ПРИМЕНЕНИЕ КРУГЛЫХ ВОЛНОВОДОВ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ
Современное состояние радиоэлектроники позволяет практически решать проблему передачи электрических сигналов по волноводам на сотни и тысячи километров. Это стало возможным благодаря успешным теоретическим и экспериментальным исследованиям распространения электромагнитных волн в волноводах круглого сечения. Было установлено, что электромагнитные волны типа Н в круглом волноводе обладают весьма малым затуханием, которое с увеличением частоты уменьшается. Наибольший интерес представляет волна H01, структура электромагнитного поля которой показана на рис. 2.19б. На рис. 2.19а показано поле обычной двухпроводной линии передачи.
В двухпроводной линии электрическое поле направлено от одного проводника к другому и в проводниках возникают токи. Направление токов меняется через интервалы, равные половине длины волны. Эти токи не уменьшаются при увеличении несущей частоты, так как они связаны с энергией, передаваемой вдоль линии. Линии же электрического поля волны Н01 замкнуты сами на себя и всегда касательны к проводящим стенкам волновода.
Рис. 2.19. Распределение электрического поля Е, магнитного поля Н и вектора Умова — Пойнтинга S в двухпроводной линии (а) и в круглом волноводе для симметричной магнитной волны Н01 (б)
Токи, текущие в стенках волновода, лишь предотвращают распространение энергии в окружающее пространство и быстро уменьшаются при увеличении частоты. Поэтому только в прямолинейном круглом волноводе существуют условия, при которых электрические силовые линии могут замыкаться сами на себя.
Используя волну Н01, можно получить для круглого волновода, выполненного из меди, очень малые значения коэффициента затухания. Для иллюстрации в табл. 2.9 приведены теоретические значения [5] коэффициента затухания волны Н01 в круглых медных волноводах.
Данные табл. 2.9 показывают, что при идеальной конструкции и прямолинейности волновода диаметром 50—60 мм длина усилительного участка, определяемая затуханием энергии в стенках волновода, может быть получена порядка 50—150 км при использовании волн длиной 6—8 мм (50—37,5 ГГц).
В реальных волноводах кроме потерь в стенках волновода необходимо учитывать поглощение энергии в газовой среде, изгибы, стыки, пленки окислов и другие неоднородности, приводящие к значительному увеличению затухания, а следовательно, к уменьшению длины усилительного участка.
Таблица 2.9
Затухание волны Η01 в круглом медном волноводе
Рис. 2.20. Затухание в линиях различных типов:
1 — воздушная линия, цепь из медных проводников диаметром 4 мм2; 2 — цепь симметричного кабеля с кордельчо-стирофлексной изоляцией с медными проводниками диаметром 1,2 мм; 3 — коаксиальная пара 2,52/9,4 мм кабеля КМБ; 4 — коаксиальная пара 5/18 мм; 5 — волновод прямоугольного сечения 7,5X15 см, волна Н01; 6 — волновод круглого- сечения из меди диаметром 10 см, волна Н11; 7 — волновод круглого сечения из меди диаметром 10 см, волна Н01, 8 — линия поверхностной волны из меди диаметром 5 мм. покрытая полиэтиленом толщиной 0,3 мм
На рис. 2.20 приведены частотные зависимости коэффициента затухания некоторых типов линий, используемых для передачи сигналов связи и телевидения на большие расстояния. Из рисунка видно, что тот или иной тип линий можно использовать в определенном диапазоне частот. Для дальней связи экономически нецелесообразны линии с коэффициентом затухания более 100 дБ/км Использование воздушных линий ограничивается по частотному диапазону до 150 200 кГц (в основном из-за взаимных влияний между цепями). Линии коаксиальных кабелей могут быть использованы для цепей дальней связи и телевидения в широком диапазоне частот. В диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц принципиально можно использовать линии поверхностной волны. Однако практическое применение таких линий для передачи сигналов на большие расстояния связано с рядом больших трудностей.
В диапазоне частот свыше 1 ГГц для передачи сигналов на большие расстояния могли бы быть использованы волноводы прямоугольного сечения. Однако малые затухания в этих волноводах могут быть получены лишь при больших габаритах, что делает их малопригодными для связи на большие расстояния. Как видно из рис. 2.20, весьма малые значения затухания могут быть получены в круглых волноводах при передаче по ним волны типа Η01. Поэтому во многих странах ведутся интенсивные исследования по практическому решению проблемы передачи по волноводам сигналов на большие расстояния с использованием волн H01.
