Основные типы линий передачи СВЧ

 
Содержание

Литература    ? где

 

Введение

Линии связи  возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линии  связи были кабельными. Однако вследствие несовершенства конструкции кабелей подземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным. Первая воздушная линия большой протяженности была построена в 1854 г. между Петербургом и Варшавой. В начале 70-х годов прошлого столетия была построена воздушная телеграфная линия от Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1939 г. была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по протяженности высокочастотная телефонная магистраль Москва—Хабаровск длиной 8300 км.

Создание первых кабельных линий связано с именем русского ученого П. Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге демонстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели созданный им изолированный проводник.

В 1851 г. одновременно с  постройкой железной дороги между Москвой и Петербургом был проложен телеграфный кабель, изолированный гуттаперчей. Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй кабельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией и США.

В 1882—1884 гг. в Москве, Петрограде, Риге, Одессе были построены  первые в России городские телефонные сети. В 90-х годах прошлого столетия на городских телефонных сетях Москвы и Петрограда были подвешены первые кабели, насчитывающие до 54 жил. В 1901 г. началась постройка подземной городской телефонной сети.

Первые конструкции  кабелей связи, относящиеся к  началу XX века, позволили осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния.

Это были так называемые городские телефонные кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной их скруткой. В 1900—1902 гг. была сделана успешная попытка  повысить дальность передачи методами искусственного увеличения индуктивности  кабелей путем включения в цепь катушек индуктивности (предложение Пупина), а также применения токопроводящих жил с ферромагнитной обмоткой (предложение Крарупа). Такие способы на том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефонной связи в несколько раз.

Важным этапом в развитии техники связи явилось изобретение, а начиная с 1912—1913 гг. освоение производства электронных ламп. В 1917 г. В. И. Коваленковым был разработан и испытан на линии телефонный усилитель на электронных лампах. В 1923 г. была осуществлена телефонная связь с усилителями на линии Харьков—Москва—Петроград.

В 30-х годах началось развитие многоканальных систем передачи. В последующем стремление расширить  спектр передаваемых частот и увеличить  пропускную способность линий привело  к созданию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Но массовое изготовление их относится лишь к 1935 г., к моменту появления новых высококачественных диэлектриков типа эскапона, высокочастотной керамики, полистирола, стирофлекса и т. д. Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких миллионов герц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. Первая коаксиальная линия на 240 каналов ВЧ телефонирования была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.

В 1965—1967 гг. появились опытные волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабельные линии с весьма малым затуханием. С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.

Создание волоконного  световода и получение непрерывной  генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром  развитии волоконно-оптической   связи. К началу 80-х годов были разработаны и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические системы связи. Основные сферы применения таких систем — телефонная сеть, кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.

В России и других странах  проложены городские и междугородные  волоконно-оптические линии связи. Им отводится ведущее место в  научно-техническом прогрессе отрасли  связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общие сведения о линиях передачи СВЧ

Линией передачи СВЧ называется устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. Направление распространения определяется взаимным расположением источника электромагнитных колебаний и нагрузки в линии передачи. Источником электромагнитных колебаний может служить, например, генератор, подключенный к линии передачи, приемная антенна или устройство возбуждения линии передачи, отбирающее часть электромагнитной энергии от другой линии передачи или какого- либо устройства СВЧ. Нагрузкой линии передачи может служить устройство, преобразующее электромагнитную энергию (например, в тепло), излучающая (передающая) антенна, входные цепи приемника и т.п.

К СВЧ-устройствам относятся линии передачи и преобразователи СВЧ-энергии, ответвители, фильтры, вентили и т.д. Совокупность СВЧ- устройств, сочлененных определенным образом, образует тракт СВЧ.

Различают регулярные и нерегулярные линии передачи. У регулярной линии передачи в продольном направлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойства заполняющих сред Если одно из условий регулярности отсутствует, то такая линия является нерегулярной.

