Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч - страница 31

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 

0< g g 2<1.

Останній вираз називають умовою "стійкості" резо­натора із квадратичною корекцією.

Велике поширення в техніці МСМ хвиль одержали та­кож напівсферичні резонатори, які складаються із одного плоского та одного сферичного дзеркал. Відомо, що в на-півсферичному ВР основними коливаннями є азимутально-однорідні коливання TEMm0q. Добротність коливань на-

півсферичного ВР залежить від дифракційних втрат (втрат на випромінювання) на краях плоского і сферичного дзер­кал, омічних втрат на тих самих дзеркалах, втрат на зв'я­зок, втрат на загасання у середовищі.

За коливальну систему можна також ефективно вико­ристовувати ВР із дзеркалами, виконаними у вигляді дво­гранних відбивачів. Резонатор із двогранними відбивачами характеризується дуже малими дифракційними втратами і порівняно мало чутливий до перекосів відбивачів. У мі­ліметровому діапазоні його виготовлення порівняно із конфокальним резонатором простіше.

Квазіоптичні системи з періодичними металевими неоднорідностями. Для збудження об'ємних хвиль у ква­зіоптичних системах широко застосовуються періодичні структури (див. п. 4.4), які з урахуванням специфіки МСМ-діапазону одержали назву дифракційних решіток. Основні типи квазіоптичних систем із періодичними неодноріднос-тями наведені на рис. 4.36.

На базі напівсферичного ВР із дифракційною решіт­кою (див. рис. 4.36 а), розміщеною в центральній частині плоского дзеркала, реалізовані генератори дифракційного
випромінювання (ГДВ) [30], принцип дії яких ґрунтується на використанні ефекту дифракційного випромінювання.

Збуджувані у ВР об'ємні хвилі, відбиваючись від сфе­ричного дзеркала, падають на решітку і, трансформуючись у поверхневі, взаємодіють із електронним потоком (ЕП). При цьому в такій системі можлива реалізація режимів ге­нерації і підсилення електромагнітних хвиль. Отже, вихід­ні характеристики ГДВ істотно обумовлюються властивос­тями використаного ВР. Наявність періодичної структури вВР ГДВ значно видозмінює характеристики описаних ви­ще класичних резонансних квазіоптичних структур. Ос­новним у такому ВР є TEM 20q тип коливання.

Уперше хвилевідний варіант підсилювача на ефекті Сміта-Парселла (дифракційного випромінювання) був за­пропонований у [32], де нерелятивістський ЕП взаємодіє із біжучою хвилею дифракційного випромінювання у відкри­тій хвилевідній системі, яка утворена поверхнями пасивно­го і активного (з дифракційною решіткою) дзеркал (див. рис. 4.36 б).

Перспективними в плані створення нових модифікацій пристроїв електроніки і техніки МСМ хвиль є також бага-тозв'язні квазіоптичні системи, які містять не менше двох джерел об'ємних хвиль. Зокрема, до таких систем можна віднести зв'язані ВР, які можуть бути реалізовані як за ра­хунок послідовного розміщення вздовж загальної осі, на­приклад, двох напівсферичних ВР (див. рис. 4.36 а), так і за рахунок паралельного включення ВР відносно осі розподі­леного джерела випромінювання (рис. 4.36 в).

У першому випадку зв'язок у таких пристроях реалізу­ється через дифраговане на краях дзеркал поле, а у друго­му варіанті - через стрічкові решітки, розміщені в об'ємі сфероїдального ВР, поділяючи його на два напівсферичні резонатори. Пристрої, виконані на зв'язаних ВР, порівняно із однорезонаторними мають ряд переваг: більш широку смугу пропускання, можуть ефективно використовуватися як електродинамічні системи підсилювачів потужності і помножувачів частоти [30].