Рис. 2.21. Зависимость коэффициента затухания волн H01 в медных круглых волноводах от длины волны при различных диаметрах волноводов (сплошные линии) и количество распространяющихся в волноводе волн различных типов (пунктирные линии)
Малые значения затухания волны H01 в круглом волноводе можно получить, если увеличивать диаметр волновода и уменьшать длину волны. Это хорошо видно из серии графиков, приведенных на рис. 2.21. Сплошными линиями показано расчетное значение коэффициента затухания для медных волноводов круглого сечения при различных диаметрах волноводов. Эти данные показывают, что с увеличением диаметра волновода затухание волны Н01 быстро уменьшается. Однако с увеличением диаметра волновода быстро увеличивается число волн других типов, одновременно распространяющихся в волноводе (пунктирные линии на рис. 2.21). Например, в волноводе диаметром 60 мм на волне длиной 6 мм может распространяться около 300 типов волн. Волны других типов имеют значительно большее затухание, чем затухание волн Н01. Поэтому потери на преобразование волн приводят к заметному увеличению потерь в волноводе.
Источниками потерь на преобразование в цельнометаллическом круглом волноводе являются также стыки отдельных секций волноводных труб, шероховатости стенок, изгибы, деформации сечения трубы и другие неоднородности. Все эти неоднородности, кроме увеличения потерь, приводят также к образованию в линии так называемого попутного потока. Последний возникает в результате вторичных преобразований волн других типов на неоднородностях и появления в линии волн H01, движущихся с фазовым смещением относительно первоначального потока. Попутный поток, отстающий по времени от основного сигнала, может привести к значительным искажениям передаваемых сигналов.
Как показали исследования [7], попутный поток создается в основном волнами типа H02, если несимметричные паразитные волны полностью отфильтрованы. При наличии несимметричных волн они будут участвовать в образовании попутного потока.
Для того чтобы потери на преобразование были достаточно малы и чтобы влияние попутного потока было минимальным, разработаны соответствующие нормы на конструктивные неоднородности в волноводной линии и минимальное затухание для паразитных волн. Так, для волновода диаметром 60 мм на волнах длиной 8 мм установлены следующие допуски на фланцевые соединения [8]: угол излома оси <0,1°, смещение осей <0,05 мм, высота ступеньки <0,05 мм. При этих допусках влиянием попутного потока на условия регенерации сигналов в линейных усилителях можно будет пренебречь, если коэффициент затухания волн будет Н12≥100 дБ/км, Н11≥90 дБ/км и Н21≥50 дБ/км.
Выполнение указанных норм в волноводе круглого сечения с цельнометаллическими стенками представляет известные трудности. Положение значительно улучшится, если цельнометаллический волновод круглого сечения покрыть с внутренней стороны тонким слоем диэлектрика [6], как показано на рис. 2.22. Такой волновод в известной степени обладает фильтрующими свойствами и позволяет существенно повысить затухание паразитных волн.
Рис. 2.22. Волновод с внутренним диэлектрическим покрытием
Рис. 2.23. Спиральный волновод.
Волны в волноводе с очень тонким диэлектрическим покрытием могут рассматриваться как слегка возмущенные волны Н и Е идеального волновода круглого сечения. Можно показать, что изменения коэффициентов распространения различных типов волн определяются следующими выражениями:
где ε — диэлектрическая проницаемость слоя покрытия; θ — толщина слоя покрытия; а — внутренний радиус цельнометаллического волновода без покрытия: λκρ — критические длины волн, определяемые по формулам (2.62) и (2.63); р'пт — корни первой производной функции Бесселя, определяемые по табл. 2.6; γп.т — коэффициенты распространения в волноводе без диэлектрического покрытия.
Приведенные формулы показывают, что изменение фазовой постоянной для симметричной магнитной волны является величиной третьего порядка относительно толщины слоя, в то время как это изменение для прочих типов волн составляет величину первого порядка. Следовательно, вырождение волн Η01 и Е01 может быть снято весьма эффективно. Дополнительное затухание волны Н01, обусловленное потерями в самом диэлектрике, будет пропорционально кубу толщины пленки. Поэтому слой диэлектрика может быть достаточно тонким.
