Файл: Конспект лекций по учебной дисциплине направляющие системы связи По специальности (направлению подготовки) 11. 03. 02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 253
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
В диэлектрике симметричной цепи действуют два процесса:
1. Поляризация и образование диполей
2. Переориентация диполей с частотой сигнала.
При переориентации диполей за счёт их трения выделяется тепловая энергия.
Поэтому с ростом частоты в любой изоляции тепловые потери возрастают.
Величина таких потерь количественно характеризуется значением тангенса
диэлектрических потерь tg. Чем он больше, тем больше потери и хуже изоляция.
tg бумаги = 2∙10
-2
, tg полиэтилена = 2∙10
-4
Рассмотрим расчётные формулы для потерь:
Проводимость изоляции
:
Вторичные параметры передачи симметричных цепей.
Для симметричных цепей справедливы те же самые формулы, что и для коаксиальных цепей, однако в ряде случаев удобнее выражать вторичные параметры симметричных цепей через конструктивные размеры, и параметры проводников и изоляции.
При этом для медных симметрических цепей:
ёмкости
изменения
т
коэффициен
км
Ф
r
r
a
С
км
Ф
Э
a
0 0
6 6
0
ln
36 10 36 10
Э
f
из
f
Э
Ctg
G
R
G
G
G
Ctg
G
1 0
0
B
Z
v
3 5
2 2,6 10 1
9,08 10 ,
2
ln
f
r
äÁ
f
tg
a
r
r
a
êì
r
120
ln
,
Â
a
r
Z
Î ì
r
C
c
v
Лекция №6
6.1 Волоконные световоды. Принцип действия, параметры передачи
В отличие от волноводов, волоконные световоды имеют двухслойную структуру и фактически являются частным случаем диэлектрических волноводов. Волоконные световоды могут быть изготовлены из окиси кремния
SiO2 с высокой степенью очистки (10
-9
примесей).
В простейшем случае волоконные световоды могут быть полимерными.
Показатель преломления:
n
т.к.
1
Сердцевина должна быть оптически более плотной, чем оболочка.
Волокна делятся на: ступенчатые
1 2
è
n
const
n
const
градиентные
1
( ).
n
f r
В зависимости от диаметра сердцевины волокна подразделяются на многомодовые (5062,5мкм), и одномодовые (810мкм).
Ступенчатый показатель преломления:
По оболочке и много- и одномодовые волокна имеют одинаковый диаметр
125мкм.
Градиентные волокна, как правило, многомодовые.
n
1
n
2
n=1
d
c
Относительный показатель преломления ОВ:
1 2
1
[ 0,001...0,01]
n
n
n
Число распространяемых мод:
2 1
dc
N
n
Мода – это электромагнитный образ волны, характеризуется числом минимумов и максимумов волны в поперечном сечении сердцевины световода.
Как правило, в волноводах распространяются гибридные моды HE
nm или
EHnm, где n – по периметру, m – по диаметру.
H11 – мода одномодового режима.
n
1
n
2
n=1
d
c
1
( ).
n
f r
В зависимости от диаметра сердцевины волокна подразделяются на многомодовые (5062,5мкм), и одномодовые (810мкм).
Ступенчатый показатель преломления:
По оболочке и много- и одномодовые волокна имеют одинаковый диаметр
125мкм.
Градиентные волокна, как правило, многомодовые.
n
1
n
2
n=1
d
c
Относительный показатель преломления ОВ:
1 2
1
[ 0,001...0,01]
n
n
n
Число распространяемых мод:
2 1
dc
N
n
Мода – это электромагнитный образ волны, характеризуется числом минимумов и максимумов волны в поперечном сечении сердцевины световода.
Как правило, в волноводах распространяются гибридные моды HE
nm или
EHnm, где n – по периметру, m – по диаметру.
H11 – мода одномодового режима.
n
1
n
2
n=1
d
c
Лучи света, распространяющиеся по волоконному световоду имеют двойственную природу:
Волновую, которая характеризует луч света как электромагнитную волну очень высокой частоты 10 13
– 10 15
Гц.
Квантовую, т.е. представляет собой дискретные пучки квантов или корпускул излучаемых источником и распространяющихся по законам геометрической оптики.
Соответственно существуют две теории света:
Волновая
Корпускулярная (квантовая).
Строгое исследование процесса распространения света может быть выполнено только на основе волновой теории путем решения систем уравнений Максвелла для соответствующих граничных условий. Однако, в большинстве случаев, когда
x
dc
можно воспользоваться простой квантовой теорией на основе законов геометрической оптики.
Рассмотрим процессы в световоде согласно данной теории.
0 1
1 2
2 1
n
n
Согласно закону Снеллиуса
1 2
2 1
sin sin
n
n
1
0
2
n
1
n
2
1
0
2
1
0
2
n
1
n
2
1
=
КР
0
2
=90
Закон I Прямолинейное распространение света в оптической среде.
Закон II Независимости световых пучков или лучей, согласно которому в оптической среде могут существовать бесконечное количество независимых лучей.