Відкритий хвилевід, утворений двома дифракційними решітками плоскої або циліндричної форми (див. рис. 4.36 г), також належить до багатозв'язної квазіоптич­ної системи, яка може бути використана при створенні під­силювача на ефекті Сміта-Парселла. Ефект підсилення в такій системі реалізується шляхом використання двох ди­фракційно зв'язаних джерел випромінювання, одне з яких (активне) утворене системою «відбивна решітка-ЕП», а інше (пасивне) являє собою пристрій введення-виведення енергії, виконаний у вигляді системи ДР-ДХ. При квазі-синхронізмі швидкості ЕП з однієї із поверхневих хвиль дифрагованого на решітці поля відбувається групування електронів у згустки, які випромінюються на частоті вхід­ного сигналу. На решітці пасивного дзеркала відбувається зворотне перетворення об'ємної хвилі в поверхневу хвилю діелектричного хвилеводу із подальшим її перевипроміню-ванням у відкритий хвилевід. За умови синфазного випро­мінювання з активного і пасивного джерел спостерігається ефект підсилення повільною хвилею просторового заряду ЕП прямої хвилі ВХ.

При збудженні системи двома пасивними джерелами випромінювання (діелектричними хвилеводами) (див. рис. 4.36 г) відбувається послідовне перетворення поверх­невих хвиль у просторові, а просторових - у поверхневі. Уздовж осі системи формуються синфазні і протифазні хвилі, у результаті інтерференції яких відбувається розді­лення падаючої і відбитої потужностей, що дозволяє на ба­зі такої системи створити квазіоптичний спрямований від-галужувач [33].

При реалізації напівпровідникових джерел МСМ-хвиль і елементної бази широке застосування знайшли кутиково-ешелетні ВР. На базі таких електродинамічних систем за­пропоновані різні модифікації квазіоптичних твердотіль-них генераторів накачування із сферо-кутиково-ешелетними ВР, які конструктивно реалізовані за схемою із реактивновідбивними і прохідним резонаторами [34].

Різноманітність пристроїв релятивістської електроніки [35, 36] зумовила необхідність розроблення спеціальних відкритих резонансних і хвилевідних електродинамічних систем, які мають підвищену електричну міцність і ефек­тивну селекцію типів коливань. До таких резонансних сис­тем належить, наприклад, кільцевий резонатор, який являє собою сукупність дзеркал, розміщених таким чином, щоб промінь, зазнавши відбиття від резонаторних дзеркал, за­микався сам на себе (режим біжучих хвиль). У МСМ діа­пазоні перспективним є використання також брегівських резонаторів. Конструктивно вони складаються із резонато­рів Фабрі-Перо, дзеркала яких утворюють зубчасті або хвилясті дзеркальні поверхні. Відрізняючись багатофунк-ціональністю, брегівський резонатор є багаточастотною системою. Крім того, для хвилі накачування, яка поширю­ється вздовж осі резонатора, система дзеркал є високосе-лективною сповільнювальною структурою. Із хвилевідних систем в основному застосовуються нерегулярні або слаб­ко нерегулярні хвилеводи. До їх різновидів можна віднести надрозмірні хвилеводи різних форм і перерізів, хвилеводи із періодичними неоднорідностями, такими, як провідні спіралеподібні, типу «гребінка», штирові, брегівські, діаф­рагмовані та інші різні різновиди діелектричних хвилево­дів.

Квазіоптичні системи із періодичними металодіе-лектричними структурами (МДС)

Багатозв'язні системи, виконані у вигляді ВР і ВХ, в об'ємі яких розміщена МДС, дозволяють реалізувати різні режими трансформації енергії поверхневих хвиль в об'ємі [30].

Найпростіша електродинамічна система із МДС схема­тично зображена на рис. 4.37 а. Вона утворена металевим дзеркалом і діелектричним шаром із проникністю e , на бі­чній поверхні якого нанесена стрічкова дифракційна реші­тка. Уздовж решітки розміщене розподілене джерело ви­промінювання, яке залежно від параметрів системи може збуджувати різні просторові гармоніки випромінювання із номерами n =0, ±1, ±2, ... і щільністю енергії Sn. Зокрема,
^к- y

22^

 

5

аб Рисунок 4.37 - Приклади виконання квазіоптичних си­стем з МДС: а - металодіелектричний канал; б - відкритий резонатор з МДС (1 - відбивні дзеркала; 2 - стрічкова ди­фракційна решітка; 3 - джерело когерентної хвилі (ЕП або ДХ); 4 - вихід енергії; 5 - діелектричний шар)


3Для такої системи розроблені чисельні і експеримента­льні методи моделювання різних режимів дифракційного і черенковського випромінювань, які дозволяють визначити кількісні співвідношення густини енергії просторових гар­монік і оптимізувати параметри електродинамічної систе­ми відповідно до поставленого завдання. При цьому кути гармонік ДВ визначаються таким співвідношенням [30]:h + n

Yne = arCC0S kj^- >

де h = k / b 0;

k - хвильове число;

b0 - відносна швидкість електронів.