Для определения дополнительного затухания волн Н01 обусловленного токами в стенке круглого волновода с диэлектрическим покрытием, может быть использована следующая формула:
(2.92)
где а0m — коэффициент затухания в волноводе круглого сечения без диэлектрического покрытия, определяемый по (1.68).
Для волны H01 эта формула может быть записана так:
(2.93)
Из этой формулы также видно, что для уменьшения дополнительного затухания за счет токов в стенках волновода следует брать возможно меньшую толщину диэлектрического слоя. Волноводы с диэлектрическим покрытием менее чувствительны к изгибам и позволяют уменьшить требования на прямолинейность волновода при строительстве линий.
При распространении по цилиндрическому волноводу волн типа Н01 не возникает продольных токов. Поэтому для этих типов волн нет необходимости в продольной непрерывности металлической оболочки. Здесь важно создать малое сопротивление токам, текущим по окружности волновода. Для поддержания же существования всех других типов волн в цилиндрическом волноводе необходимо, чтобы его оболочка в направлении передачи энергии не имела разрывов непрерывности. Следовательно, одним из возможных путей создания цилиндрического волновода с малыми потерями для волн Н01 и большими потерями для всех других типов волн является требование создания такого волновода, у которого были бы разрывы металлической оболочки в продольном направлении волновода и отсутствовали бы разрывы по окружности волновода. Этому условию наиболее полно отвечают волноводы, оболочка которых выполнена из чередующихся металлических и диэлектрических колец. Такой кольцевой волновод будет обладать хорошими фильтрующими свойствами.
Близким по структуре к кольцевому волноводу является спиральный волновод, представляющий собой спиральную линию из металлического провода, намотанного по винтовой линии с малым шагом (рис. 2.23). Спиральный волновод более удобен в изготовлении по сравнению с кольцевым волноводом. Провод спирали может быть круглым, прямоугольным или другой формы.
Строгая постановка задачи исследования условий распространения электромагнитных волн вдоль реальной металлической спирали с конечной проводимостью и с конечными геометрическими размерами очень сложна. При известных допущениях в настоящее время достаточно подробно изучено влияние формы провода, величины щели и шага спирали на параметры волновода [8, 9]. При определении затухания в спиральном волноводе кроме учета тепловых потерь в спирали необходимо учитывать затухание за счет излучения через щели
В спиральном волноводе потери будут увеличиваться при отклонении от идеальной геометрии цилиндра. Заметное увеличение потерь наблюдается за счет эллиптичности сечения волновода. Это связано с возникновением других типов волн при прохождении волн Н01.
В настоящее время в нашей стране подробно исследованы как теоретически, так и экспериментально все основные вопросы практического осуществления волноводных линий дальней связи [7—11]. Волноводная линия связи содержит три основных устройства:
- Линейный волновод (ЛВ) для передачи электромагнитной энергии в диапазоне 30—100 ГГц с коэффициентом затухания не более 2—4 дБ/км.
- Ретрансляционные станции (PC), в состав которых входят система образования радиостволов (СОРС), ретрансляционные усилители (РУ) и вспомогательное оборудование. К вспомогательному оборудованию относятся устройства служебной связи и телеобслуживания, устройства электропитания, система поддержания давления сухого азота во внутренней полости ЛВ для исключения поглощения электромагнитной энергии миллиметрового диапазона в парах воды и кислорода воздуха.
- Оконечные станции, состав которых подобен составу PC и отличается от PC с выделением каналов только увеличенным количеством комплектов универсальной аппаратуры уплотнения с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
Система СОРС используется для образования во всем рабочем диапазоне 30—100 ГГц унифицированных радиостволов с полосой частот порядка 250— 500 МГц, предназначенных для создания унифицированных линейных трактов, уплотненных универсальной аппаратурой ИКМ. По одному линейному волноводу можно образовать линию связи емкостью до 150 тыс. каналов.
Типовая схема линейного волновода показана на рис. 2.24. Основой линейного волновода являются волноводные секции (ВС) длиной 2,5—5 м, которые соединяются между собой специальными стыковыми сочленениями (СС). Для .неразъемных СС применяются муфты, а для разъемных — фланцы.