Закон III На границе оптически однородной среды существует отраженный луч, причем угол падения луча на границу раздела сред будет равен углу отражения.
Закон IV –Закон Снеллиуса, который определяет наличие полного внутреннего отражения, когда
1 2
n
n
Защита волокна.
Основной защитой волокна от механических разрушений и развития микротрещин является первичное защищающее упрочняющее покрытие
(ПЗУП). Как правило, ПЗУП представляет собой эпоксиакрилатный лак, нанесенный методом напыления (экструзии) на поверхность оболочки.
Наряду с ПЗУП обычно существует ВЗУП, выполненное также из лака или полиэтилена высокой плотности. Все волокна для кабелей дальней связи имеют
ВЗУП лаковое, станционные – полимерное ВЗУП. Диаметр волокна с защитным покрытием составляет величину 240700мкм.
Апертура
Апертурным углом А называют угол между осью и направляющей светового конуса, для которого выполняется условие полного внутреннего отражения для всех лучей, попадающих в пределы данного конуса. Таким образом, апертурному углу соответствует предельный угол полного внутреннего отражения.
А
кр
Лучи, для которых выполняется условие полного внутреннего отражения, называются направляемыми лучами.
Лучи, покидающие пределы сердцевины, т.е. преломленные подразделяются на вытекающие и излучаемые. Таким образом, полезными для передачи информации являются только направляемые лучи. Излучаемые и вытекающие лучи являются паразитными и приводят к потере световой энергии. Поэтому стараются световой поток от источника излучения направить в торец ОВ под углом не больше апертурного, чтобы большая часть энергии распространялась в виде направляемых лучей. Кроме перечисленных выше, все лучи делятся на
меридиальные и косые. Все направляемые лучи являются меридиальными. Все паразитные лучи в основном косые.
А
B d
Как и у обычного волновода, у волоконного световода существует своя критическая длина волны кр и частота отсечки f0.
2 1
2 2
1
sin
1
cos
n
n
d
B
2 2
2 1
1 2
1 2
1
n
n
n
d
n
n
d
kp
2 2
2 1
0 1
n
n
d
c
f
2 2
1 2
sin
A
NA
n
n
– числовая апертура
2 2
2 2
1
n
n
NA
ЭФ
– эффективная числовая апертура
По величине NA все волокна делятся на 2 вида: низкоапертурные (NA=0,1…0,2) высокоапертурные (NA=0,2…0,5).
Рассматривая затухание светового луча в световоде, изобразим графически частотную зависимость.
А
B d
Как и у обычного волновода, у волоконного световода существует своя критическая длина волны кр и частота отсечки f0.
2 1
2 2
1
sin
1
cos
n
n
d
B
2 2
2 1
1 2
1 2
1
n
n
n
d
n
n
d
kp
2 2
2 1
0 1
n
n
d
c
f
2 2
1 2
sin
A
NA
n
n
– числовая апертура
2 2
2 2
1
n
n
NA
ЭФ
– эффективная числовая апертура
По величине NA все волокна делятся на 2 вида: низкоапертурные (NA=0,1…0,2) высокоапертурные (NA=0,2…0,5).
Рассматривая затухание светового луча в световоде, изобразим графически частотную зависимость.
f
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0
f
свет в волокне
2
х проводная
НСЭ
Наряду с лучевой теорией распространения света ряд процессов (в частности дифракция, интерференция) могут быть пояснены только с использование волновой теории света.
6.2 Волновая теория света
Согласно этой теории систему уравнений Максвелла можно представить в виде волнового уравнения 2-го порядка при рассмотрении процессов в сердцевине и оболочке. Рассмотрим волновое уравнение для составляющей электрического поля, действующего вдоль оси Z в сердцевине световода.
0 1
1 2
1 2
2 2
2 2
Z
Z
Z
Z
E
g
E
r
r
E
r
r
E
Аналогично волновое уравнение можно составить для НЭ:
2 1
g
– поперечный коэффициент распространения в сердцевине
2 2
1 2
1
k
g
, где
k
1
– волновое число среды,
1 1
2 n
k
– коэффициент распространения в волоконном световоде.
Для оболочки световода уравнение будет аналогичным. В уравнении вместо
2 1
g
будет
2 2
g
– поперечный коэффициент распространения в оболочке световода.
2 2
2 2
2
k
g
, где
2 2
2 n
k
Решением данных волновых уравнений являются функции Ханкеля. Это цилиндрические функции 3-го рода. В общем случае существует бесконечное количество решений данных волновых уравнений, которое может быть представлено в виде суммы, называемой нормированной частотой световода.
Нормированная частота световода:
r
g
r
g
2 1
где r- радиус сердцевины и оболочки.
Нормированную частоту, как сумму решений для сердцевины и оболочки, можно представить как
nm
P
при условии, что весь световой поток распространяется в сердцевине
r
g
P
nm
2
405
,
2 0
;
1
nm
nm
P
P
a
g
2
N
– ступенчатое волокно.
2 2
N
– градиентное волокно.