Длина волны	Термин	Частота	Термин
100...10 км	Мириаметровые волны	3...30 кГц	Очень низкие частоты (ОНЧ)
10...1 км	Километровые волны	30...300 кГц	Низкие частоты (НЧ)
1000... 100 м	Гектометровые волны	300...3000 кГц	Средние частоты (СЧ)
100 ЛОм	Декаметровые волны	3...30 МГц	Высокие частоты (ВЧ)
10...1 м	Метровые волны	30 300 МГц	Очень высокие частоты (ОВЧ) 1
100...10см	Дециметровые волны	300...3000 МГц	Ультравысокие частоты (УВЧ)
10. 1 см	Сантиметровые волны	3...30 ГГц	Сверхвысокие частоты (СВЧ)
10... 1 мм	Миллиметровые волны	30...300 ГГц	Крайневысокие частоты (КВЧ)
1...0.1 мм	Децимиллиметровый диапазон	300...3000 ГГц	Гипервысокие частоты (ГВЧ)

Линия передачи, заполненная  однородной средой, называется однородной. В противном случае — неоднородной.

Линии передачи классифицируются по диапазонам частот.

 

Линии передачи классифицируются по типам используемых волн: линии передачи с поперечной электромагнитной волной (Г-волной); линии передачи с магнитной волной (Н -волной); линии передачи с электрической волной (Е -волной); линии передачи с гибридной волной.

Линия передачи, конструкция  которой не допускает упругого или пластичного изгиба, называется жесткой; в противном случае гибкой. Волноводом называется линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Если такой проводящий контур отсутствует, то линия передачи называется открытой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проволочные линии  передачи

К проволочным линиям передачи относятся воздушные двухпроводные и четырехпроводные линии передачи. На рис. 1 представлены поперечные сечения таких линий передачи. Проводники линии могут быть покрыты диэлектриком. Основным типом волны в них является Т-волна. В четырехпроводных линиях возбуждаются попарно соединенные проводники, например вертикальные, горизонтальные или диагональные. Такие линии передачи используются в диапазонах гектометровых, декаметровых и метровых волн.

Рис. 1 Поперечные сечения проволочных линий: а — двухпроводной: б – четырехпроводной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полосковые  линии передачи

К полосковым линиям передачи относятся несимметричная и симметричная полосковые линии, щелевая и коплан а р н а я линии. Поперечные сечения таких линий и структура полей в них представлены на рис 1. Они применяются в диапазонах метровых, сантиметровых и длинноволновой части миллиметровых волн. Основной волной несимметричной и симметричной полосковых линий является Г-волна. В щелевой и копланарной линиях основной является Н –волна.

 

Рис. 1. Поперечные сечения полосковых линий передачи: а - несимметричной; б - симметричной; б- щелевой; г - копланарной

 

В настоящее время  в микроэлектронике СВЧ широкое  применение получили интегральные схемы. Основу таких схем составляют, как правило, отрезки микрополосковых линий (МПЛ) в виде тонких слоев металла, нанесенных на листы диэлектрика (подложки) с диэлектрической проницаемостью 10 и более. (На практике в МПЛ применяют подложки и с меньшей диэлектрической проницаемостью, например из плавленного кварца

(e = 3,78)). Наиболее распространены экранированные несимметричные МПЛ (рис. 1.1). МПЛ используют во всем диапазоне СВЧ. По сравнению с полыми волноводами МПЛ обладают рядом недостатков – имеют более высокие погонные потери и сравнительно низкую передаваемую мощность (средняя мощность – десятки ватт, импульсная – единицы киловатт). Кроме того, открытые МПЛ излучают энергию в пространство, из-за чего могут возникать нежелательные электромагнитные связи.

Но МПЛ обладают и  важными достоинствами. Они имеют малые габариты и массу, дешевы в изготовлении, технологичны и удобны для массового производства методами интегральной технологии, что позволяет реализовывать на пластине из металлизированного с одной стороны диэлектрика целые узлы и функциональные модули в микрополосковом исполнении.

