны в рассматриваемом сечении линии передачи; оЬ= =пд5 — векторный элемент площади поперечного сечения Я. Открытые линии передачи имеют бесконечное сечение, и поэтому для них интеграл в (14) становится несобственным.
Однако напряженности полей в открытых линиях передачи быстро уменьшаются при удалении от направляющей системы проводников н диэлектриков, поэтому интеграл сходится и имеет конечное значение. Мощность отраженной волны Р, определяется формулой аналогичной (1.4), с заменой функций Йп и Н„на функции Е, и Н„отличающиеся от Е„и Н только коэффициентом пропорциональности. Описание электромагнитного поля в линии передачи с помощью векторных функций Е(оь оь $) и Н(оь оь'я) (о~ и оэ — координаты в плоскости поперечного сечения) содержит в себе гораздо больше информации, чем может потребоваться при расчете и проектировании тракта.
В самом деле, при создании трактов интересуются главным образом передаваемой мощностью, соотношением между отраженной и падающей мощностями, а также фазовыми задержками и ослаблением мощности на участках линий передачи определенной длины. Именно эти параметры (мощность, коэффициенты передачи и коэффициенты отражения) легко определить экспериментальным путем, тогда как измерение компонентов электромагнитного поля и функций их распределения сопряжено со значительными трудностями. Подробности структуры полей, распределения и направления векторов поля после того, как выбран конкретный тип линии передачи, имеют уже второстепенное значение, и при проектировании тракта эти факторы желательно исключить.
Достигается это построением универсальной математической модели в виде эквивалентной длинной линии, В эквивалентной длинной линии векторные функции распределения полей в поперечных сечениях заменяются интегральными (усредненными) мерами электромагнитного поля — эквивалентными нормированными напряжениями падающей и отраженной волн. Нормированные на- волны, движущейся навстречу первой. Активная мощность, перено- симая падающей волной, определяется интегралом от вектора Пойн- тинга этой волны по поперечному сечению линии передачи [см, фор- мулу (П.7) приложения1: пряжения падающей и отраженной волн вводятся с помощью фор- мул й„(()=3» Р„е " е — /11 = И(0) е — /11, г й,(() — )» /з,е"~ е/11 — па(о) еА. (!.5> Согласно ().5), модули нормированных напряжений падающей и отраженной волн представляют собой квадратные корни из соответствующих мощностей и поэтому имеют размерность р Вт.
Фазы нормированных напряжений падающей н отраженной волн принимают равными фазам поперечных компонентов электрического поля для соответствующих волн. Для уяснения понятий нормированных напряжений бегущих волн обратимся к примерам. Пример 1, Коакснальный волновод с Т-волной (рис. 1.13). Волне этого типа характеризуется критической частотой ю р — — О. В поперечном сечении существуют только составляющие полей Е, н Н„, характеризующиеся одинаковым радиальным распределением: 1/г, Отношение поперечных состаэляклцих Е, н Н образует характеристическое сокрогизлекие Я =Е,/Н„. Зля Т-волн незавйсямо т от конфигурации проводников в поперечном сечений линии передачи характеристическое сопротивление определяется только параметрами однородного магнитодизлентрнческого заполнения линии: Е = )'ри/зи* Модуль вектора Пози° т тингз для бегущей Т-волны в коаксиальном волноводе Е мак лх П„(г) = — —, 4гз с где Е .* — действующее значение радиальной составляющей напряженности электрического поля окало поверхиостн внутреннего проводника при г=Л/2 (индекс шэх указывает, что это наибольшая величина внутри площади поперечного сечения).
Используя формулу (1.4), получаем ~те ож 1«/т Емз Л 1 1' Г бг»1 т1 . »т1п(Е«/Л) 2гс (1 бр г о ам Прммер й. Прямоугольный волиовод с волной типа Нм (рис. 1Л4). Электромагнитное поле волны этого типо характеризуется наличием трех компонентов: Е„„ Н н Но Поперечные компоненты Ет н Н имеют одинаковую функцию распределения з!п(пх/а) з поперечном сечения, причем в паданацей Н-волне в любом полом волноводе отношение поперечных компонентов й» н Н» одинаково в кажлой точке поперечного сеченив и равно характеристическому сопротивлению волны: н 1/» «'а 1» -~/ «'а ~1 ( "о )з~-'/т где е и Ич — диэлектрическая н магнитная проницаемость заполняющего волно:вод диэлектрика; )»э — длина волны генератора; ккр — критическая длина волны .с учетом диэлектрического заполнения. Модуль вектора Пойнтннга для бегущей волны Нм найдем по формуле и = (Ет „/Лн) а(пт(пх/а), где Ев т — действующее значение напряженности злектрнческого поля на оси волиовода, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