Природним переходом від найпростіших систем (див. рис. 4.37 а) до більш складних є відкритий резонатор з МДС (див. рис. 4.37 б), який утворений, наприклад, сфери­чним дзеркалом із виводом енергії і плоским дзеркалом з відбивною дифракційною решіткою. Між дзеркалами ВР розміщена МДС, виконана у вигляді діелектричного резо­натора. Така електродинамічна система є базовою при створенні дифракційно-черенковських генераторів. На рис. 4.37 б наведені можливі режими збудження об'ємних хвиль розподіленим джерелом випромінювання, розміще­ним уздовж границь діелектричної призми зі стрічкової ДР і відбивної ДР. Встановлено, що введення у відкритий ре­зонатор МДС приводить до якісно нових електродинаміч­них властивостей такої системи: при зміні параметрів МДС можлива реалізація режимів загасання енергії у ВР, збіль­шення амплітуди коливань і їх добротності, селекції коли­вань. Виявлені властивості такої системи пояснюються у рамках фізичної моделі дифракційно-черенковського ви­промінювання для МДС кінцевої товщини [37]. Такі сис­теми можуть бути використані при реалізації конкретних приладів електроніки, наприклад, дифракційно-черенковського генератора та черенковської ЛЗХ [38].

Більш докладну інформацію щодо матеріалів даного підрозділу можна одержати із монографій [28-32, 35] і оглядових статей останніх років [34, 36, 39-41].4.9 Основні принципи побудови телекомунікацій­них систем зв'язку НВЧ-діапазону

Оскільки електромагнітні хвилі НВЧ діапазону широко застосовуються в телекомунікаційних системах зв'язку, то при розгляді НВЧ техніки доцільним є стислий аналіз ос­новних принципів побудови таких систем, які для широко­го кола споживачів характеризуються терміном «бездрото­вий зв'язок» [42].

Можливість передавати інформацію без наявності лі­ній передачі, описаних у даному розділі, завжди була дуже привабливою. Як тільки технічні можливості ставали до­статніми для того, щоб новий вид таких послуг набув двох необхідних складових успіху - зручності використання та низької вартості, - успіх йому був гарантований. Останній тому доказ - мобільна телефонія.

Починаючи із середини 90-х років досягла необхідної зрілості і технологія мобільних комп'ютерних мереж. З по­явою стандарту IEEE 802.11 у 1997 році з'явилася можли­вість будувати мобільні мережі Ethernet, які забезпечують взаємодію користувачів незалежно від того, у якій країні вони перебувають і обладнанням якого виробника вони користуються.

Бездротові мережі часто зв'язують із радіосигналами, однак це не завжди правильно. Бездротовий зв'язок вико­ристовує широкий діапазон електромагнітного спектра, від радіохвиль низької частоти у декілька кілогерц до видимо­го світла, частота якого становить приблизно 8 х1014 Гц (див. рис. В1 і табл. 4.1).

Умовно бездротові системи передавання інформації поділяються на чотири групи:

1) діапазон до 300 МГц має загальну стандартну назву - радіодіапазон (див. рис. В1). Союз ITU розділив його на декілька піддіапазонів, починаючи від наднизьких частот (Extremely Low Frequency, ELF) і закінчуючи надвисокими(Extra High Frequency, EHF, див. табл. 4.1). Звичні для нас радіостанції працюють у діапазоні від 20 кГц до 300 МГц, і для цих діапазонів існує хоча і не чітка, однак часто вико­ристовувана назва широкомовне радіо. Сюди потрапляють низькошвидкісні системи AM- і FМ-діапазонів, призначені для передавання даних зі швидкостями від декількох де­сятків до сотень кілобіт за секунду. Прикладом можуть бу­ти радіомодеми, які з'єднують два сегменти локальної ме­режі на швидкостях 2400, 9600 або 19200 Кбіт/с;