6.3 Затухание в оптических волокнах
Затухание при передаче оптических сигналов по ОВ складывается из следующих составляющих:
c
– собственное затухание ОВ
n
– затухание поглощения
np
– затухание примесей
p
– затухание рассеяния
uk
– затухание в инфракрасном диапазоне.
uk
np
p
n
c
При изготовлении ОК:
k
c
k
– кабельное затухание, которое определяется изгибами ОВ в структуре сердечника кабеля, т.е.
k
будет определяться рассеянием энергии на изгибах волокна.
Рассмотрим механизм возникновения составляющих затухания.
Составляющая
n
связана с тем, что частицы кварца имеют способность поляризоваться и переориентироваться в пространстве, как и частицы любого другого диэлектрика. Таким образом
n
определяется тепловыми потерями световой энергии в структуре волоконного световода. Также как и у обычного диэлектрика здесь вводится понятие tg. Однако, для чистого кварца величина tg значительно меньше, чем у самого лучшего диэлектрика ЭКС. Для кварца tg10
-10
Нормированную частоту, как сумму решений для сердцевины и оболочки, можно представить как
nm
P
при условии, что весь световой поток распространяется в сердцевине
r
g
P
nm
2
405
,
2 0
;
1
nm
nm
P
P
a
g
2
N
– ступенчатое волокно.
2 2
N
– градиентное волокно.
6.3 Затухание в оптических волокнах
Затухание при передаче оптических сигналов по ОВ складывается из следующих составляющих:
c
– собственное затухание ОВ
n
– затухание поглощения
np
– затухание примесей
p
– затухание рассеяния
uk
– затухание в инфракрасном диапазоне.
uk
np
p
n
c
При изготовлении ОК:
k
c
k
– кабельное затухание, которое определяется изгибами ОВ в структуре сердечника кабеля, т.е.
k
будет определяться рассеянием энергии на изгибах волокна.
Рассмотрим механизм возникновения составляющих затухания.
Составляющая
n
связана с тем, что частицы кварца имеют способность поляризоваться и переориентироваться в пространстве, как и частицы любого другого диэлектрика. Таким образом
n
определяется тепловыми потерями световой энергии в структуре волоконного световода. Также как и у обычного диэлектрика здесь вводится понятие tg. Однако, для чистого кварца величина tg значительно меньше, чем у самого лучшего диэлектрика ЭКС. Для кварца tg10
-10
км
дБ
n
n
/
689
,
8
tg
Составляющая потерь на примесях
np
зависит от наличия примесей в структуре кварца – это ионы Fe, Cu и др. Кроме того, в составе световода могут действовать гидроксильные группы ОН– , также приводящие к увеличению затухания.
Затухание рассеяния
4
p
p
k
связано с рассеянием световой энергии на различных локальных изменениях показателя преломления сердцевины, т.е. неоднородностей. При этом нарушается условие полного внутреннего отражения и световая энергия покидает сердцевину.
Аналогично действуют потери на изгибах волокна, т.е. световой поток на изгибах покидает сердцевину.
Составляющая затухания в инфракрасной части спектра
uk
связана с работой на длинах волн 1,55мкм и более. Вследствие того, что в кварце существует два резонансных явления, связанных с резонансом электронов атомов, резко возрастает затухание распространения волны. Таким образом, для =0,85мкм и менее следует учитывать затухание в ультрафиолетовой части спектра.
Суммарная зависимость затухания ОВ имеет вид:
1 окно
2 окно
3 окно
0,8 1 1,2 1,4 1,6
, мкм
2…3 0,4…0,7 0,2…0,6
, дБ/км
В чистом кварце, даже при высшей степени очистки, нельзя добить затухания ниже указанных значений. Для дальнейшего уменьшения затухания необходимо убрать линию в ИКЧС. Этого можно добиться путем легирующих добавок. В качестве таких добавок используются эрбий и фторид натрия.
В легированных волокнах можно добиться затухания тысячных долей дБ/км.
км
дБ
n
n
/
tg
69
,
8 1
км
дБ
k
p
ас
/
,
4
Релеевский коэффициент
p
k
характеризует степень неоднородностей ОВ.
6.4 Дисперсия оптических волокон
Дисперсией ВС называется рассеяние во времени модовых или спектральных составляющих оптического сигнала. Уширение импульсов есть следствие действия дисперсии.
Межмодовая (модовая) дисперсия.
2
dc
N
MM
– относительный показатель преломления.
)
(N
V
MM
MM
Каждая мода обладает своей траекторией распространения, соответственно своей скоростью и своим временем прихода на выход ОВ, таким образом размывается на выходе в колоколообразный импульс. t
t
Дисперсия за счет спектральных составляющих оптического сигнала называется хроматической дисперсией.
мат
вв
хр
хр
)
(
вв
– зависимость коэффициента распространения
по ВС от .
)
(
n
мат
– характеризуется зависимостью показателя преломления от
.
Общее действие хроматической дисперсии задается параметрами D()
)
(
)
(
)
(
мат
вв
D
коэффициент берется на 1 км.
В общем случае дисперсия ОВ определяется как среднеквадратическое значение