В линейном волноводе применяются два основных типа волноводных секций — цельнометаллическая с диэлектрической пленкой (ЦВС) и спиральная (СВС). Каждый тип секции имеет свои достоинства и недостатки.
Цельнометаллический волновод с диэлектрической пленкой на внутренней поверхности прост по конструкции и сравнительно дешев. Однако для фильтрации второй, наиболее опасной волны Н12 приходится применять фильтры паразитных типов волн (ФПТВ). В качестве таких фильтров можно использовать специальные фильтры небольшой длины (1—2 м) или несколько секций СВС Расчет показывает, что для фильтрации волны Н12 в волноводной секции с затуханием 200—500 дБ/км через каждые 50 м цельнометаллической секции необходимо вставлять 20-метровые спиральные секции. Если ФПТВ длиной 1—2 м имеет фильтрацию паразитной волны Н12 10—15 дБ, то такие фильтры можно размещать через каждые 70—100 м ЦВС. Такой линейный волновод называют комбинированным или гибридным.
Рис. 2.24. Типовая схема линейного волновода (ЛВ): СОРС — система образования радиостволов; ГС — герметизирующая секция; ВВ — воздуховод; ФПТВ — фильтр паразитных типов волн; ВС — волноводная секция; СС — стыковое сочленение; PC — раздвижное сочленение; КИ — квазиоптический изгиб; СИ — сосредоточенный изгиб; ВЧО — высокочастотный ответвитель; ВЛС — волноводная линия связи; НО — направленный ответвитель
Спиральный волновод имеет более высокие электрические характеристики по сравнению с цельнометаллическим. Он обладает большей фильтрацией основных паразитных волн: линейный волновод, собранный из одних СВС, имеет малый уровень попутного потока и меньшее значение потерь на преобразование на главных изгибах небольшого радиуса. Однако конструкция и технология изготовления СВС сложнее ЦВС, а стоимость примерно одинакова.
При прокладке волноводов в условиях реальной трассы неизбежны изгибы Изгибы с радиусом 100—200 м можно осуществлять за счет упругих свойств: волноводных секций, потери на таких изгибах составляют 0,1 дБ/рад. Для резких поворотов ЛВ применяются квазиоптические изгибы (КИ) с углами поворота 60:120° или сосредоточенные изгибы (СИ) на волноводе диаметром 20 мм. Потери в сосредоточенных изгибах лежат в пределах 0,3—0,5 дБ во всем рабочем диапазоне частот.
Для исключения молекулярного поглощения парами воды и кислородом воздуха внутреннюю полость волновода заполняют сухим азотом. Заполнение азотом и его подкачку производят через специальные волноводные элементы — воздуховоды (ВВ), а герметизацию — с помощью герметизирующей секции (ГС).
При прокладке непосредственно в грунте или на жестких креплениях волноводы благодаря специальному способу соединения не изменяют своей длины при изменении температуры. При других способах прокладки изменение длины волновода можно компенсировать волноводным температурным компенсатором. Последний используется для подгонки длин волновода и называется раздвижным сочленением (PC). В любом месте линейного волновода можно установить· дифференциальный делитель мощности и ответвить все или часть стволов. Для контроля мощности в ЛВ включается направленный ответвитель (НО).
При проектировании линейного волновода предусматриваются необходимые меры по защите ЛВ от почвенной коррозии, коррозии блуждающими токами, от ударов молнии и влияния линий электропередачи.
Суммарные потери в линейном волноводе определяются тепловыми потерями и потерями на преобразование в паразитные типы волн. Если волновод с внутренней поверхности покрыт диэлектрической пленкой, то необходимо учитывать диэлектрические потери в пленке. На рис. 2.25 приведена частотная зависимость суммарных потерь линейного цельнометаллического волновода с внутренним диаметром 60 мм и диэлектрической пленкой для усилительного участка длиной 20 км.
