Ефимов И. Е., Шермина Г. А.
Волноводные линии передачи. — Москва: Связь, 1979.
В книге рассматриваются современные типы волноводных направляющих систем: волноводы прямоугольного, круглого, П- и Н-образного сечений, эллиптические и диэлектрические волноводы, линии передачи поверхностной волны и световоды. Приводятся конструктивные и электрические характеристики различных типов линий передачи и методы их расчета.
Книга предназначена для инженеров и техников связи кабельной и радиоэлектронной промышленности.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Волноводные направляющие системы широко применяются для передачи высокочастотной энергии в радиоэлектронной аппаратуре. Основным преимуществом этих систем является широкий диапазон частот, обеспечивающий возможность получения практически неограниченного числа телефонных и телевизионных каналов.
В книге наряду с теоретическими основами и методами расчета приведены конструктивные и электрические характеристики современных волноводных направляющих систем.
Книга содержит семь глав. В гл. 1 даны основные положения теории электромагнитного поля, необходимые при рассмотрении всего последующего материала. Глава 2 посвящена рассмотрению волноводов прямоугольного, круглого, П- и Н-образного сечения. В гл. 3 рассмотрены эллиптические волноводы, получившие в последнее время практическое применение. Полосковым линиям передачи посвящена гл. 4, а в гл. 5 и 6 описываются соответственно диэлектрические волноводы и линии передачи поверхностной волны.
Современные успехи в области квантовой электроники привели к появлению новых типов волноводных направляющих систем в оптическом диапазоне волн — световодов. Рассмотрению этого нового перспективного способа передачи информации посвящена гл. 7.
Авторы выражают благодарность рецензенту канд. техн, наук К. В. Лебедеву за ряд ценных замечаний, канд. техн. наук Г. И. Трошину, написавшему гл. 3 по эллиптическим волноводам, д-ру техн, наук В. Ф. Взятышеву, канд. техн. наук Η. П. Керженцевой, д-ру техн, наук В. Н. Сретенскому, канд. техн. наук К. Л. Бирюкову, переработавшему гл. 4, канд. техн. наук А. Г. Меньшикову и В. А. Маковскому за полезные замечания и дополнения по отдельным главам рукописи, а также В. И. Шермину, канд. техн. наук В. И. Ефимову и З. Н. Рябининой за помощь, оказанную ими при создании этой книги.
Отзывы и пожелания по книге следует направлять по адресу: 101000, Москва, Чистопрудный бульвар, 2, издательство «Связь».
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап научно-технической революции характеризуется стремительным развитием техники связи. Успехи микроэлектроники в создании линейных интегральных микросхем (усилители, преобразователи частоты, детекторы и др.) стимулировали внедрение этих схем в аппаратуру связи. Если в прошлом связь в значительной мере определялась взаимодействием человека с человеком, то теперь появились новые, непрерывно развивающиеся методы взаимодействия человека с ЭВМ и ЭВМ с ЭВМ. Основными тенденциями развития сетей связи стали: непрерывное расширение видов и объемов передаваемой информации; рост требований к верности доставляемой информации; уменьшение времени, затрачиваемого абонентом при пользовании средствами связи; увеличение числа услуг связи, предоставляемых населению и народному хозяйству.
Развитие средств связи в нашей стране идет по пути создания Единой автоматизированной сети связи. Создаются первичная сеть междугородных каналов, организованных по кабельным, радиорелейным, спутниковым и другим линиям, и вторичные сети со своими системами коммутации для различных видов информации. Многообразие форм обслуживания абонентов — телефон, телеграф, фототелеграф, видеотелефон, передача данных, телевидение, радиовещание и другие — вызывает целесообразность «универсализации» (интеграции) сетей связи на единой технической основе. В настоящее время такой технической основой является использование аналоговых сигналов и частотного уплотнения.