2)  кілька діапазонів від 300 МГц до 3000 ГГц (див. табл. 4.1) мають також нестандартну назву мікрохвильових діапазонів. Мікрохвильові системи становлять найбільш широкий клас систем, який поєднує радіорелейні лінії зв'язку, супутникові канали, бездротові локальні мережі та системи фіксованого бездротового доступу, названі також системами бездротових абонентських закінчень (Wireless Local Loop, WLL);

3)  вище мікрохвильових діапазонів розміщується ін­фрачервоний діапазон. Мікрохвильовий та інфрачервоний діапазони також широко використовують для бездротової передавання інформації. Оскільки інфрачервоне випромі­нювання не може проникати через стіни, то системи інфрачервоних хвиль використовують для утворення неве­ликих сегментів локальних мереж у межах одного примі­щення;

4)  останніми роками видиме світло також стало засто­совуватися для передавання інформації (за допомогою ла­зерів). Системи видимого світла використовуються як ви-сокошвидкісна альтернатива мікрохвильовим двоточковим каналам організації доступу на невеликих відстанях.

Бездротова лінія зв'язку будується відповідно до до­сить простої схеми (рис. 4.38).&»))))>|

 

 

Рисунок 4.38 - Спрощена схема бездротової лінії зв'язку

 

Кожний вузол лінії зв'язку оснащується антеною, яка одночасно є передавачем і приймачем електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі пошируються в атмосфері або вакуумі зі швидкістю 3 х108 м/с у всіх напрямках або ж у межах певного сектора залежно від типу антени.

На рис. 4.38 показана параболічна антена (див. п. 4.6), яка є спрямованою. Інший тип антен - ізотропні антени, які являють собою вертикальний провідник довжиною у чверть хвилі випромінювання і є неспрямованими. Вони широко використовуються в автомобілях і портативних пристроях. Поширення випромінювання у всіх напрямках можна також забезпечити декількома спрямованими анте­нами.

Оскільки при неспрямованому поширенні електромаг­нітні хвилі заповнюють увесь простір (у межах певного радіуса, обумовленого загасанням потужності сигналу), то цей простір може бути розділювальним середовищем. По­діл середовища передавання породжує ті ж проблеми, що і у локальних мережах, однак тут вони збільшуються тим, що простір на відміну від кабелю є загальнодоступним, а не належить одній організації. Крім того, лінія передаван­ня строго визначає напрямок поширення сигналу у просто­рі, а «бездротове середовище» є неспрямоване.

Для передавання дискретної інформації за допомогою бездротової лінії зв'язку необхідно модулювати електро­магнітні коливання передавача відповідно до потоку пере­даних бітів. Цю функцію здійснює DCE-пристрій, розмі­щений між антеною та DTE-пристроєм, яким може бути комп'ютер, комутатор або маршрутизатор комп'ютерної мережі.

Потреба у швидкісному передавання інформації є пе­реважаючою, тому всі сучасні системи бездротового пере­давання інформації працюють у високочастотних діапазо­нах, починаючи із 800 МГц, незважаючи на переваги, які дають низькочастотні діапазони завдяки поширенню сиг­налу вздовж поверхні землі або відбиття від іоносфери.

Для успішного використання мікрохвильового діапа­зону необхідно також враховувати додаткові проблеми, пов'язані із поведінкою сигналів, які поширюються в ре­жимі прямої видимості та тих, які стикаються на своєму шляху з перешкодами. На рис. 4.39 показано, що сигнал, зустрівшись із перешкодою, може поширюватися відповід­но до трьох механізмів: відбиття, дифракції та розсіюван­ня.

У результаті подібних явищ, які завжди спостерігають­ся при бездротовому зв'язку у місті, приймач може одер­жати кілька копій того самого сигналу. Такий ефект нази­вається багатопроменевим поширенням сигналу. Оскільки час поширення сигналу вздовж різних шляхів буде в за­гальному випадку різним, то може також спостерігатися і міжсимвольна інтерференція.

