Коаксиальный кабель

Коаксиальная цепь представляет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем сплошной внутренний цилиндрический проводник расположен по оси внутри полого цилиндра.

При передаче электрических сигналов по коаксиальному кабелю (КК) токи проводимости циркулируют по центральному проводнику и оболочке, порождая электромагнитную волну. Взаимодействие электрических полей внутреннего и внешнего проводников КК такового, что его внешнее поле равно нулю. Силовые линии магнитного поля, создаваемые встречными токами в КК, располагаются в виде концентрических окружностей внутри оболочки, взаимно уничтожаясь снаружи. Электрическое поле также замыкается внутри КК по радиальным направлениям между центральным проводником и оболочкой, и поэтому вне кабеля поле равно нулю. Таким образом, в КК из-за отсутствия внешнего поля нет помех на соседние цепи, и кроме того, потерь в окружающих его массах, поэтому вся энергия распространяется внутри кабеля.

Волноводы. Волновод (ВВ) ‑ канал для распространения волн. Конструктивно ВВ представляет собой полую металлическую трубу круглого или прямоугольного сечения, изготовленную из хорошо проводящего материала. Известны также волноводы других конструкций – эллиптические, П-образные, Н-образные. Обычно ВВ делаются биметаллическими – наружная силовая часть изготавливается из конструкционного материала – сталь, сплавы, а внутренняя – из материалов с высокой проводимостью – медь, серебро, золото.

Передача по ВВ электромагнитной энергии может быть описана с достаточной точностью теми же законами, что и при свободном излучении ЭМВ в пространстве.

Теоретически и экспериментально установлено, что при передаче по круговому волноводу диаметром 0,6 см может быть достигнута дальность порядка 40 км

В волноводе электромагнитное поле полностью экранируется и потери на излучение должны отсутствовать. Диэлектрические потери в волноводе также очень малы. Потери в металле у вол­новода существенно меньше, чем у симметричной или коаксиальной цепи. У коаксиального кабеля, например, большая часть потерь (80%) вызывается внутренним проводом, так как периметр его сечения намного меньше, чем наружного. Таким образом, минимальные потери у волновода, затем у коаксиального кабеля, и, наконец, у симметричного максимальные. Достоинством волновода является также то, что по нему можно пропускать большую мощность, чем по коаксиальному кабелю.

Резюмируя, можно отметить, что достоинствами волновода является:

Ø возможность передачи весьма высоких частот — порядка 10¹¹ — 10¹² Гц;

Ø полная экранировка поля;

Ø малые потери при большой мощности;

Ø простота конструкции.

К недостаткам волноводов относятся:

Ø наличие критической частоты, в связи, с чем волновод не пропускает частот, длины волн которых больше, чем диаметр волновода;

Ø жесткие требования к точности изготовления, прокладки и монтажа. Так, допустимый изгиб на длине 10 м не должен превышать 5 см.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металлических кабелей. К ним относятся: большая пропускная способность, малое затухание, малые масса и габариты, высокая помехозащищенность, надежная техника безопасности, практически отсутствующие взаимные влияния, малая стоимость из-за отсутствия в конструкции цветных металлов.

В ВОЛС применяют электромагнитные волны оптического диапазона. Напомним, что видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, т.е. излучение с длиной волны более 760 нм.

Принцип распространения оптического излучения вдоль оптического волокна (ОВ) основан на отражении от границы сред с разными показателями преломления (Рис. 4). Оптическое волокно изготавливается из кварцевого стекла в виде цилиндров с совмещенными осями и различными коэффициентами преломления. Внутренний цилиндр называется сердцевиной ОВ, а внешний слой - оболочкой ОВ.

Рис. 4. Принцип распространения оптического излучения

Угол полного внутреннего отражения, при котором падающее на границу двух сред излучение полностью отражается без проникновения во внешнюю среду, определяется соотношением , где n₁ - показатель преломления сердечника ОВ, n₂ - показатель преломления оболочки ОВ, причем n₁ > n₂. Излучение должно вводится в волокно под углом к оси меньшим q_КР.

В зависимости от вида профиля показателя преломления сердцевины различают ступенчатые и градиентные ОВ. У ступенчатых ОВ показатель преломления сердцевины постоянен (Рис. 5, а). У градиентных ОВ показатель преломления сердцевины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (Рис., 5 б).

Рис. 5. Профиль показателя преломления ступенчатого (а) и градиентного (б) ОВ

В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

Ø многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 6,а);

Ø многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 6,б);

Ø одномодовое волокно (рис. 6, в).

