Домой Регистрация
Приветствуем вас, Гость



Форма входа

Население


Вступайте в нашу группу Вконтакте! :)




ПОИСК


Опросник
Используете ли вы афоризмы и цитаты в своей речи?
Проголосовало 514 человек


Волновод что это такое


Волновод - это... Что такое Волновод?

Волновод как составляющая конструкции микроволновой печи. Разборный волновод Металлический волновод. Изображение: http://regalrus.ru

Волновод — искусственный или естественный канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которых сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области.

Типы волноводов

Экранированные

Различают экранированные волноводы с хорошо отражающими стенками, к которым относят волноводы металлические, направляющие электромагнитные волны, а также коаксиальные и многожильные экранированые кабели, хотя последние обычно причисляют к линиям передачи (длинным линиям). Однако практически все типы волноводов следует рассматривать как разновидность линий передачи. К экранированым волноводам относят также волноводы акустические с достаточно жёсткими стенками.

Неэкранированные

В открытых (неэкранированных) волноводах локализация поля обычно обусловлена явлением полного внутреннего отражения от границ раздела двух сред (в волноводах диэлектрических и простейших световодах) либо от областей с плавно изменяющимися параметрами среды (например, ионосферный волновод, атмосферный волновод, подводный звуковой канал). К открытым волноводам принадлежат и системы с поверхностными волнами, направляемыми границами раздела сред.

Свойства волноводов

Основное свойство волновода — существование в нём дискретного (при не очень сильном поглощении) набора нормальных волн (мод), распространяющихся со своими фазовыми и групповыми скоростями. Почти все моды обладают дисперсией, то есть их фазовые скорости зависят от частоты и отличаются от групповых скоростей.

В экранированном волноводе фазовые скорости обычно превышают скорость распространения плоской однородной волны в заполняющей среде (скорость света, скорость звука), эти волны называются быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Это так называемые утекающие волны. В открытых волноводах, как правило, распространяются медленные волны, амплитуды которых быстро убывают при удалении от направляющего канала.

Каждая мода характеризуется предельной частотой , называемой критической; мода может распространяться и переносить вдоль волновода поток энергии только на частотах , превышающих . Однако в некоторых случаях (многопроводные линии передачи, полые акустические волноводы) существуют моды, для которых , их называют главными или квазистатическими.

При больших волновод становится сверхразмерным (поперечные размеры волновода значительно превышают длину волны): тогда в нём одновременно распространяется множество мод, которые при определённых соотношениях между амплитудами и фазами могут группироваться в лучи. Пульсируя вдоль волновода, они периодически то отражаются, то отрываются от его стенок. В местах отрыва стенки можно убрать, заменив волноводы последовательно расставленными отражателями. Такие, а также аналогичные им линзовые системы относят квазиоптическим волноводам или к квазиоптическим линиям передачи (см. Квазиоптика).

См. также

ВОЛНОВОДЫ в радиотехнике

24.07.2012

Хотя коаксиальные линии применяются широко, но все же они обладают некоторыми существенными недостатками, особенно заметными на сантиметровых волнах. Потери в этих линиях с повышением частоты значительно возрастают, так как поверхность внутреннего провода линии мала, а. следовательно, его сопротивление сравнительно велико. Кроме того, увеличиваются потери в изоляторах, отделяющих внутренний провод от внешнего. Если же увеличить диаметр внутреннего провода, т. е. уменьшить расстояние между ним и внешним проводом, то появляется опасность пробоя изоляции, особенно при больших мощностях.

На сантиметровых волнах линию во многих случаях заменяют волноводом, представляющим собой металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна (рис.1). Стенки волновода играют роль экрана, не дающего электромагнитным волнам распространяться в разные стороны и заставляющего их перемещаться только вдоль волновода.

Рис.1 — Круглый и прямоуголный волноводы.

По сравнению с коаксиальной линией потери энергии в волноводе меньше, так как отсутствует внутренний провод и нет никаких изоляторов. Наибольшее напряжение в волноводе получается между диаметрально противоположными точками его внутренней поверхности, если волновод имеет круглое сечение), или между противоположными стенками, если его сечение прямоугольное (рис.1). Расстояние между этими точками больше, чем расстояние между проводами в коаксиальной линии, и поэтому опасность пробоя при высоких напряжениях значительно меньше.

Однако волноводы имеют свой недостаток, который ограничивает их применение. В коаксиальной или симметричной линии могут распространяться волны любой частоты, а в волноводе возможно распространение только волн, у которых частота выше некоторой определенной величины, называемой критической частотой fKp. Иначе говоря, в волноводе могут распространятьея только волны, у которых длина короче некоторой критической длины волны (ламбда)кр. Критическая длина волны приблизительно вдвое больше поперечного размера волновода. Если волновод имеет диаметр 3 см, то критическая длина волны будет примерно ? —6 см. Более длинные волны через такой волновод распространяться не могут.

Ясно, что волноводы для коротких или метровых волн непригодны, так как это были бы трубы с поперечными размерами в единицы или десятки метров! Даже для дециметровых волн поперечник волновода должен быть порядка десятков сантиметров, что также неудобно. Поэтому волноводы используются только на сантиметровых волнах, для которых конструкция волновода не получается слишком громоздкой. Теория распространения радиоволн в волноводах весьма сложна, и можно рассмотреть лишь некоторые выводы этой теории, которые хорошо подтверждены экспериментами.

В волноводе поперечная электромагнитная волна распространяться не может. Действительно, магнитное поле существует только внутри волновода, стенки которого являются экраном для электромагнитного поля высокой частоты. Поэтому магнитное поле в волноводе не может охватывать проводник с током, так как нет внутреннего провода, а оно должно охватывать продольное электрическое поле. Но поперечная электромагнитная волна не содержит продольного электрического поля. Если же предположить, что электрическое поле в волноводе поперечное, то оно должно охватываться замкнутыми магнитными силовыми линиями, которые будут лежать в продольных плоскостях. Однако у поперечной волны не может быть продольного магнитного поля.

Опыт и теория показывают, что в волноводах могут распространяться электромагнитные волны различных типов. Все они делятся на две группы: 1) электрические волны, обозначаемые Е, имеют электрическое поле, расположенное и в поперечном и в продольном направлениях, а магнитное поле только в поперечной плоскости; 2) магнитные волны, обозначаемые Я, имеют магнитное поле, расположенное поперек и вдоль волновода, а электрическое поле только в поперечной плоскости.

Волну в волноводе можно рассматривать как сумму поперечных волн, распространяющихся зигзагообразно путем многократного отражения от стенок, как показано на рис.2. При этом более длинные волны распространяются с большим числом отражений и зигзагов.

Рис.2 — Пути волн различной длины в волноводе.

Физический смысл отражения волн от проводника заключается в том, что падающая волна создает в поверхностном слое проводника токи, которые, в свою очередь, дают излучение новых электромагнитных волн, т.е. отраженных волн. Если проводник идеальный, то возникшие токи совершенно не расходуют энергию на его нагрев и энергия отраженной волны равна энергии падающей волны. Практически каждый проводник не является идеальным, в нем происходит некоторая потеря энергии на нагревание, и энергия у отраженной волны всегда несколько меньше, чем у падающей.

Рис.3 — Структура магнитного и электрического полей в прямоугольном волноводе для основной волны типа Н.

На рис.3 показаны электрическое и магнитное поля для простейшей основной волны типа Н, которая наиболее часто применяется на практике. Магнитные силовые линии здесь изображены штриховыми, а электрические силовые линии — сплошными линиями.

Силовые линии, перпендикулярные к плоскости чертежа, показаны либо точками, если они идут на нас, либо крестиками, если они идут от нас.

Так как волна, отраженная от одной стенки, складывается с волной, отраженной от противоположной стенки, то в поперечном направлении волновода всегда получаются стоячие волны. Бегущая волна в поперечном направлении не может распространяться, так как движению энергии в одну сторону препятствуют стенки волновода.

В поперечном направлении в простейшем случае укладывается одна стоячая полуволна так, что у противоположных стенок могут быть узлы, а в середине —пучность или наоборот. В направлении вдоль волновода может получаться различный режим. Если на конце волновода отражение отсутствует, то будет бегущая волна. Полное отражение, например, в случае, если конец волновода закрыт металлической стенкой, дает режим стоячих волн. При частичном отражении будут смешанные волны.

Для изображенной на рис.4 волны в точках А и В получается максимум поперечной составляющей магнитного поля, а в точках Б и Г—максимум его продольной составляющей. Расстояние АВ равно половине длины волны. В точке Д напряженность магнитного лоля равна нулю. У следующей (соседней) полуволны магнитного поля все повторяется, но только магнитные силовые линии идут в противоположи ом направлении.

В случае бегущей волны вся нарисованная картина поля движется вдоль волновода, так что рис.3 следует рассматривать как мгновенный фотоснимок поля, справедливый только для одного момента времени. Распределение магнитного поля вдоль волновода для этого момента показывают кривые рис.3. Один из них показывает распределение поперечной составляющей Нпопер, а другой — продольной составляющей Нпрод- При этом следует помнить, что поперечная составляющая получается наибольшей на средней плоскости волновода (на линии АВ) и по мере приближения к стенкам уменьшается до нуля, а продольная составляющая, наоборот, имеет наибольшее значение у стенок и по мере приближения к средней плоскости волновода уменьшается до нуля. На рис.3 г даны кривые, показывающие изменение Hпрод и Нпопер водль стороны b поперечного сечения вол-

новода. Эти кривые соответствуют стоячим волнам магнитного поля в поперечном направлении, причем Нпрод. имеет пучности у стенок и узел посередине, а Нпопер. — наоборот.

Необходимо отметить, что картина поля, показанная с помощью некоторого числа силовых линий, является весьма грубой. Силовые линии, конечно, отображают реально существующее поле, но чем оно сложнее, тем более неточным становится данный метод. Изображение лоля силовыми линиями не вскрывает тонкой структуры поля. Это. особенно чувствуется при рассмотрении сложных полей в волноводах. Однако в нашем распор я жени и нет более совершенного метода изображения структуры электрического или магнитного поля.

У электрического поля волны Н структура проще, так как оно имеет только поперечную составляющую. На рис.3 в показано распределение электрического поля в поперечном направлении, а на рис.3 г приведена кривая изменения напряженности поля Е по этому направлению. Как видно, вдоль размера b укладывается одна стоячая полуволна электрического поля, причем в середине волновода получается пучность, а у стенок — узлы. Таким образом, вдоль стороны b распределение электрического поля совпадает с распределением по.пе>-речной составляющей магнитного поля (рис.3 г). Не следует при этом забывать, что векторы Е и Нпопер взаимно-перпендикулярны.

В направлении вдоль волновода электрическое поле распределено так, как изображено на рис.3 6.

Соответствующая кривая показывает, что в этом направлении закон распределения электрического поля также совпадает с распределением поперечной составляющей магнитного поля, т. е. максимум электрического поля получается там, где имеется максимум поперечного магнитного поля. Такая структура поля характерна для бегущей волны, у которой колебания электрического и магнитного полей совладают по фазе, т. е. наибольшее количество электрических силовых линий имеется там, где находится наиболее сильное магнитное поле. А в случае стоячей волны, наоборот, максимум электрического поля находится там, где магнитное поле наиболее слабое.

Помимо основной волны, существуют еще и многие другие типы волн. Для классификации воля в прямоугольных волноводах принята следующая система. Около обозначения волны ставится индекс из двух цифр, показывающих соответственно число стоячих полуволн вдоль меньшей и большей сторон поперечного сечения. Например, рассмотренная основная волна типа Н обозначается Ho1(или TEo1), так как для нее вдоль стороны а поперечного сечения волновода стоячей волны нет, а вдоль стороны b распределена одна стоячая полуволна. В прямоугольном волноводе могут также распространяться волны высших порядков, имеющие более сложные поля, в которых вдоль одной стороны сечения распределено две, три или больше стоячих полуволн. Эти волны не имеют практического применения, так как ведут к увеличению сечения волновода и потерь по сравнению с простейшими волнами. Для классификации волн в круглых волноводах к обозначению волны также прибавляют две цифры в виде индексов. Первая цифра показывает число стоячих полуволя вдоль полуокружности, а вторая — соответствует числу стоячих полуволн вдоль радиуса.

Вдоль волновода всегда наблюдается некоторое затухание волны, т. е. ее энергия постепенно уменьшается. Это объяе няетея тем, что на внутренней поверхности стенок волновода создаются токи, которые расходуют часть своей энергии на нагрев металла. Потери анергии отсутствовали бы только в случае стенок из идеального проводника.

С понижением частоты к критическому значению затухание возрастает, что объясняется увеличением числа отражений волн от стенок. Когда частота близка к критической, затухание становится очень большим, а критическая волна вообще не проходит вдоль волновода. Но и при значительном повышении частоты затухание также возрастает за счет того, что толщина поверхностного слоя, в котором проходят токи, уменьшается, а его сопротивление увеличивается. Отсюда следует, что на некоторой средней наивыгоднейшей частоте затухание имеет наименьшую величину.

В волноводах могут наблюдаться бегущие, стоячие и смешанные волны в зависимости от наличия большего или меньшего отражения на конце волновода. Режим работы характеризуется коэффициентом бегущей волны, который равен кбв = Емин/Емакс, где Емтин и Емакс — наименьшая и наибольшая величины действующего значения напряженности электрического поля, измеренные при перемещении вдоль волновода какого-либо индикатора поля.

Если в конце волновода безвозвратно расходуется вся энергия бегущей волны, то в волноводе получается режим чисто бегущей волны. Действующее значение напряженности электрического поля в различных точках вдоль волновода тогда будет неизменно (затухание во внимание не принимается) и кбв=1.

Этот режим наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается максимум энергии. Например, в передающих устройствах сантиметрового диапазона волновод соединяет генератор с антенной. Для получения в волноводе бегущей волны антенна должна поглощать полностью энергию, передаваемую по волноводу, т. е. антенна как нагрузка должна быть согласована с волноводом.

При проведении многих измерений и испытаний на сантиметровых волнах также необходим режим бегущей волны в волноводе. Для его получения в конце волновода помещают поглощающую или оконечную нагрузку. Она представляет собой проводник со значительным сопротивлением, занимающий некоторый объем или поверхностный слой на пластинке диэлектрика.

Если на конце волновода волна полностью отражается, то устанавливается.режим стоячих волн. Полное отражение можно получить, закрыв конец волновода металлической, хорошо проводящей крышкой. Режим стоячих волн используется при различных измерениях. Он удобен для измерения длины волны в волноводе, так как в стоячей волне напряженность поля Е в узлах равна нулю. Это дает возможность установить положение двух соседних узлов, расстояние между которыми равно половине длины волны.

Режим смешанных волн получается, если на конце волновода энергия поглощается частично. Практически, обычно всегда бывает этот режим, так как невозможно получить чисто бегущую или чисто стоячую волну. Особенно трудно осуществить режим бегущей волны. Принято считать, что нагрузка хорошо согласована с волноводом, если кбв получается не меньше 0,8. Во многих случаях даже довольствуются значением кбв от 0,5 и выше. Режимы работы волновода имеют сходство с режимами для двухпроводной линии. Случай, когда конец волновода закрыт, аналогичен короткоз а минутой линии. Однако режим разомкнутой линии получить в волноводе нельзя. Если конец волновода оставить открытым, то волна лишь частично отражается, а частично излучается в пространство, и поэтому получается режим смешанных волн.

Устройства, связывающие волноводы с другими цепями, служат для возбуждения волн в волноводе или для отбора энергии из волновода. Любое устройство, дающее возбуждение волн, может быть использовано и для приема волн. Электрическая связь осуществляется с помощью металлического проводника, называемого штырьком (или зондом), и установленного внутри волновода вдоль электрических силовых линий в том месте, где электрическое поле наиболее сильное. Обычно такой штырек является продолжением внутреннего провода коаксиальной линии, подводящей энергию к волноводу. Так как размеры штырька соизмеримы с длиной волны, то он работает как хорошая антенна.

Рис.4 — Электрическя связь коаксиальной линии с волноводом для волны Но1

На рис.4 показано возбуждение волны типа Нo1 в прямоугольном волноводе при помощи штырька, расположенного в пучности электрического поля на расстоянии 1/4*?  от закрытого конца волновода, служащего для отражения волн. Этот участок волновода длиной 1/4 *?  подобно четвертьволновой корот-козамкнутой линии имеет входное сопротивление, близкое к бесконечности, и практически не влияет на режим работы подводящей линии.

Чем больше длина штырька, находящегося в волноводе, тем сильнее связь, т. е. тем больше энергии передается в волновод, подобно тому как более высокая ‘антенна дает более сильное излучение, нежели антенна малых размеров.

Магнитная связь осуществляется с помощью витка (петли) связи, который располагается в месте, где магнитное поле наиболее сильно, причем ее плоскость перпендикулярна магнитным силовым линиям. Так как размеры витка соизмеримы с длиной волны, то он дает эффективное излучение электромагнитных волн и его можно уподобить одновитковой рамочной антенне большого размера. На рис.5 показано одно из возможных расположений витка для возбуждения в прямоугольном волноводе волны Но1.

Рис.5 — Магнитная связь линии с волноводом для случая волны Но1

Чем больше размеры витка, тем сильнее связь. Регулировку связи удобно осуществлять поворотом витка. Следует иметь в виду, что магнитная связь всегда сопровождается некоторой электрической связью.

Для отбора энергии штырьки или витки связи выполняют роль приемной антенны. Волны, прошедшие по волноводу, создают своим электрическим полем в приемном штырьке некоторую эдс, а в витке связи эдс индуктируется магнитным полем. Применяется также дифракционная связь, т. е. связь через отверстие. Например, можно передать часть энергии волны из одного волновода в другой, если в общей стенке этих волноводов сделать отверстие той или иной формы. Такая связь усиливается при увеличении размеров отверстия. При электрической и магнитной связи имеется всегда и некоторая дифракционная связь, так как коаксиальная линия своим открытым концом соединена с волноводом.

Конструктивное выполнение волноводов весыма разнообразно. Для уменьшения потерь в волноводе его внутреннюю поверхность делают возможно более гладкой и нередко покрывают ее серебром. Весьма тщательно соединяют отдельные части волновода друг с другом. Важно свести к минимуму частичные отражения волн от различных неоднороден остей, имеющихся в волноводе. К таким неоднюродностям относятся, например, повороты и ответвления, а также вращающиеся сочленения двух волноводов. Любые нарушения однородности внутреннего устройства волновода приводят к отражению волн, в результате чего уменьшается кбв, возрастают потери и кажается кпд волновода.

Рис.6 — Повороты и скручивания волновода

Применяются плавные изгибы (рис.6 а) и уголковые повороты (рис.6 б). Для поворота направлений векторов Е и Н делают скручивание волновода (рис.6 в). При соединении двух частей волновода, если одна часть должна вращаться, прибегают к дроссельному соединению, которое устраняет влияние плохого контакта в стыке (рис.7). В этом соединении волноводы снабжены двумя фланцами, между которыми имеется щель длиной 1/2*? эквивалентная полуволновой короткозамкнутой линии. Замыкание на конце этой щели (в точке А) сделано сплошным металлом, а контакт двух поверхностей находится в точке Б на расстоянии 1/4*? от короткозамкнутого конца. В этом месте находится узел тока, и наличие дополнительного сопротивления в контакте не играет роли.

Рис.7 — Дросельное соединение двух частей волновода.

Зато на входе линии — щели (в точке В), как и на коротко-замкнутом конце, сопротивление близко к нулю. Таким образом, обе части волновода соединены через это весьма малое сопротивление, которое почти не зависит от сопротивления контакта в точке Б.

ВОЛНОВОДЫ в радиотехнике Ссылка на основную публикацию

Волноводы

Передачу энергии по длинной линии можно рассматривать так же как и распространение электромагнитных волн по направляющим системам, которыми, кроме двухпроводных линий, могут быть металлические, диэлектрические и полупроводниковые поверхности, трубки, стержни и т.д. Электромагнитные волны в направляющих системах движутся вдоль граничных поверхностей . Направляемые волны, подобно плоской электромагнитной волне, распространяются только в каком – то заданном направлении. Они делятся на поперечные, электрические, магнитные и смешанные. Названия определяются ориентацией векторов напряженности электрического Е и магнитного Н полей распространяющейся волны.