Рис. 2.25. Зависимость средних суммарных потерь в линейном волноводе от частоты для одного усилительного участка (20 км):
1 — удвоенные тепловые потери; 2 — диэлектрические потери в пленке; 3 — потери из-за неидеальных стыков; 4 — потери из-за технологических изгибов; 5 — потери из-за изгибов при прокладке; 6 — потери из-за квазиоптических изгибов
Строительство и испытания опытных линий, в том числе отечественных 2- и 14-километровой волноводных линий, позволили установить временные нормы на прирост первоначальных потерь в +0,5 дБ/км и на разброс первоначального среднего значения этих потерь в +0,3 дБ/км. Следовательно, для получения предельно допустимой величины потерь необходимо к величинам суммарных потерь, приведенным на рис. 2.25, прибавить 0,8 дБ/км. С учетом этого, принятая норма на затухание линейного волновода, равная 4 дБ/км, выполняется только в диапазоне частот 40—90 ГГц. Для расширения рабочего диапазона частот до 30— 100 ГГц, без уменьшения длины усилительного участка, необходимо снизить первоначальные потери на 0,8—1,0 дБ/км.
Для получения минимальных потерь токонесущая поверхность волноводов выполняется из меди. Учитывая, что глубина проникновения поля в токонесущий слой внутренней поверхности волновода составляет всего 0,36 мкм даже на самых низких частотах, выполнение всего волновода из меди нецелесообразно. Целесообразно использование биметаллической конструкции волновода. Внутри волновода должен быть тонкий медный токонесущий слой, а в качестве наружной несущей конструкции может быть применена высокопрочная стальная труба.
Внутренний диаметр волноводной секции выбирается из условия обеспечения допустимых суммарных погонных потерь волны H01. Как известно, тепловые потери с увеличением диаметра уменьшаются, а потери на преобразование, обусловленные неточностями изготовления, растут. Поэтому при определен ном уровне технологии изготовления волноводов существует область оптимальных значений внутреннего диаметра. В связи с этим у нас в стране выбран диаметр, равный 60 мм. Величина тепловых потерь для этого волновода в диапазоне 35,80 ГГц не превышает 1,2 дБ/км. В США, Франции, Англии и Японии внутренний диаметр волновода принят равным 50 мм, в ФРГ — 70 мм.
На внутреннюю поверхность стальной трубы толщиной 3,5—4 мм электролитически наносят тонкий (порядка 20 мкм) слой меди. При таких величинах медного слоя толщина его достаточно равномерна, и точность внутренней поверхности стальной трубы в основном сохраняется и для трубы, покрытой медным слоем. Далее на внутреннюю поверхность медной трубы наносят слой клеящего вещества. Внутрь волновода вводят трубку из полиэтилена низкой плотности. Откачивая воздух из промежутка между диэлектрической трубкой и волноводом, обеспечивают плотное прижатие трубки. При нагреве волновода происходит надежное приклеивание диэлектрического покрытия, толщина которого 0,2— 0,3 мм.
Спиральные волноводы имеют преимущества по сравнению с цельнометаллическими. Одно из них заключается в том, что в спиральном волноводе обеспечивается большее расфазирование между волнами Н01 и Е11 по сравнению с рас- фазированием, которое дает тонкая пленка диэлектрика в цельнометаллическом волноводе. Поэтому в спиральном волноводе потери на преобразование в волну Е11 на изгибах оси линии меньше, чем в цельнометаллическом волноводе с диэлектрической пленкой. Другое преимущество состоит в том, что из-за более высокого уровня затухания всех несимметричных волн и волн типа Е происходит «самоочищение» поля волны Н01 от волн этих типов.
Для изготовления спиральных волноводов используется тонкий эмалированный провод (0,1—0,3 мм), который наматывается спирально на токарном станке с использованием специального приспособления (оправки). Поверх провода наматывается несколько сухих слоев стеклоткани, стеклоткани с поглотителем или других материалов. Оправка с намотанными на нее слоями помещается внутрь стальной несущей трубы. Концы ее герметизируются. Из промежутка между несущей трубой и оправкой выкачивается воздух, и пустое пространство заполняется эпоксидным компаундом. Компаунд пропитывает все слои и превращает всю конструкцию в монолитное целое.
Для увеличения фильтрующих свойств спирального волновода между слоями стеклоткани наматывается на определенном расстоянии от спирали электрический экран. Он представляет собой бронзовую сетку с мелкими отверстиями (0,16X0,16 мм) и обеспечивает практически полное отражение энергии паразитных волн, проникших сквозь витки спирали в диэлектрическую оболочку.