До последнего времени анализ и расчет параметров МПЛ проводились в квазистатическом приближении, т.е. в предположении, что  в МПЛ распространяется лишь Т-волна. Такое приближение позволяет  получить удовлетворительные результаты только в наиболее длинноволновой части диапазона СВЧ, когда длина волны значительно превышает поперечные размеры линии. С повышением частоты, по мере продвижения в область сантиметровых волн и освоения миллиметровых волн, квазистатический метод дает все большую погрешность. Это связано с тем, что не учитывается дисперсионность линии (зависимости параметров от частоты) и наличие в ней волн высших типов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диэлектрические линии передачи

Диэлектрические линии передачи классифицируются в зависимости от формы поперечного сечения. Некоторые из них представлены на рис. 1.4. Такие линии используются в диапазоне миллиметровых волн. Основным типом волны является гибридная НЕ -волна.

При удалении от диэлектрика  амплитуда волны, распространяющейся по линии, быстро убывает. Наличие металлического экрана в зеркальных диэлектрических линиях позволяет сохранять поляризационную структуру поля распространяющейся волны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Волоконно-оптических линии передачи

В основе построения волоконно-оптических линии передачи (ВОЛС) положен принцип передачи по волокну световых волн на большие расстояния. При этом электрические сигналы (видео сигналы от видеокамер, сигналы управления видеокамерами и данные), поступают на вход оптического передатчика по оптоволокну, и далее преобразуются в световые импульсы, передача по волокну которых происходит с минимальными искажениями.

Большое распространение  волоконно-оптические линии получили благодаря целому ряду достоинств, которые отсутствуют при передаче сигналов по медным кабелям (коаксиальные и витая пара) или по радио, в качестве среды передачи:

• широкая полоса пропускания
• малое затухание сигналов
• отсутствие электромагнитных помех
• дальность передачи на десятки километров
• срок службы более 25 лет
• и другие

При построении волоконно-оптических линий связи ВОЛС используют многомодовое и одномодовое оптоволокно.

Оптическое волокно  состоит из ядра и оболочки. Материалом ядра оптоволокна служит сверхчистое кварцевое стекло, с помощью которого и осуществляется передача сигнала по оптоволокну. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала ядра (N1) больше чем у оболочки (N2). Так происходит полное отражение светового луча внутри ядра оптоволокна.

Многомодовое оптоволокно 50/125 nm и 62,5/125 nm позволяет передавать одновременно несколько сотен разрешенных световых мод, вводимых в оптоволокно под разными углами. Все разрешенные моды имеют разные траектории распространения и, соответственно, различное время распространения по оптическому волокну. Поэтому многомодовое оптоволокно имеет один главный недостаток — большая величина модовой дисперсии, ограничивающая полосу пропускания, — из-за которого оптический передатчик по оптоволокну имеет малую дальность передачи.

С помощью многомодового оптоволокна в волоконно-оптических линиях линиях связи (ВОЛС) осуществляется передача данных по оптоволокну на расстояние не более 4–5 км.

Для уменьшения модовой  дисперсии и сохранения высокой полосы пропуская, на практике применяют волоконно-оптические линии с градиентным профилем показателя преломления сердцевины кабеля.

В отличие от стандартных многомодовых оптических волокон, имеющих постоянный профиль преломления материала ядра, такое оптоволокно имеет показатель преломления N, который плавно уменьшается от центра к оболочке.

Одномодовое оптическое волокно 9/125 nm сконструировано таким образом, что в ядре оптоволокна может распространяться только одна. 
 

 

Именно поэтому такие  оптические волокна имеют наилучшие характеристики, и наиболее активно используются при строительстве ВОЛС.

Основные преимущества одномодовых оптических волокон — малое затухание 0,25 db/км , минимальная величина модовой дисперсии и широкая полоса пропускания — благодаря которым обеспечивается бесперебойная передача по оптоволокну электрических сигналов