Вследствие значительного неуклонного роста парка ЭВМ, а следовательно, и объемов передачи данных на основе цифровых методов интегральные сети связи будут развиваться, главным образом, за счет использования двоичных сигналов и временного уплотнения. Элементной базой аппаратуры этих сетей будут интегральные микросхемы. Ведутся разработка и внедрение волноводных линий связи, работающих на миллиметровых и субмиллиметровых волнах, позволяющих увеличить емкость линии до сотен тысяч телефонных и телевизионных каналов. Характерной особенностью таких линий является применение различных видов металлических и диэлектрических волноводов, линий передачи поверхностней волны, полосковых линий передачи и интегральных микросхем СВЧ диапазона. Идут интенсивные исследования в области оптической связи, которая открывает практически неограниченные возможности создания направленных пучков каналов. Ожидается широкое развитие систем спутниковой связи в районах, где они окажутся экономически выгоднее наземных систем связи. Связь через искусственные спутники Земли будет охватывать подвижные объекты (самолеты, корабли, космические аппараты).
Большие возможности для абонентов открывает система кабельного телевидения. Появляется принципиально новая возможность — обратная связь абонента с источником видеоинформации (например, получение программы по запросу, участие абонента в учебной программе, видеотелефонная связь между абонентами и пр.). Все эти перспективные направления связи будут развиваться на основе использования различных видов направляющих систем передачи электромагнитных сигналов.
В общем случае направляющие системы электромагнитных сигналов могут быть разделены на воздушные линии связи, кабельные линии связи и волноводные линии передачи. Воздушные и кабельные линии связи широко используются в настоящее время для передачи электромагнитных сигналов на большие расстояния. Кабельные линии связи и особенно коаксиальные являются основными направляющими системами для городских, междугородных и международных линий передачи.
Волноводные линии передачи обладают большими потенциальными возможностями и в недалеком будущем получат широкое развитие. Основным их достоинством является большая частотная широкополосность, что обеспечивает возможность получения практически неограниченного числа каналов связи. На рис. В.1 показано ориентировочное распределение различных направляющих систем по частотному диапазону, а в табл. В.1 приведена принятая классификация диапазонов радиочастот и радиоволн. В табл. В.1 принято, что диапазоны радиочастот включают наибольшую частоту и исключают наименьшую, а диапазоны радиоволн включают наименьшую длину волны и исключают наибольшую. Представляет интерес деление диапазона радиоволн на поддиапазоны, приведенные в табл. В.2.
В настоящем издании книги рассмотрены металлические волноводы различного поперечного сечения, полосковые линии передачи, диэлектрические волноводы, линии передачи поверхностной волны и световодные линии передачи. Рассмотрим кратко общие свойства этих направляющих систем электромагнитных сигналов.
Рис. В.1. Области применения радиочастотных линий передачи в зависимости от диапазона частот
Металлические волноводы представляют собой направляющую систему для распространения электромагнитных волн внутри замкнутого металлического трубопровода. Поперечное сечение металлического волновода бывает прямоугольным, круглым, эллиптическим, П- и Н-образным и т. п. Внутри такого волновода, вдоль его оси, распространяется волновое поле, которое является результатом многократного отражения волн от внутренних стенок волновода и интерференции отраженных волн. Таблица B.l
Классификация диапазонов радиочастот и радиоволн
Таблица В.2
Деление диапазона радиоволн на поддиапазоны
Вследствие этого распространение волн в таких замкнутых волноводах возможно только в том случае, если поперечные размеры волновода сравнимы с длиной волны λ. Так, например, для λ=30 см больший размер сечения прямоугольного металлического волновода равен 20—25 см. На более длинных волнах размеры металлических волноводов будут еще больше. Поэтому металлические волноводы применяются, главным образом, в области сверхвысоких частот.
Основным преимуществом металлических волноводов по сравнению с двухпроводной симметричной и коаксиальной линиями являются малые потери на СВЧ, что обусловлено практическим отсутствием излучения энергии в окружающее пространство и большей поверхностью проводников, по которым течет электрический ток. К недостаткам металлических волноводов можно отнести наличие нижнего предела пропускаемых частот, громоздкость конструкции на дециметровых и более длинных волнах, необходимость большой точности изготовления и специальной обработки внутренней поверхности стенок.
Особое место среди металлических волноводов занимает волновод, по которому распространяется волна Н01. Эта волна в круглом волноводе обладает тем исключительным свойством, что потери на стенках волновода непрерывно уменьшаются с ростом частоты. Пользуясь этим, можно строить волноводные линии дальней связи в диапазоне миллиметровых волн с усилительными станциями через 40—50 км. По этим линиям можно организовать тысячи телефонных и сотни телевизионных каналов. Основная трудность в практическом построении таких линий заключается в обеспечении необходимой «чистоты» поля волны Н01 по всей линии за счет устранения других типов волн, возникающих под воздействием различного рода неоднородностей, а также в сложности прокладки.
Полосковые линии передачи, называемые иногда ленточными, имеют в сечении плоскую конструкцию, и их токопроводящая часть представляет собой тонкие металлические ленты. Полосковые линии компактны и удобны в производстве. Они получили широкое применение при монтаже радиоэлектронных устройств, где требуются линии плоской конструкции, а обычные симметричные и коаксиальные кабели малопригодны.
Полосковые линии выгодно отличаются малыми габаритами и простотой конструкции, но имеют недостатки открытой линии (излучение, помехи и т. д.). Полосковая линия так же, как симметричная и коаксиальная, используется для передачи основной волны типа Т. Сравнивая их по наличию внешнего поля и излучению, следует отметить, что полосковая линия занимает промежуточное положение, имея лучшие характеристики по сравнению с симметричной цепью и существенно уступая коаксиальной цепи как полностью закрытой системе, не имеющей внешнего поля.
Линия передачи поверхностной волны представляет собой металлический провод (ленту), на который нанесено диэлектрическое покрытие или ребристая структура. Энергия поля сосредоточена в окружающем пространстве. Такая линия обладает меньшим затуханием, чем металлический волновод, и проще по конструкции. Являясь открытой системой, она подвержена влиянию всевозможных помех и, кроме того, имеет значительное затухание за счет потерь в диэлектрике и потерь на излучение.
Линии поверхностной волны применяются как направляющие системы и как излучающие элементы в антеннах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.
Для передачи сантиметровых и миллиметровых волн могут быть использованы диэлектрические волноводы, представляющие собой круглые или прямоугольные стержни высокочастотного диэлектрика.
В этом волноводе поверхностью раздела, направляющей волну, служит внутренняя поверхность диэлектрического стержня. В отличие от металлического волновода, имеющего на частоте ниже критической бесконечно большое затухание, в диэлектрическом волноводе ниже определенной частоты волны вообще не могут существовать, они рассеиваются в окружающем пространстве, и передача невозможна. Диэлектрические волноводы чувствительны к внешним воздействиям и имеют дополнительные потери, связанные с просачиванием энергии за пределы волновода, что затрудняет их широкое практическое использование.
В последние годы благодаря большим успехам в области квантовой радиоэлектроники получают развитие оптические системы связи, перспективность которых обусловлена возможностью передачи огромного количества информации на большие расстояния при малых затратах энергии.
В настоящей книге рассматривается лишь основная часть оптической системы связи — световоды. Световод, или световой волновод, представляет собой устройство для направленной передачи световой энергии. Световоды имеют различную конструкцию. Одним из типов световодов является линзовый волновод. Он представляет собой систему заключенных в трубу и расположенных на определенных расстояниях (50—100 м) стеклянных линз, которые служат для периодической корреляции волнового фронта светового пучка.
В качестве корректоров могут также применяться газовые линзы или зеркала определенной формы. Однако наиболее перспективны волоконные световоды. Волоконный световод представляет собой тонкую двухслойную стеклянную нить круглого сечения из стекол с различными оптическими характеристиками. В зависимости от назначения волновода диаметр внутреннего сердечника может быть в пределах от нескольких микрометров до десятков микрометров, а диаметр двухслойной стеклянной нити — от десятков до сотен микрометров. При прохождении света по волокну лучи испытывают полное внутреннее отражение на поверхности сердечника и оболочки и распространяются только по сердечнику. Величины диаметра сердечника и отношение показателей преломления сердечника и оболочки определяют число типов волн (мод), которые могут распространяться по световоду при заданной длине волны света. Выбирая определенным образом диаметр сердечника и отношение показателей преломления сердечника и оболочки, можно получить одномодовый световод. По такому стекловолокну можно организовать десятки и сотни тысяч каналов связи. Волокна комплектуются в пучки, а из них собирается оптический кабель. Снаружи располагается защитная пластмассовая оболочка и в случае необходимости броневой покров. Такой кабель можно наматывать на барабан и прокладывать в земле или подвешивать.
Оптические системы связи весьма перспективны и в недалеком будущем могут стать основным видом междугородной и внутригородской связи.
