Конспект лекций по НСС (1). Конспект лекций по учебной дисциплине направляющие системы связи По специальности (направлению подготовки) 11. 03. 02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи
 Скачать 2.55 Mb.
|
|
tgρ- тангенсом угла потерь. 0 1 10000 2 â a a C f f Ý r a r I UG G tg I CU C G G G Ñtg Rèç Ñì Rèç Ì Î ì êì G Ctg êì Q Q Ñ U Edr Å U r км Ф r r C r r Q r dr Q U a в a a в a r r a в a ln 18 10 ln 2 2 6 5.5 Первичные и вторичные параметры коаксиальной цепи. Частотные зависимости параметров передачи Аналитические выражения первичных параметров передачи найдены в пункте «передача энергии в цепи с потерями». Вторичные параметры могут быть найдены из первичных параметров с использованием формул однородной линии. Иногда удобнее параметры коаксиальной цепи выражать через конструктивные параметры изоляции. Частотные зависимости c км LC C L Z км рад LC км Дб C L G L C R B 1 68 8 2 2 км дб tg f D d d D f Э Э Э д м 5 3 10 1 , 9 10 1 1 ln 6 , 2 передачи параметры вторичные Э C LC 1 С Э B Z f f м f д f R передачи параметры первичные L C G R L G C f d D LCG L C G Оптимальное соотношение диаметов проводников коаксиальной цепи Существует определённое оптимальное отношение диаметров проводников коаксиальной цепи, обеспечивающее минимум затухания. Для различных металлов: Металл Сu Al Fe Pb Zn D/d 3,6 3,9 4,2 5,2 4,5 Таким образом, отклонение размера коаксиального кабеля от оптимального наиболее существенным образом сказывается при соотношении меньших оптимальных. Поэтому в реальных цепях с учётом технического допуска соотношение для проводников выбирают несколько большим оптимально. 5.6 Электрические процессы в симметричных кабелях Электромагнитное поле симметричной цепи: Симметричные цепи – это открытые НСЭ, поэтому электромагнитное поле d D 2 , 3 9 , 3 6 , 3 0 min , 10 1 1 6 , 2 3 0 x при тогда d D x пусть D d d D l f м м м действует на значительное расстояние, приводя к повышенным взаимным влияниям между цепями и, наводя электромагнитное поле в экранах и оболочках в соседних цепях, окружающих металл. Кроме этого электромагнитное поле обладает существенной симметрией относительно проводников. Поэтому при рассмотрении параметров передачи необходимо учитывать эти особенности. Активное сопротивление (один из важнейших параметров передачи) будет состоять из четырёх слагаемых: R БП - сопротивление за счёт эффекта близости. R H - потери в окружающих массах. R 0 - сопротивление цепи. R ПЭ- сопротивление за счёт поверхностного эффекта. Возникновение эффекта близости. Увеличение сопротивления влечёт за собой увеличение затухания. Смещение плотности тока в толще проводника. Н БП ПЭ R R R R R 0 Н БП ПЭ R R R R 0 2 0 0 2 0 0 8000 4 d R цепи ой симметричн ние сопротивле d S S R Наведение вихревых токов ведёт к нагреванию оболочек и экранов. В реальной симметричной цепи действуют вихревые токи, приводящие к увеличению активного сопротивления при возрастании частоты передаваемого сигнала. В таких цепях действуют: Поверхностный эффект, Эффект близости Эффект потерь окружающих масс. Всю энергию, потребляемую проводниками извне, можно представить в виде вектора Пойнтинга, направленного по координате r внутрь проводника. Согласно теореме Умова-Пойнтинга: Согласно закону Джоуля-Ленца: 2 2 2 2 * 0 1 r Z W I Z Ï W I Z Z R i L I E H rd Система уравнений Максвелла для металлических симметричных цепей имеет вид: Преобразуем систему уравнений Максвелла в волновое уравнение для составляющей Е Z : 2 0 * rd H E П Z r Z Z M Z Z Z E K E K E r r E r r E 2 2 2 2 2 2 2 1 1 Составляющую магнитного поля Н находим аналогично предыдущему случаю: Для нахождения постоянных интегрирования рассмотрим распределение магнитного поля между проводами симметричной цепи: С учётом данных условий, решая совместно волновые уравнения для металла и диэлектрика, можно получить следующее выражение для активного сопротивления симметричной цепи. Здесь F(kr 0 ), G(kr 0 ), H(kr 0 )- коэффициенты от модифицированных функций Бесселя, взятые от вещественного аргумента kr 0 Для удобства нахождения коэффициентов составлены таблицы коэффициентов функций Бесселя в зависимости от аргумента kr 0 n r C r B i r i B H n n n n n a a cos 1 1 1 1 0 км Ом a d kr H a d kr G kr F R R R R в a 2 0 0 2 0 0 0 0 1 1 токов вихревых т коэффициен k Внутренняя индуктивность симметричной цепи: Полное активное сопротивление симметричной цепи: Где – коэффициент скрутки цепи. Он характеризует линейное удлинение проводников при их скрутке по сравнению с длиной цепи. В зависимости от шага скрутки =1,01…1,07. Для реальных симметричных цепей коэффициент скрутки равен 1,02. Р – коэффициент, учитывающий вид скрутки цепи. Для парной скрутки Р=1, для двойной парной скрутки Р=2, для звёздной Р=5. Величина потерь в окружающих металл массах рассчитана на частоте 200кГц и сведена в таблицу для рассчитанных значений сердечника кабеля. Величина потерь в окружающих металл массах представляет собой величину R M200 =R M | 200 +R M || 200 , где R M || 200 – потери в соседних цепях. Для нахождения потерь на частотах, не равных 200кГц, используют соотношение: Графики изменения активного сопротивления: R R R ПЭ R 0 R БП R Н f км Гн kr Q L L L в a 4 0 10 км Ом R a d kr H a d kr G kr F R R M 2 0 0 2 0 0 0 0 1 1 2 200 200 f R R M M 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 ,  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 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. |