Поперечными, или волнами типа Т (от англ. transversal – поперечный), называются волны, у которых в направлении распространения энергии отсутствуют составляющие векторов Е и Н, то есть эти векторы лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения энергии.

Электрическими, или волнами типа Е называются волны, у которых вектор Е имеет и поперечные и продольную составляющие, а вектор Н – только поперечные.

Магнитными, или волнами типа Н называются волны, у которых вектор Н имеет и поперечные и продольную составляющие, а вектор Е – только поперечные.

Смешанными, или гибридными типа НЕ или ЕН называются волны, у которых векторы Е и Н имеют как поперечные, так и продольные составляющие.

Для пояснения этого используем следующий пример. Пусть в некоторой направляющей системе энергия распространяется вдоль ось  декартовой системы координат. Тогда оси ,  будут поперечными, так как они лежат в плоскости, перпендикулярной оси . В этом случае будем иметь: для волн Т ; для волн Е , ; для волн Н , ; для смешанных , .

Все направляющие системы делятся на два широких класса: открытого и закрытого типов. В линиях передачи открытого типа переносимая энергия распределена во всем окружающем линию пространстве. Чаще всего конструкции линий этого типа выполняют так, чтобы большая часть энергии электромагнитного поля была сосредоточена в непосредственной близости от линии. Примером линии открытого типа являются симметричные кабели. Эти линии подвержены влиянию среды и окружающих предметов, то есть в них практически всегда наблюдаются потери на излучения.

В линиях передачи закрытого типа вся передаваемая энергия сосредоточена в пределах объема, экранированного от окружающей среды металлической оболочкой той или иной формы. Из линий закрытого типа широко используются коаксиальные кабели. Линия этого типа является двухпроводной экранированной, а поэтому потери на излучение в ней отсутствуют.

По мере увеличения частоты электромагнитной энергии в коаксиальных линиях передачи растут потери в диэлектрике, поэтому они применяются до частот не более 1-3 ГГц. Если в коаксиальной линии убрать внутренний проводник, то не будет необходимости в жестком диэлектрике, который обеспечивает соосность проводника и экрана. Потери резко упадут. Но ток проводимости по одному проводу (металлической трубке – экрану) проходить не будет. На низких частотах передача электрической энергии при этом отсутствует. Однако при определенных условиях электромагнитные волны могут распространяться по полым металлическим трубам различной формы поперечного сечения, которые называются волноводами.

Процесс передачи энергии по волноводам эквивалентен радиопередаче, но здесь распространяется волна не во все стороны, а лишь в заданном направлении.

Физические процессы в волноводах.

Электромагнитное поле в волноводе. Рассмотрим двухпроводную линию , нагруженную на сопротивление, равное волновому.

Пояснение принципа образования волновода.

В такой линии наблюдается режим бегущей волны. Для того чтобы закрепить провода  и  в воздухе, используем четвертьволновые короткозамкнутые шлейфы, расположенные на произвольных расстояниях друг от друга. Так как входное сопротивление таких шлейфов теоретически бесконечно, то их можно рассматривать как металлические изоляторы и они не нарушают работу исходной двухпроводной линии. Устремив число шлейфов к бесконечности, а расстояние между ними к нулю, получим конструкцию, которая называется прямоугольным волноводом.

Металлические волноводы: а) – прямоугольный; б) – круглый.

Таким же образом можно перейти от двухпроводной линии к круглому волноводу. Только в этом случае металлическим изоляторам следует придать не прямоугольную, а круглую форму.

Режим работы волновода в сильной степени отличается от режима работы двухпроводной линии с согласованной нагрузкой. В волноводе, кроме бегущей волны, распространяющейся в направлении оси, будут существовать стоячие волны в поперечном сечении. Эти волны образуются за счет энергии, ответвляющейся от бегущей вдоль оси волны в металлический изолятор.

Структура поля в поперечном сечении волновода:

а) – волны типа ; б) – волны типа .

Густота силовых линий здесь характеризует напряженность (интенсивность) поля.

Критическая длина волны в волноводе.

Если изменить рабочую длину волны так, что размер широкой стенки волновода станет меньше , то передача энергии по волноводу прекратится, так как сопротивление металлических изоляторов резко уменьшится, увеличится количество ответвляющейся в них энергии, и уровень бегущей вдоль оси волны резко упадет. Поэтому, существует определенная длина волны , которая называется критической, при превышении которой распространение энергии вдоль волновода невозможно. Следовательно, для передачи энергии по волноводу требуется, чтобы рабочая длина волны , была меньше критической:

.

Критическая длина волны  зависит от размеров волновода. Для прямоугольного волновода , то есть:

.

Типы волн в волноводе.

В волноводе могут существовать различные типы волн, отличающиеся структурой силовых линий, которые называются модами волновода. Для нахождения выражений, описывающих векторы поля Е и Н в волноводе, необходимо решить систему уравнений Максвелла с учетом геометрии конструкции. Полученная конкретная структура поля указывается индексами  и , то есть волны обозначаются как , , ,  и т.д.

Число  равно числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль широкой стенки волновода , число – числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль узкой стенки волновода . Для круглого волновода индекс характеризует число волн поля по периметру, а – полуволн по диаметру.

Структура силовых линий вектора Н для волн типа  и  показана на рисунке.

Магнитное поле в продольном сечении волновода:

а) – волны типа ; б) – волны типа .

Структура поля волны типа  в поперечном сечении прямоугольного волновода.

Зная тип волны, можно качественно построить картину поля в сечениях волновода и без применения формул для векторов поля Е и Н.

Волны различных типов отличаются не только структурой силовых линий. Различными у них являются и критические длины волны. Например, в прямоугольном волноводе:

.

Тип волны, критическая длина которой является наибольшей из всех возможных типов волн, называется основным типом волны, или основной волной (модой) данного волновода.

Применение волноводов.

Волноводы используются в различных радиотехнических устройствах в качестве фидеров, колебательных систем, называемых объемными резонаторами, фильтров, линий связи и т.д.

Фидеры. На частотах выше 1 ГГц для передачи электроэнергии от радиопередатчика к антенне или от антенны к приемнику в качестве фидера повсеместно используются волноводы. Поскольку фидер должен иметь малые собственные потери, внутренние стенки волновода тщательно шлифуются и покрываются слоем серебра. Этим и отсутствием изоляторов внутри волновода достигаются потери, значительно меньшие, чем в коаксиальных фидерах.

По волноводному фидеру можно передавать значительно большую энергию, чем по коаксиальному фидеру тех же размеров.

Волноводные линии связи. Возможность работы на высоких частотах (десятки гигагерц), большая широкополосность (сотни мегагерц), малое затухание явились предпосылками для использования металлических волноводов в качестве линий связи в сверхширокополосных многоканальных системах. Однако были построены только экспериментальные линии, так как экономически они оказались невыгодными. Более широкое применение нашли световодные волноводы.

Объемные резонаторы. Колебательная система может быть построена на базе волноводов прямоугольной и круглой формы.

Для перестройки волноводных резонаторов одна из короткозамыкающих волновод пластин выполняется в виде подвижного поршня. Возбуждение резонаторов и отвод энергии от них осуществляется так же, как и в волноводах, – с помощью штыря, рамки или отверстия связи.

Отличительной особенностью объемных резонаторов является высокая добротность, а следовательно, высокая фильтрующая способность их, как колебательных систем, и высокая стабильность резонансных частот. Величина добротности, в зависимости от конструкции, диапазона частот, тщательности обработки внутренней поверхности резонатора, колеблется от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч.

Основным недостатком объемных резонаторов является наличие множества резонансных частот.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 2

Лекция № 25.

Принцип действия волоконных световодов. Изоб­ретение в 1959... 1961 гг. когерентных лазерных источников света положило начало разработкам оптических линий связи, где пе­реносчиком сообщений являются световые волны. Однако ха­рактеристики атмосферы, которая сначала использо­валась в качестве среды распространения, оказались неподходя­щими для высоконадежных систем связи из-за большого ослаб­ления в дождь, туман, снегопад и т. д. Было предложено для све­товых волн 15-го диапазона с частотами 1014... 1015 Гц (диапазон длин волн 0,5... 10,6 мкм) создавать специальные направляющие системы — световоды. Наиболее перспективными из них оказа­лись диэлектрические волноводы, или волокна, как их называют из-за малых поперечных сечений.

Простейший световод представляет собой тонкое волокно ци­линдрической формы, которое состоит из сердечника, оболочки и внешнего покрытия. По сердечнику передается электромагнитная энергия в виде световой волны, поэтому его изготавливают из материала с наименьшими оптическими поте­рями (кварц, многокомпонентные стекла). Оболочка предназначе­на для создания лучших условий отражения на границе сердечник — оболочка и уменьшения из­лучения энергии в окружающее пространство. В оболочке можно допустить большие потери, поэтому ее изготавливают из стекла или из пластика. Для защиты от внешних воздействий (световых, механических) на оболочку световода наносится полимерное пок­рытие. Поперечное сечение волокна и распределение показателя преломления показаны на рисунке.

Поперечные сечения и распределения показателей преломления

волоконных световодов:

а – двухслойный световод; б – градиентный световод

В зависимости от характера изменения различают два типа световодов: ступенчатые и градиентные. Ступенчатые световоды (рис. а) имеют постоянное по радиусу значение показателя преломления, ступенька изменения наблюдается на границе сер­дечник— оболочка. В градиентном световоде (рис. б) пока­затель преломления плавно изменяется от центра к краю сердеч­ника. Распространение лучей в этих двух типах световодов раз­личное. Рассмотрим этот процесс более подробно.

Пусть в центр торца ступенчатого световода падает луч под некоторым углом к его оси. По законам геометри­ческой оптики на границе сердечник — оболочка будут падающий луч с углом отраженный с углом и преломлен­ный с углом. Преломленный луч в свою очередь претерпевает такое же отражение в точке В на границе оболочка — покрытие. Следовательно, в световоде могут существовать три вида лучей (волн): сердечника 1, оболочки 2, излучения 3. Для эффективного распространения и предотвращения перехода энергии в оболочку.

Ход лучей в ступенчатом световоде.

Режим полного внутреннего отражения соблюдается, если на входной торец световода подавать световой луч в пределах телес­ного угла Оа- Этот телесный угол 6а между оптической осью све­товода и одной из образующих светового конуса, в пределах ко­торого соблюдается полное внутреннее отражение луча, называ­ется апертурой. Для характеристики световода обычно пользу­ются числовой апертурой

От значения числовой апертуры зависят эффективность ввода из­лучения в световод, потери на микроизгибах и другие параметры световода.

В градиентном световоде лучи не отражаются, как в случае световода со ступенчатым профилем, а изгибаются в направлении градиента показателя преломления. Вследствие этого лучи, находящиеся внутри апертурного угла, распространяются в сердечнике по волнообразным траекториям. При угле входа с тор­ца в сердечник больше апертурного будут су­ществовать также лучи оболочки 2 и излучения 3. Характерной особенностью градиентных световодов являются меньшие искаже­ния передаваемых сигналов.

Типы волн (моды) в световоде. Рассматривая све­товод как диэлектрический волновод и учитывая волновые свой­ства света, было установлено, что из всей совокупности световых лучей в пределах апертурного угла для заданного световода толь­ко ограниченное число лучей с дискретными углами может обра­зовывать направляемые волны определенного типа, которые на­зывают также волноводными модами. Физически это явление мож­но объяснить интерференцией волн с различными путями про хождения. Существующие в световоде моды характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений на границе сер­дечник — оболочка лучи приходят в фазе и складываются ариф­метически. Для других углов фазовые условия не выполняются, поэтому волны интерферируют так, что гасят друг друга.

Ход лучей в градиентном световоде:

1 — волна сердечника; 3 — волна оболочки; 3 — волна излучения.

В световоде круглого сечения, как в круглом диэлектрическом волноводе, могут существовать смешанные волны типа НЕ или ЕН. Основная из них НЕ. Каждая мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и группо­вой скоростями.

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей час­тоте волн (мод) световоды разделяют на одномодовые и много-модовые. Число мод зависит от соотношения между диаметром сердечника а и длиной рабочей волны. Одномодовые световоды имеют электрические характеристики лучше многомодовых. Однако из-за малого диаметра сердечника волокна менее надежны и имеют большие потери при вводе луча в световод. Число мод в градиентном световоде при­мерно в 2 раза меньше, чем в двухслойном ступенчатом тех же геометрических размеров и с теми же значениями. Луч­шими являются и электрические характеристики градиентных световодов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 3

Лекция № 26.

Условия распространения. Ранее было рассмотрено распространение волн в направляющих системах, т. е. созданных человеком устройствах, предназначенных для передачи электро­магнитной энергии из одной точки пространства в другую. Перей­дем к изучению процессов, происходящих с радиоволной при ее свободном распространении. Под этим термином понимается рас­пространение ее в атмосфере Земли, вдоль поверхности Земли, в космическом пространстве, т. е. в природных условиях. На про­цессы свободного распространения радиоволн оказывают влияние параметры среды распространения. На современном уровне раз­вития науки и техники человек не в состоянии изменять их по своему усмотрению, поэтому мы должны изучить процессы рас­пространения радиоволн в различных условиях, уметь рассчиты­вать потери, происходящие при распространении, правильно выби­рать рабочие частоты для связи.

Классификация радиоволн. Радиоволны принято классифицировать по двум основным признакам: по длине волны (частоте) и по способу (механизму) распространения. Классифи­кация по первому признаку приведена в таблице.

Помимо перечисленных в таблице наименований волн и полос частот, пользуются также другими условными названиями: сверх­длинные волны (СДВ), длинные (ДВ), средние (СВ), короткие (КВ), ультракороткие (УКВ). Эти сокращенные обозначения час­то применяют на шкалах радиовещательных приемников. В целом СДВ соответствуют мириаметровым, ДВ — километровым, СВ — гектометровым, КВ — декаметровым, а УКВ объединяют диапа­зоны с номерами 8... 11.

По способу распространения различают четыре типа волн: прямые, поверхностные (земные), тропосферные и пространствен­ные (ионосферные). Схематически они показаны на рисунке. Оп­ределение каждого из этих типов волн следует из механизма их распространения.

Прямыми называют волны, распространяющиеся в свободном пространстве, т. е. в пространстве, не заполненном каким-либо ве­ществом, по прямолинейным траекториям. Из определения следует, что связь прямыми волнами возможна на трассах типа Космос — Космос. Однако на практике принято считать, что трассы Зем­ля— Космос, Космос — Земля (на рисунке между точками А и В) также обеспечиваются прямыми волнами, хотя атмосфера Земли и оказывает небольшое влияние на условия распространения. Убывание амплитуды поля прямых волн связано не с наличием потерь (распространение происходит в свободном пространстве), а с естественным сферическим рассеянием энергии.

Рассмотренные типы трасс в настоящее время не являются оп­ределяющими для систем связи. В большинстве случаев приемная и передающая антенны располагаются на поверхности Земли или в непосредственной близости от нее. Очевидно, влияние на рас­пространение, кроме полупрово­дящей почвы, будет оказывать и атмосфера, являющаяся неодно­родной средой.

Классификация радиочастот и радиоволн

Типы волн. 1 — прямые; 2—поверхностные.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, частично огибающие выпуклость земного шара вследствие дифракции, получили название поверхностных, или земных волн. На рисунке это волны между точками А к С. Из курса физики известно, что дифракция наблюдается тогда, когда размеры препятствия соизмеримы с длиной волны. В данном случае препятствием является шаровой сегмент. Высота последнего за­висит от расстояния между корреспондентами, поэтому ясно, что чем больше рабочая длина волны, тем на большее расстояние она может распространяться за счет дифракции. Дифрагируя вокруг сферической поверхности Земли, поверхностная волна час­тично поглощается полупроводящей землей, степень поглощения которой зависит от структуры почвы (лесок, глина, камни и т. п.) и ее влажности. Атмосфера Земли оказывает малое влияние на условия распространения этой волны.

На распространение тропосферных и пространственных (ионо­сферных) волн основное влияние оказывает атмосфера Земли. Под атмосферой понимают газообразную оболочку Земли, прости­рающуюся на высоту до 800... 1000 км. В ней можно выделить три основных слоя: тропосферу — приземный слой высотой 10... 14 км; стратосферу — слой до 60 ... 80 км; ионосферу — ионизиро­ванный воздушный слой малой плотности над стратосферой, пере­ходящий в радиационные пояса Земли.

Однако каждый из слоев нельзя считать однородной средой. Электрические параметры тропосферы зависят от высоты над по­верхностью Земли. Кроме того, в ней непрерывно дуют ветры, пе­ремещая огромные воздушные массы и увеличивая их неодно­родность.

Эти особенности тропосферы и ионосферы и оказывают влия­ние на особенности распространения радиоволн. В неоднородной среде из-за различных скоростей распространения волн в раз­личных по свойствам объемах в первую очередь наблюдается ис­кривление или преломление волн, которое получило название ре­фракции. Кроме того, на неоднородностях происходит рассеивание энергии радиоволн в различных направлениях, в том числе и по направлению к точке приема.

Радиоволны, распространяющиеся на значительные расстояния (до 1000 км) за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы, а также за счет явления тропосферной рефракции, получили наз­вание тропосферных волн (точки А к С рисунке). Отметим, что тропосфера оказывает влияние только на электромагнитные вол­ны, длина которых меньше 10 м.

Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и даже огибающие земной шар в результате многократных отраже­ний от ионосферы и поверхности земли (в диапазоне волн длиннее 10 м), а также волны, рассеивающиеся на неоднородностях ионо­сферы (в диапазоне короче 10 м), получили название пространст­венных, или ионосферных волн.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 4

Лекция № 28.

Потенциальная и реальная помехоустойчивость.

Основы теории помехоустойчивости.

Лекция № 27.

Определения. Для электросвязи задача обеспечения поме­хоустойчивости является одной из главных. Система связи дол­жна быть спроектирована и эксплуатироваться так, чтобы она при наличии помех обеспечивала заданное качество передачи сигналов и сообщений. Расчет влияния помех на передачу сигна­лов и разработка способов уменьшения этого влияния является основными вопросами, решаемыми в теории помехоустойчивости.

Под помехоустойчивостью системы связи понимают способ­ность системы, различасть (восстанавливать) сигналы с заданной достоверностью при наличии помех. Способность системы связи про­тивостоять вредному действию помех — адекватна вышеприве­денной, но более близка к физическому толкованию помехоустой­чивости: устойчивости системы связи к помехам, способности пра­вильно функционировать при наличии помех.

Задача определения помехоустойчивости всей системы связи в целом весьма сложна, поэтому часто определяют помехоустой­чивость отдельных звеньев, например приемника при заданном способе передачи, системы кодирования, вида модуляции и т. д. В общем случае помехоустойчивость системы связи зависит от вида передаваемых сообщений, уровня и характеристик помех, параметров составных частей системы.

Под потенциальной помехоустойчивостью понимают пре­дельно достижимую помехоустойчивость при заданных сигналах и помехах. Эту помехоустойчивость обеспечивает специально сконструированный оптимальный (наилучший) приемник. Потенци­альная помехоустойчивость определяет то предельное качество, которое можно получить в заданной системе связи, но нельзя превысить никакими способами обработки сигнала при существу­ющей помехе.

Реальная помехоустойчивость — это помехоустойчивость сис­темы связи или отдельных ее звеньев с учетом реального выпол­нения и настройки узлов каиала электросвязи (передающего к приемного трактов, линии связи, кодека, модема и т. д.). Ведь теоретически и технологически не все узлы канала связи можно сделать идеально с требуемыми параметрами. Да и при эксплу­атации имеются всегда погрешности установки параметров тех или иных узлов. Реальная помехоустойчивость зависит от множе­ства факторов и параметров отдельных звеньев системы связи и всегда меньше теоретически предельной потенциальной помехо­устойчивости.

Критерии оптимальности. Понятие оптимального (на­илучшего) можно рассматривать, только четко установив, в ка­ком смысле понимается оптимальность. Для этого в каждом кон­кретном случае вводится критерий оптимальности — признак, на основании которого производится оценка того или иного физичес­кого процесса как наилучшего. Выбор критерия оптимальности не является универсальным, он зависит от поставленной задачи и условий работы. Различными критериями оптимальности поль­зуются не только в теории приема сигналов, но и в различных других областях науки и техники, в повседневной жизни. Без четко определенного критерия оптимальность теряет смысл. По­пробуйте, например, определить, что означает фраза «Это для меня оптимальный вариант поездки». В каком смысле? В требу­емое время, с максимумом удобств, с приемлемой скоростью, при минимуме затрат и т. д. От выбора критерия оптимальности бу­дет зависеть решение.

При передаче дискретных сигналов широко используется кри­терий идеального наблюдателя, впервые введенный В. А. Котельниковым в 1946 г. Часто этот критерий называют критерием Котельникова. Согласно ему тот приемник считается оптимальным, который обеспечивает минимум полной вероятности ошибки.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 5

Сущность опти­мального приема состоит в том, что в приемнике необходимо при­менить такую обработку смеси сигнала с помехой, чтобы обеспе­чить выполнение заданного критерия. Эта совокупность правил обработки в приемнике носит название алгоритма оптимального приема заданного сигнала на фоне помех. Алгоритм находят ста­тистическими методами, зная параметры передаваемых сигналов и вероятностные характеристики помех.

Для наиболее часто встречающегося на практике случая пе­редачи двоичных первичных сигналов, сформированными методами амплитуд­ной (АМн), частотной (ЧМн) и фазовой (ФМн) манипуляций в канале с аддитивным гауссовским шумом, алгоритмы оптимального приема приведены в таблице. Эти алгоритмы от­ражают широко применяемый поэлементный прием, когда реше­ние о переданном сигнале принимается отдельно для каждого сигнала, независимо от принятого ранее.

Все алгоритмы представляют собой неравенства, указывающие последовательность операций, которые необходимо провести с принятой суммой сигнала и помехи, и правило определения переданного первичного сигнала.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 6

Методика по­строения структурных схем устройств по заданному алгоритму весьма проста: необходимо реализовать операции в той после­довательности, как предписано алгоритмом. Исходя из этого пра­вила на рисунке приведены схемы оптимальных приемников, построенные по алгоритмам таблицы. Для сигналов с ЧМн схе­ма двухканальная (рис. б). В каждом канале принятый сиг­нал умножается на копию передаваемого сигнала

Структурные схемы оптимальных когерентных приемников (демодуляторов):

а) – АМн сигналов; б) – ЧМн сигналов; в – ФМн сигналов.

Приведенные на рисунке схемы получили название оптималь­ных корреляционных приемников, поскольку математическая опе­рация перемножения двух сигналов и интегрирования произве­дения означает корреляцию между ними. Такой же операцией определяется сигнал на выходе согласо­ванного фильтра, поэтому оптимальные приемники можно выпол­нить и на согласованных фильтрах, которые заменяют генераторы сигналов, перемножители, интеграторы.

Структурные схемы оптимальных когерентных демодуляторов на

согласованных фильтрах: а) – АМн сигналов; б) – ЧМн сигналов; в) – ФМн сигналов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 7

Все приведенные схемы опти­мальных приемников можно рассматривать как схемы оптималь­ных когерентных демодуляторов дискретных сигналов. На их вход поступают дискретные сигналы в смеси с помехами, на выходе формируются первичные сигналы для чего использу­ются сведения не только об амплитуде, но и фазе высокочастот­ных манипулированных сигналов.

Достаточно часто сведения о фазе принимаемого сигнала не используются. Такой способ приема называют некогерентным и применяется он в каналах с переменными параметрами (фаза меняется случайно) или при технических трудностях опре­деления фазы с целью упрощения схемы.

Структурные схемы оптимальных некогерентных демодуляторов:

а) – АМн сигналов; б) – ЧМн сигналов.

При некогерентном приеме решение в РУ о передаваемом сигнале принимается не по мгновенным значениям напряжений на выходе цепей обработки, а по значениям огибающей. Для вы­деления огибающей в схему приемников после цепей обработки, например согласованных фильтров, включаются амплитудные де­текторы.

Следует отметить, что некогерентный прием нельзя осущест­вить для сигналов с ФМн, так как здесь передаваемая инфор­мация заложена в изменении фазы, а фаза-то и не учитывает­ся при некогерентном приеме.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 8

Длинные линии имеют следующие режимы работы:

- Режим бегущих (падающих волн);

- Режим стоячих волн;

- Режим смешанных волн.

Волна называется бегущей или падающей в том случае, когда она перемещается от начала линии к ее концу. Режим бегущих волн возникает только в согласованно нагруженной линии, то есть когда сопротивление нагрузки линии  будет равно волновому сопротивлению линии :

.

Бегущие (падающие) волны в линии с потерями.

В линии без потерь амплитуда колебаний остается постоянной, в отличие от линии с потерями, где амплитуда колебаний убывает по экспоненциальному закону.

Волна называется отраженной если она перемещается от конца линии к ее началу, то есть навстречу бегущей волне. Этот режим возникает в случае, когда сопротивление нагрузки линии  не равно волновому сопротивлению линии :

.

Отраженные волны в линии с потерями.

Поэтому, при несогласованной нагрузке в линии существует смешанный режим, представляющий собой сумму бегущей и отраженной волн. Этот режим и называется режимом смешанных волн.

Для характеристики степени согласования существует понятие коэффициента отражения:

,

то есть модуль коэффициента отражения  показывает, какую часть составляет амплитуда отраженной волны от амплитуды падающей, а аргумент  – угол сдвига между напряжениями этих волн.

Режим стоячих волн возникает в том случае, когда сопротивление нагрузки линии равно бесконечности (холостой ход):

.

Стоячие волны в разомкнутой линии без потерь.

При этом в линии будут наблюдаться падающие и отраженные волны и, поскольку ток в конце линии , следует, что амплитуды напряжений падающих и отраженных волн одинаковы. С течением времени волна не перемещается вдоль линии. Нули и максимумы волны остаются на месте. Такая волна называется стоячей. Сечения, в которых амплитуда колебаний равна нулю, называются узлами, а сечения с максимальными значениями амплитуды – пучностями. В линии существует стоячая волна тока, у которой узлы (пучности) напряжения совпадают с пучностями (узлами) тока.

Стоячие волны в линии получаются и при коротком замыкании линии, т.е. когда . Отличие по сравнению с холостым ходом состоит в том, что узлы и пучности меняются местами.

Стоячая волна является результатом наложения падающей и отраженной волн с равными амплитудами. Равенство амплитуд объясняется тем, что при холостом ходе и коротком замыкании в линии без потерь нет поглощения энергии волны ни в линии, ни в нагрузке. Поэтому, режим стоячих волн возникает и при реактивной нагрузке – емкостной или индуктивной.

Коэффициент бегущей волны.

На рисунках показано распределение амплитуд колебаний вдоль линии в режимах бегущих волн (согласованная нагрузка) и стоячих волн (холостой ход).

Распределение амплитуд колебаний напряжения и тока бегущих волн вдоль линии.

Распределение амплитуд колебаний напряжения и тока стоячих волн вдоль линии.

В первом случае амплитуды колебаний не зависят от длины линии, а во втором зависят. При этом существуют сечения, где амплитуды равны нулю. В общем случае, когда сопротивление нагрузки не равно волновому, не является реактивным, и отлично от нуля и бесконечности, в линии устанавливается режим смешанных волн. График распределения амплитуд колебаний вдоль линии занимает промежуточное положение по сравнению с режимами бегущей и стоячей волн.

Распределение амплитуд колебаний напряжения и тока смешанных волн вдоль линии.

Степень согласования линии с нагрузкой характеризуется коэффициентом бегущей волны (КБВ), который равен отношению минимальной и максимальной амплитуд колебаний напряжения (тока) в линии:

В режиме бегущих волн , а стоячих . Иногда используется понятие коэффициента стоячей волны (КСВ), являющегося величиной, обратной коэффициенту бегущей волны.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 9

Особенности передачи электромагнитной энергии

Лекция № 23.

Многопроводные неоднородные линии связи

На практике неоднородных линий не бывает по следующим причинам:

1) При изготовлении кабеля всегда получается некоторая неоднородность конструктивных параметров (диаметр проводов не остается строго постоянным, изменяется расстояние между проводами и т.д.);

2) Электрические параметры материалов не являются постоянными по объему;

3) Кабельная линия состоит из строительных длин. В местах соединения строительных длин также возникают неоднородности;

4) Линии редко бывают двухпроводными. Обычно они многопроводны. Например, на опорах подвешиваются несколько пар проводов, а кабель связи, как правило, многопарный.

В связи с этим условия передачи сигнала в однородной линии существенно отличаются от условий, существующих в реальных линиях.

Разобьем неоднородную линию на однородные участки. Каждый участок отличается от другого волновым сопротивлением. В результате, получается каскадное соединение несогласованных четырехполюсников. В каждой точке рассогласования возникает отраженная волна.

Распространение энергии в неоднородной цепи..

Поэтому , как видно из рисунка, кроме основного потока энергии образуются обратный и попутный потоки. Попутный поток, складываясь с основным, приводит к возникновению искажений формы сигнала.

Взаимные влияния между цепями связи.

В многопроводных линиях связи при передаче энергии происходит взаимное влияние между цепями. Это происходит по следующей причине. При передаче энергии по одной из цепей вокруг нее возникает электромагнитное поле. Другая цепь находится в этом же поле, поэтому в не индуктируется ток, который является помехой. Следовательно, наличие взаимного влияния между цепями существенно усложняет прием сигналов.

Влияние между цепями.

Количественно взаимное влияние характеризуется переходным ослаблением (затуханием). Различают переходное ослабление по мощности на ближний и дальний концы. Допустим полная мощность, отдаваемая генератором, равна . Мощность сигнала в нагрузке обозначим . Некоторая часть мощности попадает в подверженную влиянию цепь на ее ближний конец, а – на дальний. Тогда переходное ослабление по мощности на ближнем конце

, дБ,

а на дальнем

, дБ.