Рис. 6. Типы оптического кабеля

Рис. 7. Конструкция оптического кабеля: 1 - ОВ, 2 - полиэтиленовая трубка, 3 - силовой элемент, 4 и 5 - соответственно внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле (Single Mode fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая — до сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть энергии.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм - это диаметр центрального проводника, а 125 мкм — диаметр внешнего проводника.

Рис. 8. Спектральная характеристика коэффициента затухания ОВ

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет более сложный характер.

Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания — от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод.

На Рис. 7 приведен пример конструкции оптического кабеля.

Затухание ОВ неоднородно для разных длин волн. Зависимость коэффициента затухания ОВ от рабочей длины волны приведена на Рис. 8. Данная зависимость имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически первым было освоено первое окно прозрачности на рабочей длине волны 0.85 мкм.

Первые полупроводниковые излучатели (лазеры и светодиоды) и фотоприемники были разработаны именно для данной длины волны. Коэффициент затухания в первом окне значителен и составляет единицы дБ/км. Позднее были созданы излучатели и фотоприемники, способные работать на больших длинах волн (1,3 и 1,55 мкм). Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффициентами затухания. Современная технология позволяет получить ОВ с коэффициентом затухания порядка сотых долей дБ/км.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

o светодиоды;

o полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Для многомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1550 нм (1,55 мкм), 1300 нм (1,3 мкм) и 850 нм (0,85 мкм). Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Излучатели с длиной волны 850 нм существенно дешевле, чем излучатели с длиной волны 1300 нм, но полоса пропускания кабеля для волн 850 нм уже, например 200 МГц/км вместо 500 МГц/км.

Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 и 1550 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный поток света, за счёт чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании некогерентного потока светодиодов.

Использование только нескольких длин волн для передачи информации в оптических волокнах связанно с особенностью их амплитудно-частотной характеристики. Именно для этих дискретных длин волн наблюдаются ярко выраженные максимумы передачи мощности сигнала, а для других волн затухание в волокнах существенно выше.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток — сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако, проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования. Так, присоединение оптического волокна к разъему требует проведения высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения путем сложной операции склеивания, а не обжатия, как это делается для витой пары. Выполнение же некачественных соединений сразу резко сужает полосу пропускания волоконно-оптических кабелей и линий.

Атмосфера и открытый космос представляют собой примеры ненаправляемых сред, предоставляющих средства передачи электромагнитных сигналов, но не направляющих их; используемая в этом случае форма передачи обычно называется беспроводной.

Характеристики и качество передачи данных определяются

· характеристиками среды

· и характеристиками сигнала.

В направляемой среде более важным фактором, накладывающим ограничения на передачу, является сама среда.

При определении характеристик передачи в ненаправляемой среде более важным фактором является не сама среда, а ширина полосы сигнала, генерируемого передающей антенной. Одной из ключевых характеристик сигналов, передаваемых антенной, является их направленность. В общем случае сигналы низких частот являются ненаправленными, т.е. сигнал распространяется во всех направлениях от антенны. Сигналы высоких частот, наоборот, можно сфокусировать в направленный луч.

На рис. 5 изображен спектр электромагнитных волн и обозначены частоты, на которых функционируют различные направляемые среды, и указаны методы ненаправленной передачи.

Рис. 5. Электромагнитный спектр телекоммуникационных технологий

В ненаправляемых средах передача и прием производятся с помощью антенны. При передаче антенна излучает электромагнитную энергию в среду (обычно воздух), а при приеме антенна улавливает электромагнитные волны из окружающей среды. Существуют, по сути, две формы беспроводной передачи: направленная и ненаправленная. При направленной передаче передающая антенна излучает сфокусированный электромагнитный луч; следовательно, передающая и приемная антенны должны быть тщательно нацелены. При ненаправленной передаче передаваемый сигнал распространяется во всех направлениях и может быть принят множеством антенн. Вообще чем выше частота сигнала, тем легче его сфокусировать в направленный луч.

Представляют интерес три основных диапазона частот, в которых можно вести беспроводную передачу.

Частоты в диапазоне от 2 ГГц (1 ГГц = 10⁹ Гц) до 40 ГГц называются сверхвысокими частотами (СВЧ). На этих частотах возможно создание узконаправленных лучей, сверхвысокие частоты также вполне подходят для двухточечной передачи и используются в спутниковой связи.

Для ненаправленной связи удобно использовать частоты из диапазона 30 МГц-1 ГГц. Этот диапазон частот обычно называется диапазоном широковещательного радио и видео.

Еще один диапазон частот — инфракрасная часть спектра. Она охватывает частоты приблизительно от 3×10¹¹ до 2×10¹⁴ Гц. Передача в инфракрасном диапазоне полезна в приложениях ближней двухточечной и многоточечной связи в замкнутом пространстве, например комнате.

Наземная связь с использованием СВЧ (релейная связь)