Лекція 11 Діел вол-ди та оптоволоконні лінії

Глава 5. Діелектричні хвилеводи.Оптоволоконні лінії передачі

Лекція 11 Діелектричні хвилеводи

Розглянуті лінії передачі, в яких фазова швидкість хвиль, що поширюються, дорівнювала швидкості світла або перевершувала її. У техніці НВЧ використовуються хвилеводні системи, в яких фазова швидкість хвиль, що поширюються, менше швидкості світла, що отримали назву повільних хвиль. Серед таких систем розглянемо діелектричні хвилеводи.

Діелектричні хвилеводи – це діелектричні стрижні різних поперечних перерізів із відносною діелектричною проникністюε1. В основі роботи цих ліній лежить явище повного внутрішнього відбиття від межі діелектрика - повітря. При співвідношенні діелектричних проникностейε1>ε2 (повітря) і при кутах падіння великих кута повного внутрішнього відбиття хвиля відчуває багаторазові відбиття від кордону діелектрик - повітря і всередині діелектрика виникає хвиля, що направляється. В силу граничних умов - безперервності тангенціальних складових електричного поляЕτ1=Eτ2 - заломлена хвиля спостерігається в другому середовищі (у повітрі) у вигляді поверхневої хвилі, що направляється. Поверхнева хвиля - це плоска неоднорідна хвиля, що розповсюджується вздовж поверхні діелектрика, її поле експоненційно зменшується у напрямку нормалі до поверхні діелектрика. Таким чином, енергія переноситься як у діелектриці, так і в прилеглому повітряному середовищі. Але оскільки коефіцієнт відображення по модулю дорівнює одиниціR=1 і енергія повинна повернутися всередину діелектрика, то заломлена хвиля, пройшовши в повітрі якийсь шлях, повертається в діелектрик. Утворюється єдина хвиля, що направляється, несучаенергію всередині діелектричного стрижня та навколо нього.

Параметри цієї хвилі, що спрямовується, визначаються параметрами обох середовищ. Наприклад, коефіцієнт фази цієї хвилі знаходиться в межахk2 <λ. Ця властивість використовується в оптичному діапазоні, де довжина хвиліλдуже мала. Діелектричні хвилеводи оптичного діапазону називаються світловодами. Як лінії передачі діелектричні хвилеводи застосовують у міліметровому (λ=10мм-1мм) та субміліметровому (λ=1мм-0,1мм) діапазонах. Вони забезпечують передачу великої потужності з малими втратами проти металевими хвилеводами. Відрізки діелектричних хвилеводів використовують із створення діелектричних антен.

Оптоволоконні лінії передачі

У світловому діапазоні хвиль як хвилепровідні пристрої використовуються так звані світловоди, які є основою волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ). Світловоди є конструктивною модифікацією діелектричних хвилеводів. Волоконний світловод складається з діелектричного сердечника та захисної діелектричної оболонки з діаметрами

і(рис. 5.3) та коефіцієнтами заломленняі.

Мал. 5.3 Волоконний світловод

При передачі хвиль по світловодах також використовується явище повного внутрішнього відбиття на межі розділу діелектриків з різними коефіцієнтами заломлення – сердечник та оболонка. Поверхнева хвиля, що виникає при цьому, поширюється в захисній оболонці, енергія, що переноситься, зосереджена в сердечнику і оболонці. Як матеріали сердечника та оболонки часто використовують кварцове скло, леговане германієм, фосфором, або бором. Таке скло має дуже малі втрати. Типова залежність коефіцієнта загасання в дБ/км в кварцовому світловоді показана на рис.5.4.

Мал. 5.4 Коефіцієнт згасання

Є три мінімуми (три вікна прозорості), де втрати малі:

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,

що у десятки сотні разів менше загасання цих хвиль у атмосфері.

По волоконному світловоду, як і діелектричному хвилеводі, можуть поширюватися гібридні хвилі.

Можливе кілька режимів роботи ліній.

Мал. 5.5. Ефект повного внутрішнього відображення

Одномодові режими існують в оптоволоконної лінії з тонким сердечником (

= 3 - 5 мкм), що не допускає поширення найвищих типів хвиль. Діаметр захисної оболонки= 50 мкм. На рис. 5.5 показані перерізи світловода та шляхи поширення хвиль.

Гідність одномодових оптоволоконних ліній полягає в мінімальній дисперсії та малих втратах. Це дозволяє використовувати дані лінії у магістральних високошвидкісних каналах зв'язку.

Мал. 5.6. Одномодовий хвилевід

Багатомодові хвилеводи використовують при побудові місцевих локальних мереж зв'язку. Вони мають товстіший сердечник з

= 50 мкм і допускають на робочій частоті збудження хвиль багатьох типів. Кожна з хвиль поширюється зі своєю швидкістю, що призводить до розмивання імпульсів бітових інформаційних послідовностей та обмежує як довжину ліній зв'язку, так і їхню швидкість (рис. 5.7). Діаметр захисної оболонки становить= 120 мкм.

Мал. 5.7. Багатомодовий хвилевід

Для збереження досить великих діаметрів сердечника і зменшення явища дисперсії використовуються звані градієнтні хвилеводи з

= 50 мкм,= 80 мкм. У такому світловоді застосовується сердечник, коефіцієнт заломлення якого неоднорідний ізменшується за певним законом від осі хвилеводу до межі осердя-оболонка. Найчастіше практично використовуються градієнтні волокна з параболическим законом зміни коефіцієнта заломлення. Градієнтні оптоволоконні лінії займають проміжне положення між багатомодовими та одномодовими лініями (рис. 5.8).

Мал. 5.8. Градієнтний хвилевід

Зовні оптоволоконні лінії захищені діелектричною трубкою. У кабелі одночасно є кілька волокон. Зовнішня оболонка захищає як від кліматичного, так і механічного впливу на оптоволоконний кабель.

Контрольні питання

Поясніть фізичні принципи, що пояснюють роботу діелектричних хвилеводів та оптоволоконних ліній.

Поясніть відмінності багатомодових, одномодових та градієнтних оптоволоконних ліній.

Поясніть причини, що не дозволяють застосовувати багатомодові лінії при побудові високошвидкісних мереж з довгими ділянками.

---