Кроме переходного ослабления для оценки качества приема используется также параметр – защищенность от помех. Он вычисляется как логарифм отношения мощностей сигнала к помехе в конце линии:

, дБ.

Поэтому, условие приема сигнала будет тем лучше, чем будет больше переходное ослабление или защищенность от помех.

В проводной связи обычно задаются не мощности сигналов и помех, а их уровни. Тогда переходные ослабления и защищенность от помех вычисляются не логарифмированием отношения, а как разность соответствующих уровней. При использовании понятия уровня расчет уровня сигнала в любой точке цепи равен:

,

где – уровень на входе цепи, дБ; , , ... – ослабление участков цепи, дБ. Например, уровень сигнала на выходе линии с ослаблением , дБ, будет

,

то есть уровень сигнала на выходе линии связи меньше уровня на входе на величину ослабления (затухания).

Особенности влияния между цепями в

коаксиальных и симметричных кабелях.

Влияние между цепями в симметричных и коаксиальных кабелях физически существенно отличаются.

Для воздушных линий и симметричных кабелей переход энергии с одной цепи на другую обусловлен электромагнитным полем, возникающим вокруг цепи с током. Силовые линии электромагнитного поля влияющей цепи (E и H) частично охватывают провода смежной (подверженной влиянию) цепи и индуцируют в них ЭДС и токи помех. С ростом частоты передаваемого сигнала увеличивается скорость изменения электромагнитных силовых линий и поэтому возрастает взаимное влияние между цепями.

Коаксиальная линия относится к экранированным линиям. Под экранированием любого устройства понимается его защита от различных видов излучений с помощью экрана (франц. ecran – ширма), поглощающего или отражающего излучения. Экраном в коаксиальной цепи является внешний проводник, не пропускающий электромагнитное поле наружу. Поэтому коаксиальная линия не имеет внешних поперечных составляющих электромагнитного поля. Они замыкаются внутри кабеля между внутренним и внешним проводниками и влияния на другие цепи не оказывают. Взаимное влияние между коаксиальными цепями обусловлено только продольной составляющей электрического поля направленной вдоль оси линии.

Эта составляющая называется током, протекающим по внешней поверхности внешнего проводника коаксиальной линии из-за эффекта близости внутреннего и внешнего проводников в линии (ток «вытесняется» на поверхность). Поверхностный ток влияющей цепи замыкается через внешний проводник подверженной влиянию цепи. Создается промежуточная (третья) цепь и ток, протекающий по ней, вызывает взаимное влияние коаксиальных линий.

Схема влияния между коаксиальными цепями.

С увеличением частоты ток в коаксиальной линии концентрируется на внутренней поверхности внешнего проводника, уменьшаясь по его внешней поверхности. Напряженность поля вне линии также уменьшается, возрастает самоэкранирования. Поэтому в коаксиальных линиях с ростом частоты переходные ослабления увеличиваются.

Методы устранения взаимных влияний в кабельных линиях связи.

В современных системах связи по линиям передаются различные первичные и модулированные сигналы, поэтому какие-то одинаковые нормы на помехи и искажения в линиях установить трудно, так как при приеме различных сигналов помехи и искажения сказываются не одинаково. Например, для нормальной передачи цифровых и телевизионных сигналов величина попутного потока не должна превышать 1% основного; при передаче речевых сигналов можно допустить и большее значение попутного потока.

Особое значение при выборе уровня сигнала в многопроводных линиях имеет переходное ослабление. С увеличением уровня сигнала в одной из цепей для улучшения качества повышается уровень взаимных помех и в других цепях. Поэтому, для получения прежнего качества необходимо и в этих цепях поднять уровень сигналов. А это приведет к соответствующему росту взаимных помех в первой цепи и потере качества.

Следовательно, увеличением уровня сигнала нельзя скомпенсировать взаимное влияние между цепями. Для организации качественной связи необходимо принимать меры для снижения взаимных влияний до определенных норм. К самым распространенным из этих мер относятся: скрещивание воздушных линий, скрутка, экранирование и симметрирование кабельных линий. Если нормы на переходное ослабление не выполняются для линий двухпроводной связи, то переходят к четырехпроводной, в которых передача и прием сигналов абонентов производятся по различным двухпроводным линиям.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 10

Волновое сопротивление определяется через первичные параметры по следующей формуле:

.

Если сопротивление нагрузки , то это означает, что линия нагружена согласованно. Волновое сопротивление является характеристическим, если линия рассматривается как четырехполюсник.

Существуют также приближенные формулы для расчета волнового сопротивления. Например, в области тональных частот (кГц) будут справедливы неравенства и , тогда

.

В области высоких частот, где и , получим формулу для расчета волнового сопротивления:

.

Коэффициент распространения – это характеристическая постоянная передачи линии единичной длины. Характеристическая постоянная передачи является комплексным числом и в данном случае представляется как

,

где – коэффициент затухания (ослабления), – коэффициент фазы, или волновое число. В диапазоне тональных частот (кГц), где и

.

В системах радио- и многоканальной связи линии используются в диапазоне частот, в котором и . Приближенные формулы для этого случая имеют следующий вид:

;

.

Данные приближенные формулы используются при расчете вторичных параметров магистральных линий связи (коаксиальных и симметричных кабельных) и фидеров в их рабочей полосе частот. В области высоких частот где и , приемлемые для практики результаты расчетов получаются, если положить и . Такие линии называются линиями без потерь. В этом случае , а . При подстановке первичных параметров в системе единиц СИ получается в неперах на метр (Нп/м), а – в радианах на метр (рад/м). Для того чтобы получить в децибелах на метр (дБ/м), необходимо найденные по формулам значения умножить на 8,69.

Зная волновое сопротивление и коэффициент распространения, можно найти напряжения и ток в любом сечении линии, т. е. эти величины полностью характеризуют линию и называются вторичными параметрами.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 11

Лекция № 19

Электромагнитная энергия проходит с помощью электромагнитных волн, которые распространяются либо в свободном пространстве, либо вдоль направляющих систем. В качестве направляющих систем часто используются длинные линии, которые в простейшем случае можно представить как два параллельных близко расположенных и разделенных диэлектриком провода.

Линия называется длинной, если ее геометрическая длина значительно превышает длину волны передаваемых по ней электромагнитных колебаний, поэтому «длинная» линия является понятием относительным. В зависимости от длины волны линия в несколько километров может быть короткой, а в несколько сантиметров – длинной.

Длинные линий для краткости можно называть просто линиями. По конструктивному оформлению линии делятся на воздушные, симметричные кабельные, коаксиальные кабельные, световодные кабельные, волноводные.

Направляющие системы:

а) – двухпроводная воздушная линия; б) – кабельная симметричная экранированная линия; в) – коаксиальная кабельная линия.

Воздушные линии. В качестве проводов воздушных линий в основном используется либо стальная проволока диаметром 5; 4; 2,5; 2 и 1,5 мм, либо биметаллическая сталемедная проволока диаметрами 4; 3; 2; 1,6 и 1,2 мм. Она состоит из стальной сердцевины, покрытой медной оболочкой толщиной 0,04 ... 0,2 мм. С целью экономии меди применяется также биметаллическая сталеалюминевая проволока. Проволока с помощью изоляторов закрепляется на опорах. Диэлектриком, в этом случае, является воздух. Расстояние между проводами составляет 20 или 30 см. Обычно на одной опоре располагается несколько пар проводов.

Симметричные кабельные линии. В качестве проводников симметричных кабелей используются в основном медные проводники (токопроводящие жилы) диаметрами 1,4; 1,3; 1,2; 1,1; 1,0; 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 и 0,32 мм. Также применяются алюминиевые жилы. Проводники покрываются изоляционными материалами (диэлектриками). Среди большого разнообразия этих материалов можно выделить: бумага, полистирол (стирофлекс), сплошной и пористый полиэтилен и др. Покрытые изоляцией проводники скручиваются вместе, составляя основу кабеля. Современные кабели могут составлять сотни пар проводов.

Коаксиальные кабельные линии. Коаксиальная пара (от франц. coaxiale – соосный) имеет несимметричную конструкцию – она состоит из двух проводов в форме цилиндров, один из которых помещен в центре другого. Внешний цилиндр полый, а внутренний – сплошной. Провода разделены диэлектриком. Для магистральной связи наибольшее распространение получили два типа коаксиальных пар – малогабаритные с жилами диаметром 1,2/4,6 мм (1,2 мм – диаметр внутреннего проводника, 4,6 мм – внутренний диаметр внешнего проводника) и среднего типа с жилами диаметром 2,6/9,5 мм. Кроме этого, существуют специальные радиочастотные коаксиальные кабели, которые используются в качестве соединительных линий между приемопередатчиками и антенной, которые называются фидерами.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 12

Схема замещения и первичные параметры линий.

Лекция № 20.

Основной задачей при рассмотрении линий является расчет напряжений и токов в любом сечении линии. Решение этой задачи заключается в построении схемы замещения линии, под которой понимается схема, состоящая из определенным способом соединенных индуктивностей, емкостей и сопротивлений (проводимостей).

Схема замещения линии строится на основании физических соображений о том, что линия одновременно может:

1) запасать энергию в электрическом (два параллельных провода и диэлектрик между ними образуют конденсатор) и магнитных полях (любой проводник обладает индуктивностью);

2) рассеивать энергию (любой проводник имеет сопротивление, а диэлектрик – проводимость).

Из этого следует, что линия обладает индуктивностью , емкостью , сопротивлением и проводимостью изоляции . При одной и той же конструкции линии параметры , , и зависят от длины. Чтобы сравнить между собой линии различных конструкций, их параметры определяют на единицу длины. Параметры , , и линии единичной длины называются первичными параметрами и обозначаются , Ом/м, , Ф/м, , Гн/м, , См/м. Используются также и производные от данных единиц. Например, первичные параметры линий магистральной связи определяются на 1 км длины.

Первичные параметры зависят от конструкции линии и свойств примененных материалов. Они также зависят от состояния окружающей среды. Существенным для передачи сигналов является то, что первичные параметры зависят от частоты.

Сопротивление с ростом частоты увеличивается (это объясняется поверхностным эффектом), индуктивность – несколько уменьшается (это объясняется влиянием одного проводника на другой). Частотная зависимость емкости и проводимости изоляции полностью определяется свойствами диэлектрика. В современных кабелях емкость практически не зависит от частоты, а проводимость возрастает с ее ростом.

При расчетах первичных параметров пользуются приближенными формулами.

Для двухпроводной симметричной линии сопротивление, Ом/м, индуктивность в области высоких частот, Гн/м, и емкость, Ф/м, определяются по следующим формулам:

В коаксиальной линии эти же первичные параметры находятся по следующим формулам:

В этих формулах , , – радиусы проводов, м; – расстояние между центрами проводов, м; – частота , Гц; – относительная диэлектрическая проницаемость среды, значение которой зависит от применяемых изоляционных материалов.

В области высоких частот проводимость изоляции кабельных линий обусловлена потерями в диэлектрике и находится по формуле:

,

где – диэлектрические потери.

Далее строим схему замещения линии.

Схема замещения участка длинной линии.

На рисунке показана электрическая схема линии с подключенным генератором и нагрузкой. Так как длина линии , то значение , , и легко найти через первичные параметры: ; ; ; . Поэтому, схема замещения линии представляет собой каскадное соединение Г – образных четырехполюсников.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 13

Лекция № 17.

Амплитудные детекторы (АД) преобразовывают входной АМ сигнал вида в переменное выходное напряжение, изменяющееся по закону модулирующего сигнала

,

где – коэффициент передачи детектора. Наибольшее распространение в настоящее время получили АД с нелинейными элементами.

В этом детекторе сигнал на выходе и модулирующий сигнал связаны прямой пропорциональностью, поэтому такой режим работы детектора называется линейным. Он обеспечивает отсутствие искажений модулирующего сигнала, то есть является идеальным амплитудным детектором.

Диодный детектор.

Схема простейшего АД состоит из диода, резистора нагрузки , зашунтированного по высокой частоте конденсатором и разделительной емкости .

Схема диодного детектора.

Это диодный детектор, который получил самое широкое распространение для детектирования АМ сигналов как в профессиональной, так и в бытовой радиоаппаратуре. В диодном детекторе используются в основном полупроводниковые (германиевые, кремниевые и др.) диоды.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 14

Импульсная модуляция.

При импульсной модуляции несущей является периодическая последовательность импульсов одинаковой формы, обычно прямоугольных. Эта последовательность характеризуется четырьмя параметрами: амплитудой , длительностью , частотой следования и фазой импульсов. Все они могут быть информационными. Изменяя их пропорционально мгновенным значениям модулирующего сигнала , получим четыре основных вида импульсной модуляции:

- амплитудно – импульсную (АИМ) – изменяется амплитуда импульсов;

- широтно – импульсную (ШИМ) – изменяется длительность (ширина) импульсов;

- частотно – импульсную (ЧИМ) – изменяется частота следования импульсов;

- фазово – импульсную (ФИМ) – импульсы сдвигаются относительно тактовых точек, за которые обычно принимают начало переднего фронта импульсов несущей (на рисунке отмечены кружками).

Период следования импульсов несущей определяется по теореме Котельникова , где – максимальная частота спектра модулирующего сигнала. Пределы изменения параметров импульсов выбираются такими, чтобы при модуляции импульсы не перекрывались.

Спектр при импульсных видах модуляции зависит от спектра модулирующего сигнала , вида и параметров модуляции. Аналитическое выражение спектра достаточно сложное. Однако примерный вид его можно получить из следующих рассуждений. Периодическую последовательность импульсов несущей можно разложить в ряд Фурье. При модуляции каждую из гармонических составляющих ряда Фурье можно рассматривать как индивидуальную «несущую», возле которой располагается верхняя и нижняя боковые полосы частот. А они вычисляются также как и при модуляции гармонической несущей. Кроме того, в спектре импульсных модуляций обязательно содержится низкочастотный спектр модулирующего сигнала .

Следовательно, для импульсных видов модуляции (кроме ШИМ) ширина спектра не зависит ни от вида модуляции и ее параметров, ни от модулирующего сигнала, ни от периода следования импульсов, а определяется только длительностью импульса несущей и обратно пропорциональна длительности импульса несущей. Эти рассуждения справедливы и для спектра ШИМ, но в него необходимо подставлять минимальную длительность модулированных импульсов , поскольку именно самый короткий импульс имеет наиболее широкий спектр.

Импульсные виды модуляции:

а) – импульсная несущая; б) – модулирующий сигнал; в) – амплитудно – импульсная модуляция; г) – широтно – импульсная модуляция; д) – частотно – импульсная модуляция; е) – фазо – импульсная модуляция.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 15

Лекция № 15.

Аналого – цифровое преобразование при ИКМ.

Принципы аналого – цифрового преобразования на основе ИКМ были предложены в 1940 г. Французским инженером А. Ривсом. В ИКМ аналоговый первичный сигнал подвергается преобразованию в цифровую форму с помощью трех операций:

- дискретизации по времени;

- квантования по амплитуде (уровню);

- кодирования.

Таким образом, аналого – цифровой преобразователь (АЦП) ИКМ должен содержать дискретизатор, квантователь и кодирующее устройство.

Аналого – цифровой преобразователь ИКМ.

Процесс дискретизации непрерывного сигнала сводится к определению его отсчетов через интервал времени . Для взятия отсчетов чаще всего используется электронный ключ, который через интервал времени замыкается на короткое время. В соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации должна быть не менее чем вдвое больше максимальной частоты спектра непрерывного сигнала. Например, для речевого сигнала со спектром 0,3 ... 3,4 кГц выбрана частота = 8 кГц.

В квантователе устанавливаются уровни, разрешенные для передачи. Разница между двумя ближайшими уровнями называется шагом квантования Δi. Если шаги квантования одинаковы и не зависят от уровня квантования, то квантование является равномерным. При различных шагах получается неравномерное квантование. При квантовании отсчеты непрерывного сигнала , попадающие в интервал между разрешенными уровнями, округляются до ближайшего разрешенного уровня. Из – за округления в процессе квантования возникает погрешность

,

поскольку квантованное значение отсчета отличается от истинного . Эта погрешность является специфической помехой любого АЦП и называется шумом квантования. Шум квантования представляет собой случайную последовательность импульсов, максимальное значение которых не превышает половины шага квантования.

Квантованный сигнал уже, в принципе, можно считать кодовым основанием кода , равным числу разрешенных уровней квантования. Однако многоуровневые сигналы очень не удобны для передачи, так как приемник должен уверенно различать все разрешенные уровни. Кроме того, такие сигналы такие сигналы трудно регенерировать при воздействии помех, поэтому в системах ИКМ обычно используют двоичный код.

Кодер АЦП преобразует квантованные отсчеты в кодовые комбинации, обозначающие соответствующие уровни. Чаще всего кодирование сводится к записи номера уровня в двоичной системе счисления. Это будет так называемый двоичный натуральный код. В системах связи с ИКМ применяются и другие двоичные коды (например, Грэя или симметричный), дающие несколько большую защищенность системы ИКМ от ошибок.

Таблица кодов для 16-ти уровней квантования.

В этой таблице зачерненные участки представляют 1 («единицы»), а незачерненные – 0 («нули») в кодовых комбинациях. В практических системах с ИКМ старший разряд кодовых комбинаций, как правило, указывает полярность (знак) отсчетов (обычно 1 – положительная, 0 – отрицательная полярность). При известных значениях отсчетов и шаге квантования с помощью таблицы кода можно легко построить кодовые комбинации на выходе АЦП в ИКМ.

Цифро – аналоговое преобразование при ИКМ.

Обратное преобразование цифрового сигнала в непрерывный при ИКМ осуществляется декодером и фильтром нижних частот (ФНЧ).

Цифро – аналоговый преобразователь ИКМ.

В состав декодера входит преобразователь последовательного кода в параллельный, на выходе которого появляется набор единиц и нулей принятой кодовой комбинации. Каждая единица (токовый импульс) поступает на вход сумматора с весом , где – номер разряда единицы в кодовой комбинации для натурального двоичного кода. На выходе сумматора возникает импульс, амплитуда которого определяется кодовой комбинацией на входе декодера. Например, при декодировании кодовой комбинации 01101 с 2-го и 5-го выходов преобразователя на входы сумматора напряжение не подается (нулевые импульсы), а с 1-го, 3-го и 4-го выходов подаются импульсы напряжения, увеличенные соответственно в 20, 22, 23 раза. На выходе сумматора появится напряжение пропорциональное 23+22+20=13 уровню, то есть квантованный АИМ сигнал.

Выделение из АИМ сигнала непрерывного первичного сигнала эквивалентно детектированию АИМ и осуществляется обычно ФНЧ.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 16

Лекция № 16.

Детектированием называется такое преобразование модулированного сигнала, в результате которого получается модулирующий (первичный) сигнал. Операция детектирования прямо противоположна модуляции и является нелинейной, поскольку в спектре модулированного сигнала отсутствуют спектральные составляющие модулирующего сигнала, поэтому детекторы являются, как правило, нелинейными устройствами, редко – параметрическими.

Обобщенная структурная схема детектора состоит из последовательного соединения двух элементов: нелинейного (параметрического) преобразователя, на выходе которого при воздействии модулированного сигнала появляются составляющие модулирующего сигнала и фильтра нижних частот (ФНЧ), предотвращающего прохождение на выход детектора высокочастотных составляющих.

Любой детектор характеризуется: детекторной характеристикой, коэффициентом передачи, частотной характеристикой.

Детекторной характеристикой называется зависимость постоянной составляющей напряжения на выходе детектора от изменения информационного параметра несущей, подводимой к нему. Например, величина зависит: в детекторе АМ сигналов от амплитуды , в детекторе ЧМ сигналов от частоты , в детекторе ФМ сигналов от фазы . Для обеспечения детектирования без искажений детекторная характеристика должна быть линейной – представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом к оси абсцисс.

Коэффициент передачи детектора определяется для гармонического модулирующего сигнала и равен отношению амплитуды гармонического сигнала на выходе детектора к амплитуде приращения информационного параметра несущей. Коэффициент передачи детектора можно определить из детекторной характеристики как , где – масштабный коэффициент пропорциональности.

Частотная характеристика детектора представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения детектора от частоты модулирующего гармонического сигнала. Она имеет такой же вид, как и частотная характеристика модулятора. (1. Рисунок 6.6.). По частотной характеристике детектора определяют как линейные (частотные) искажения в детекторе, так и полосу эффективно передаваемых частот.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 17

Частотные детекторы (ЧД) преобразуют частотно – модулированный сигнал вида в выходное напряжение, изменяющееся по закону модулирующего сигнала,

,

где – коэффициент передачи частотного детектора.

Для выделения модулирующего сигнала из ЧД сигнала, спектр которого состоит из высокочастотных составляющих (несущая и боковые частоты), нелинейного устройства недостаточно. В реакции любого нелинейного элемента на ЧМ сигал имеются только модулированные гармонические частоты несущей и нет низкочастотных составляющих. Поэтому, для детектирования ЧМ сигнала требуется его дополнительное преобразование.

В зависимости от характера преобразований ЧМ существуют частотно - амплитудные, частотно – фазовые и частотно – импульсные детекторы. В частотно – амплитудных детекторах изменение частоты сигнала преобразуется в изменение амплитуды, которое затем выделяется амплитудным детектором. В частотно – фазовых детекторах изменение частоты преобразуется в изменение фазового сдвига между двумя напряжениями с последующим фазовым детектированием. В частотно – импульсных детекторах ЧМ сигнал преобразуется в один из видов импульсной модуляции, например ЧИМ. Частота следования импульсов дальше может подсчитываться счетчиками.

Частотно – амплитудный детектор.

Наиболее часто в качестве частотно – амплитудного преобразователя применяют колебательный контур. Рабочая точка выбирается на одной из ветвей резонансной характеристики контура. Однако одиночный колебательный контур имеет незначительный линейный участок преобразования, поэтому обычно используют два колебательных контура, расстроенных симметрично относительно несущей частоты входного сигнала. Подключив к каждому контуру индивидуальный АД, получим балансный ЧД с взаимно расстроенными контурами.

Частотно – амплитудный детектор с расстроенными контурами:

а) – принципиальная схема; б) – условное обозначение.

Принцип работы схемы виден из рисунка, на котором показаны напряжения на выходах АД, пропорциональные резонансной кривой контуров (штриховая линия), и результирующее напряжение на выходе (сплошная линия).

Первый из контуров настроен на частоту выше средней принимаемого ЧД сигнала , второй – на частоту ниже средней . Величина расстройки контуров выбирается больше девиации частоты , чтобы работа ЧД проходила на одной из ветвей резонансной кривой контура (левей первого контура и правей второго). Для несущей частоты и . Если частота сигнала возрастает, то она приближается к резонансной частоте первого контура и удаляется от частоты настройки второго контура. Напряжение на первом контуре увеличивается, а на втором уменьшается. При понижении частоты сигнала, наоборот, увеличивается напряжение на втором контуре и уменьшается на первом. Частотно – модулированный сигнал становится амплитудно – частотно – модулированным и детектируется уже диодным АД.

Частотный детектор с двумя расстроенными контурами обладает высокими качественными показателями, но он сложен в изготовлении и настройке. Находит применение при изготовлении частотно – избирательных цепей ЧД на основе монолитных фильтров (RC, пьезоэлектрических, пьезокерамических, микрополосковых) в составе многофункциональных микросхем.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 18

Лекция № 18.

Одной из особенностей видов импульсной модуляции АИМ, ЧИМ, ШИМ и ФИМ является наличие в их спектре составляющих модулирующего сигнала , поэтому для их детектирования не требуется нелинейных элементов, необходимо выделить фильтром спектральные составляющие . Амплитудно – частотная характеристика фильтра должна приближаться к идеальной, и граничные частоты полосы пропускания фильтра устанавливаются равными минимальной и максимальной частотам спектра модулирующего сигнала. Для первичных сигналов , у которых (например, сигналы речевые и звукового вещания), для фильтрации применяется обычно ФНЧ. На выходе ФНЧ, подав на его вход импульсно – модулированный сигнал, получаем напряжение, пропорциональное модулирующему сигналу .

Если скважность импульсов большая , то составляющая частоты модуляции в спектре АИМ сигнала мала. В этом случае используется пиковый детектор, который позволяет получить больший уровень выходного сигнала, чем ФНЧ. Пиковым называется амплитудный детектор, выходное напряжение которого пропорционально амплитуде импульсов и сохраняется приблизительно постоянным на интервале периода следования импульсов .

В спектре сигналов ФИМ уровень составляющих частоты модуляции незначителен и, кроме того, он зависит от частоты модуляции, поэтому детектирование сигналов ФИМ фильтром нижних частот осуществляться не может. Сигналы ФИМ сначала преобразовываются в АИМ или ШИМ сигналы, которые затем детектируются ФНЧ.

Для повышения помехоустойчивости всех видов импульсной модуляции, за исключением АИМ, перед детектированием осуществляется регенерация – восстановление формы импульсов.

Детекторы импульсно – модулированных сигналов:

а) – АИМ; б) – ШИМ и ЧИМ; в) – ФИМ.

При детектировании дискретно – модулированных (манипулированных) сигналов нужно исходить из того, что этот вид модуляции является частным случаем аналоговых видов модуляции, поэтому для детектирования манипулированных сигналов могут быть использованы ранее рассмотренные детекторы.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

волновод - это... Что такое волновод?

Волноводы - это... Что такое Волноводы?

Радиоволновод — линия передачи СВЧ, описываемая телеграфным уравнением, служащая для передачи радиоизлучения.

Соединитель волноводный. Для соединения участков прямоугольного волноводного тракта

Описание

Боковая поверхность канала радиволновода является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая или магнитная проницаемости и электропроводность. Эта поверхность может иметь произвольную форму, применяются цилиндрические радиоволноводы с разнообразными сечениями (прямоугольные, круглые, Н- и П-образные и пр.).

К радиоволноводам, обычно относят только такие, у которых канал имеет односвязное сечение. Остальные рассматриваются в теории длинных линий.

Свойства

Главная особенность радиоволновода заключается в том, что в нем могут распространятся волны, длина волны которых меньше или сравнима с характерным поперечным размером волновода. Это обуславливает применение радиоволноводов главным образом в области сверхвысоких частот.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Основным преимуществом металлических радиволноводов по сравнению с двухпроводной симметричной и коаксиальной линиями является малость потерь на СВЧ.

Причины этого:

Недостатки

Применение

Радиоволноводы, в основном, служат для передачи энергии в СВЧ трактах (например, от передатчика к антенне). Такой тракт обычно состоит из различных (по форме и размерам) радиволноводов, угловых изгибов и пр. Для сочленения радиоволноводов разных поперечных сечений применяются плавные волноводные переходы с переменным сечением (например, рупорный переход).

Wikimedia Foundation. 2010.

Волновод

Волновод – полая или заполненная диэлектриком металлическая труба, в которой осуществляется направленное движение электромагнитного поля. В волноводе практически отсутствуют потери излучения. Потери проводимости в металле из-за отсутствия по сравнению с коаксиалом внутреннего провода, в волноводе меньше, чем в коаксиальной линии: волновод заполненный воздухом, имеет малые диэлектрические потери.

Волноводы чаще всего используют в диапазоне СВЧ, поскольку на этих частотах в коаксиальных кабелях имеется значительное затухание электромагнитных волн (передающие спутниковые антенны). На сантиметровых волнах линию во многих случаях заменяют волноводом, представляющим собой металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна. Стенки волновода играют роль экрана, не дающего электромагнитным волнам распространяться в разные стороны и заставляющего их перемещаться только вдоль волновода.

Также, волноводы используют для передачи мощности на большие расстояния (например в передающих ТВ антеннах, расположенных на телемачте).

Полосковый волновод

Полосковый волновод представляет собой плоские передающие линии, состоящие из двух или трех очень тонких проводников, отделенных друг от друга диэлектриком. Полосковые волноводы широко используются в технологии печатного монтажа. Обычно полосковые волноводы используются для следующих целей: 1. В качестве линий передачи высокочастотной мощности в диапазонах от сотен МГц до десятков тысяч МГц; 2. Для создания простых СВЧ-фильтров нижних и высоких частот; 3. Для разветвителей мощности;

4. В качестве перехода к коаксиальным линиям или к волноводным трактам. В полосковых волноводах используют высококачественные диэлектрики – флоропласт, полистирол, проводники выполняют из меди, в некоторых случаях из серебра.

Преимущества и недостатки волноводов

По сравнению с коаксиальной линией потери энергии в волноводе меньше, так как отсутствует внутренний провод и нет никаких изоляторов. Наибольшее напряжение в волноводе получается между диаметрально противоположными точками его внутренней поверхности, если волновод имеет круглое сечение), или между противоположными стенками, если его сечение прямоугольное. Расстояние между этими точками больше, чем расстояние между проводами в коаксиальной линии, и поэтому опасность пробоя при высоких напряжениях значительно меньше.

Однако волноводы имеют свой недостаток, который ограничивает их применение. В коаксиальной или симметричной линии могут распространяться волны любой частоты, а в волноводе возможно распространение только волн, у которых частота выше некоторой определенной величины, называемой критической частотой fKp. Иначе говоря, в волноводе могут распространятьея только волны, у которых длина короче некоторой критической длины волны (ламбда)кр. Критическая длина волны приблизительно вдвое больше поперечного размера волновода. Если волновод имеет диаметр 3 см, то критическая длина волны будет примерно (ламбда) —6 см. Более длинные волны через такой волновод распространяться не могут.

Вдоль волновода всегда наблюдается некоторое затухание волны, т. е. ее энергия постепенно уменьшается. Это объясняется тем, что на внутренней поверхности стенок волновода создаются токи, которые расходуют часть своей энергии на нагрев металла. Потери энергии отсутствовали бы только в случае стенок из идеального проводника.

Статьи по теме: Технические характеристики коаксиального кабеля РК


Смотрите также




© 2012 - 2020 "Познавательный портал yznai-ka.ru!". Содержание, карта сайта.