Викривлення через багатопроменеве поширення приз­водять до ослаблення сигналу, цей ефект називається ба-гатопроменевим завмиранням. У містах багатопроменеве завмирання приводить до того, що ослаблення сигналу стає пропорційним не квадрату відстані, а його кубу або навіть четвертій степені.Проблема високого рівня перешкод бездротових кана­лів вирішується різними засобами. Важливу роль відігра­ють спеціальні методи кодування, які розподіляють енер­гію сигналу в широкому діапазоні частот. Крім того, пере­давачі сигналу (і приймачі, якщо це можливо) намагаються розмістити на високих вежах, щоб уникнути багаторазових відбиттів. Ще одним способом є застосування протоколів із установленням з'єднань і повторними передачами кадрів уже на канальному рівні стека протоколів. Ці протоколи дозволяють швидше корегувати помилки, тому що вони працюють із меншими значеннями тайм-аутів, ніж коригу­вальні протоколи транспортного рівня, такі як, TCP (Transmission Control Protocol).

Особливого значення в цьому напрямку набуває так звана «техніка розширеного спектра»», яка розроблена спеціально для бездротового передавання. Вона дозволяє поліпшити перешкодостійкість коду для сигналів малої по­тужності, що дуже важливо для мобільних застосувань. Однак необхідно зазначити, що техніка розширеного спек­тра - не єдина техніка кодування, яка застосовується длябездротових ліній зв'язку мікрохвильового діапазону. Тут також застосовуються частотна (FSK) і фазова (PSK) мані­пуляції. Амплітудна маніпуляція (ASK) не використову­ється з тієї причини, що канали мікрохвильового діапазону мають широку смугу пропускання, а підсилювачі, які за­безпечують однаковий коефіцієнт підсилення для широко­го діапазону частот, дуже багато коштують.

З урахуванням перелічених вище властивостей елек­тромагнітних полів і загальних принципів побудови без­дротових систем зв'язку до теперішнього часу застосову­ються такі типи каналів телекомунікаційних систем мікро­хвильового діапазону:

-  двоточковий канал;

-  канал із одним джерелом і декількома приймачами;

-  канал з декількома джерелами і декількома прийма­чами;

-  супутниковий канал зв'язку.

1 Двоточковий канал зв 'язку. Типова схема провідно­го двоточкового каналу є популярною і для бездротового зв'язку. За двоточковою схемою можуть працювати без­дротові канали різного призначення, які використовують різні діапазони частот.

У телекомунікаційних первинних мережах така схема вже довгий час використовується для створення так званих радіорелейних ліній зв'язку. Таку лінію утворюють кілька веж, на яких установлені параболічні спрямовані антени (рис. 4.40). Кожна така лінія працює в мікрохвильовому ді­апазоні на частотах декількох гігагерц. Спрямована антена концентрує енергію у вузькому пучку, який дозволяє пере­давати інформацію на значні відстані, як правило, до 50 км. Високі вежі забезпечують пряму видимість антен.

Інший приклад бездротової двоточкової лінії зв'язку показаний на рис. 4.41. Тут вона використовується для з'єднання двох комп'ютерів. Така лінія утворює найпрос­тіший сегмент локальної мережі, тому відстані і потужнос­ті сигналу тут принципово інші.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.40 - Схема радіорелейної лінії зв'язку

 

Для відстаней у межах одного приміщення можуть ви­користовуватися як діапазон інфрачервоних хвиль, так і мікрохвильовий діапазон (рис. 4.41).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.41 - Бездротовий зв'язок двох комп'ютерів:

1  - через інфрачервоний порт;

2  - через мікрохвильові антени

 

Більшість сучасних ноутбуків оснащена вбудованим інфрачервоним портом, тому таке з'єднання може бути утворене автоматично, як тільки порти двох комп'ютерів виявляться в межах прямої видимості (або видимості від­битого променя).2 Канал зв'язку одного джерела і декількох прийма­чів. Схема бездротового каналу з одним джерелом і де­кількома приймачами характерна для такої організації до­ступу, при якій термінали користувача з'єднуються з базо­вою станцією (Base Station, BS).

Бездротові лінії зв'язку для схеми одного джерела і де­кількох приймачів використовуються як для фіксованого доступу, так і для мобільного.


На рис. 4.42 показаний варіант фіксованого доступу за допомогою мікрохвильових ліній зв'язку.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 


Похожие статьи

Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч