Fala elektromagnetyczna Linie transmisyjne -...

Fala elektromagnetycznaLinie transmisyjne

Telekomunikacja ndash plik nr 2

Fale elektromagnetycznebull Zaburzenie pola elektromagnetycznego

rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością Są to fale poprzeczne - w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie a ich prędkość rozchodzenia się w proacuteżni casymp310⁸ms Właściwości warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują roacutewnania falowe wynikające z roacutewnań Maxwella

bull Roacutewnania Maxwellaw przestrzeni nie zawierającej ładunkoacutew(w proacuteżni)

gdziendash H - natężenie pola magnetycznego ndash E - natężenie pola elektrycznegoFala rozchodzi się z prędkością

Ht

H

Et

Ht

E

2

22

2

22

partpart

=nabla

partpart

=∆partpart

minus=nabla

microε

microεmicro

microε1

Interpretacja fizyczna I roacutewnania

Interpretacja fizyczna II roacutewnania

Fale elektromagnetyczne

Prowadnica falowa

bull Układ powierzchni granicznych materiałoacutew tworzących ciągłą drogę z jednego punktu do drugiego zdolny do skierowania przepływu energii elektromagnetycznej wzdłuż tej drogi

bull Fala elektromagnetyczna może być prowadzona wzdłuż przewodnikoacutew jak i dielektrykoacutew

bull Linie transmisyjne ndash prowadnice ktoacutere prowadzą fale płaskie typu TEM

Klasyfikacja toroacutew telekomunikacyjnych

Linie przewodoweSymetria linii polega na tym że potencjały w obu przewodach są roacutewne co do wartości ale przeciwnego znaku względem potencjału odniesienia

Linia symetrycznabudowa rozkład poacutel

Odcinek linii transmisyjnej i jego obwodowy schemat zastępczy

+u(zt)-

i(zt)

i(zt)

+

u(zt)

-

Parametry schematu zastępczego

bull R ndash Rezystancja jednostkowa (Ωm) ndashreprezentuje straty cieplne w przewodach linii

bull L - Indukcyjność jednostkowa (Hm) ndashpole magnetyczne wytwarzane przez przewody linii

bull C - Pojemność jednostkowa (Fm) ndash pole elektryczne

bull G ndash Konduktancja jednostkowa (Sm) ndashstraty cieplne w dielektryku

Dla transmitowanego sygnału Napięcie w roacuteżnych punktach linii W jednym punkcie linii dla roacuteżnych chwil t

Roacutewnania telegrafistoacutewbull Dla prądu sinusoidalnie zmiennego w stanie

ustalonym dla każdej harmonicznej

)()()(

)()()(

zUCjGdzzdI

zILjRdzzdU

ω

ω

+minus=

+minus=

Prędkość rozchodzenia się fali w liniiLC

v 1=

Linia transmisyjna jako czwoacuternik

I1

U1U2

I2

Jeżeli nie interesują nas napięcia i prądy wzdłuż linii a tylko na jej zaciskach

Linie bezstratne

bull R=G=0bull Wspoacutełczynnik skroacutecenia

bull Długość fali w linii

bull Prędkość rozchodzenia się falivl = K c

r

Kε1

=

00 λελλ Kr

==

Indeks lsquo0rsquo dotyczy proacuteżni

Wartości wspoacutełczynnika skroacutecenia

bull Teflon K = 069bull Parafina K = 067bull Polietylen K = 066bull Guma K = 058 hellip 063bull Szkło K = 031 hellip 045bull Mika K = 038

Długość linii

bull Długość fizyczna linii ndash lbull Długość elektryczna le ndash

wyrażana w radianach lub stopniach

bull Lub częściej ndashwskazuje wielokrotność długości fali

LClle ωβ ==

][λλlle =

Zastosowanie praktyczne

bull W praktyce zachodzi czasem konieczność przycięcia odcinka linii transmisyjnej o ściśle określonej długości elektrycznej np 2λ (należy uwzględnić wspoacutełczynnik skroacutecenia długość fali w dowolnym dielektryku nie jest taka jak w proacuteżni)

Linia zwarta na końcu

Dla linii o długości mniejszej od λ4 impedancja ma charakter indukcyjny dla l= λ4 linia zachowuje się jak roacutewnoległy obwoacuted rezonansowy dla λ4 ltl lt λ2 ndash charakter pojemnościowy l= λ2 ndash szeregowy obwoacuted rezonansowy

Linia rozwarta na końcu

Linie zwarte lub rozwarte o długości λ4 są używane jako obwody rezonansowe

Linię o długości λ4 lub jej wielokrotności nazywamy TRANSFORMATOREM ĆWIERĆFALOWYM (transmituje impedancję obciążenia w sposoacuteb odwrotnie proporcjonalny np Zwarcie będzie widoczne jako rozwarcie)

Jeżeli długość linii wynosi λ2 to Zwe = ZL co oznacza że niezależnie od wartości impedancji obciążenia ndash odcinek linii o tej długości lub jej wielokrotności - nie transformuje impedancji obciążenia

Obciążenie dopasowane do linii Zwe = ZL = Zc WFS=1 Γ=0

Źroacutedło dopasowane do linii (Zwe = Zg) wspoacutełczynnik odbicia w stronę źroacutedła Γ = 0 ale w linii może być roacuteżny od 0 (występuje fala stojąca)

DOPASOWANIE ENERGETYCZNE ndash Rwe = Rg Xwe = -Xg

Moc dostarczana do obciążenia jest wtedy maksymalna i wynosi

gg R

UP4

1|| 221=

Maksymalna moc jest dostarczana do obciążenia tylko gdy obciążona linia jest dopasowana do źroacutedła (Rwe=Rg Xwe=Xg=0)

Uwagabull Ani dopasowanie obciążenia (ZL=Zc) ani

dopasowanie energetyczne niekoniecznie muszą dać najlepszą sprawność

bull Przy Zg=ZL=Zc ndash żroacutedło i obciążenie są dopasowane do linii (brak odbić) ale tylko połowa mocy wytwarzanej przez źroacutedło dociera do obciążenia druga połowa jest tracona w Zg(Sprawność = 50)

bull Sprawność może być poprawiona tylko przez zmniejszenie Zg

Połączenie dwoacutech linii transmisyjnych

bull Linia transmisyjne o impedancji Z0 zasila linię o impedancji Z1 wspoacutełczynnik odbiciaΓ=(Z1-Z0) (Z1+Z0)

bull Część fali padającej ulega odbiciu część przechodzi do drugiej linii Wspoacutełczynnik transmisji T=2Z1 (Z1+Z0)

Straty wtrącenia

bull Wspoacutełczynnik transmisji między dwoma punktami w obwodzie wyrażony w dB

IL = 10 log(Pipt) = -10 log(1-|Γ|2) =-10log|Tp| [dB]

bull Straty wtrącenia wynikają z niedopasowania impedancyjnego

Linie przewodowe wspoacutełosioweKable mogą być wypełnione powietrzem (najlepsze ndash drogiendash osuszanie i kompresja) lub dielektrykiem ndashspienionym lub stałym (najgorsze ndash o największym tłumieniu)

Dobry ekran ogranicza promieniowanie energii na zewnątrz

Tłumienie kabli maleje ze wzrostem średnicy

Tłumienie kabli rośnie wraz z częstotliwością pracy i temperaturą

Jeżeli moc prowadzona w kablu w temperaturze 400C przyjmiemy za 100 to przy 600C dopuszczalna moc wyniesie tylko 70

Światło ndash promieniowanie widzialne ndash o długości fal 380nm (fiolet) do

780 nm (czerwień)

bull Lasery poacutełprzewodnikowe (np GaAs) ndash inwersję obsadzeń uzyskuje się poprzez silne spolaryzowanie złącza

bull Lasery gazowe (np CO2 mieszanina helu i neonu ndashpraca w podczerwieni)

bull Lasery krystaliczne (np rubin neodym)bull Lasery jonowe (uzyskuje się przez wyładowania jony

gazoacutew szlachetnych ndash Ar+ Kr+)bull Lasery chemiczne

Foton ndash kwant energii

bull Im mniejsza długość fali (większa częstotliwość) tym bardziej ujawnia się dwoista ndash cząsteczkowa natura promieniowania elektromagnetycznego

bull Energia fotonu E=hcλ

bull Gdzie h = 6626 0693 (11) times 10-34 Js = 4135 667 443 (35) times10-15 eV s

OPTOELEKTRONIKA ndash dział elektroniki zajmujący się łącznym wykorzystaniem optycznego i elektrycznego

sposobu przetwarzania i przekazywania sygnałoacutew

Sygnał elektrycz-ny

Źroacutedła światła sterowane elektrycz-nie

Ośrodek optyczny przekazują-cy lub przetwa-rzającysygnał optyczny

Detektory przetwarza-jącesygnał optyczny na sygnał elektrycz-ny


Sygnał świetlny umożliwia uzyskanie znacznie większej pojemnościinformacyjnej oraz odporności na zakłoacutecenia zewnętrzne przy przesyłaniu sygnałoacutew

OPTYKA ELEKTRONOWA ndash dział elektroniki zajmujący się budową i działaniem przyrządoacutew elektronowych opartych na wykorzystaniu wpływu pola elektrycznego lub i magnetycznego na tory elektronoacutew i lub jonoacutew Zachodzi podobieństwo do wpływu układoacutew optycznych na sygnały świetlne

Na przykład lampy oscyloskopowe mikroskopy elektronowe jonowe kineskop itd

Poacutełprzewodnikowe przyrządy optoelektronicznesygnały

optyczne elektryczne elektryczne optyczne

bull Fotodiodybull Fototranzystorybull Fotoogniwa ndash także

ogniwa słonecznebull Inne przyrządy

fotoelektryczne ndashfotorezystory transoptory

bull fotopowielacze

bull Diody elektrolumines-cencyjne (LED)

bull Laserybull Wskaźniki wyświetlacze

ndash aż do kineskopoacutew telewizyjnych i monitoroacutew komputerowych

bull Wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD)

bull Luminescencja ndash zjawisko fizyczne polegające na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego ktoacutere dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe

bull Elektroluminescencja ndash luminescecja gdzie pobudzającą energią jest prąd lub pole elektryczne

Dioda elektroluminescencyjna (światłodioda) ndashLight Emitting Diode

W standardowych przyrządach poacutełprzewodnikowych energia wydzielająca się podczas rekombinacji oddawana jest sieci krystalicznej i zamienia się w ciepło

W takich poacutełprzewodnikach jak SiC GaAs InAs GaP InSb ndash zachodzi reakcja promienista ndash podczas przepływu prądu w kierunku przewodzenia zachodzi świecenie obszaru złącza ndash podczas rekombinacji energia wydzielana jest w postaci kwantoacutew promieniowania -fotonoacutew

Sprawność kwantowa wewnętrzna ndash stosunek ilości fotonoacutew generowanych w obszarze czynnym złącza do ilości nośnikoacutew ładunku przechodzących przez warstwę zaporową tego złącza ndash zależy tylko od technologii procesu wytwarzania złącza

Sprawność kwantowa zewnętrzna ndash stosunek ilości fotonoacutew wydostających się na zewnątrz diody do ilości nośnikoacutew ładunku przechodzących przez warstwę zaporową tego złącza ndash zależy od kształtu diody

Dioda płaska poacutełsferyczna

Lasery ndash źroacutedło światła spoacutejnego -wykorzystanie emisji wymuszonej

bull E0 - stan podstawowy atomu lub cząsteczki

bull E1 ndash stan pierwszego wzbudzenia

bull Emisja stymulowana polega na wstępnym doprowadzeniu atomoacutew lub cząstek do stanu wzbudzenia a następnie na jednoczesnym wyzwoleniu nagromadzonej energii

Emisja wymuszona kwantem hωpadającym na układ wzbudzonych atomoacutew lub cząsteczek

LASER ndash Light Amplification by StimulatedEmmission of RadiationMASER ndash Microwave Amplification

Układ troacutejpoziomowy ndash pompowanie promieniowaniem do E2 bezpromieniste przejście na poziom E1 promieniowanie wyzwolone

Transoptory

Obwoacuted wejściowy dioda elektroluminescencyjna

Obwoacuted wyjściowy fotodioda

Brak jest sprzężenia napięciowo-prądowego między we i wy

Przenoszenie sygnału w transoptorze zachodzi z szybkością światła

Głoacutewne zastosowanie PRZEKAŹNIKI w urządzeniach elektronicznych

we wy

d c

a

ba ndash LED b ndash fotodioda c ndash warstwa przezroczysta dla promieniowania LED d - obudowa

Światłowoacutedbull Światłowoacuted ndash przezroczyste włoacutekno (z tworzywa

sztucznego szklane poacutełprzewodnikowe) w ktoacuterym odbywa się propagacja światła

bull Aby światło nie było wypromieniowywane przez boczne powierzchnie (było całkowicie odbijane wewnątrz) ndashstosuje się roacuteżną wartość wspoacutełczynnika załamania światła

bull Światłowoacuted jest szczegoacutelnym przypadkiem falowodu transmitującego fale elektromagnetyczne o własnościach optycznych

Transmisja

bull Transmisja światłowodowa na duże odległości jest ograniczona przez dwie cechy materiałoacutew użytych do budowy rdzenia są to

bull Dyspersja sygnału (roacuteżne składowe sygnału poruszają się z roacuteżnymi prędkościami)

bull Tłumienie sygnału (amplituda sygnału stopniowo zanika wzdłuż światłowodu)

Mod światłabull Jest to charakterystyczny rozkład pola

elektromagnetycznego odpowiadający danemu kątowi rozchodzenia się fal w światłowodzie

bull Rozwiązując roacutewnania Maxwella dla światłowodu z narzuconymi warunkami brzegowymi dla pola magnetycznego i elektrycznego tylko skończona liczba rozwiązań występuje dla propagacji fal wzdłuż światłowodu bez szybkiego zaniku pola Rozwiązania takie nazywa się modami

Światłowoacuted

bull W telekomunikacji stosuje się światłowodyjednomodowe (SM) najczęściej o średnicyrdzenia od 5 do 10 microm i standardowejśrednicy płaszcza 125 microm Wykonuje sięje ze szkła krzemionkowego z domieszkądwutlenku germanu Z uwagi na minimum tłumienności w zastosowaniachtelekomunikacyjnych używa się długościfali w przedziale 1530-1565 nm odpowiadającej podczerwieni

bull Wielordzeniowe wielomodowe

Wzmacniacz optyczny - EDFAbull Nie ma potrzeby przekształcać sygnału świetlnego na elektryczny by go wzmocnić Na pewnym odcinku światłowodu materiał jest domieszkowany (erbem) stała absorpcji na tym odcinku staje się ujemna sygnał przez ten odcinek przechodzący jest wzmacniany

bull Taka technika optycznego wzmacnianiasygnałoacutew nazywana jest wzmacniaczem optycznym zaś wzmocnienie w oparciu o włoacutekna światłowodowe domieszkowane erbemokreśla się skroacutetem EDFA

Zalety światłowodoacutew

bull Światłowody nie emitują zewnętrznego pola elekteromagnetycznego w związku z czymniemożliwe jest podsłuchanie transmisji jeżelinie posiada się dostępu fizycznego są bardzo odporne na zewnętrzne zakłoacuteceniaelektromagnetyczne stopa błędoacutew mniejsza niż10-10 przy najwyższych przepływnościachbinarnych mała tłumienność jednostkowa (około020 dBkm dla światła 15microm)

Tłumienność rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości

Poroacutewnanie tłumienności kabli i wolnej przestrzeni

bull Typowa tłumienność kabla A=10dBkm przy 30 MHzodległość kabel przestrzeń1 km 10 dB 60 dB2 km 20 dB 66 dB4 km 40 dB 72 dB8 km 80 dB 78 dB16 km 160 dB 84 dB

Budowa światłowodu

Światłowoacutedjednomodowy gradientowy

Fale elektromagnetycznebull Zaburzenie pola elektromagnetycznego

rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością Są to fale poprzeczne - w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie a ich prędkość rozchodzenia się w proacuteżni casymp310⁸ms Właściwości warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują roacutewnania falowe wynikające z roacutewnań Maxwella



Ht

H

Et

Ht

E

2

22

2

22

partpart

=nabla

partpart

=∆partpart

minus=nabla

microε

microεmicro

microε1




Prowadnica falowa








+u(zt)-

i(zt)

i(zt)

+

u(zt)

-









)()()(

)()()(

zUCjGdzzdI

zILjRdzzdU

ω

ω

+minus=

+minus=


v 1=


I1

U1U2

I2


Linie bezstratne




r

Kε1

=

00 λελλ Kr

==




Długość linii




LClle ωβ ==

][λλlle =













gg R

UP4

1|| 221=









Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted














Ht

H

Et

Ht

E

2

22

2

22

partpart

=nabla

partpart

=∆partpart

minus=nabla

microε

microεmicro

microε1




Prowadnica falowa








+u(zt)-

i(zt)

i(zt)

+

u(zt)

-









)()()(

)()()(

zUCjGdzzdI

zILjRdzzdU

ω

ω

+minus=

+minus=


v 1=


I1

U1U2

I2


Linie bezstratne




r

Kε1

=

00 λελλ Kr

==




Długość linii




LClle ωβ ==

][λλlle =













gg R

UP4

1|| 221=









Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted















Prowadnica falowa








+u(zt)-

i(zt)

i(zt)

+

u(zt)

-









)()()(

)()()(

zUCjGdzzdI

zILjRdzzdU

ω

ω

+minus=

+minus=


v 1=


I1

U1U2

I2


Linie bezstratne




r

Kε1

=

00 λελλ Kr

==




Długość linii




LClle ωβ ==

][λλlle =













gg R

UP4

1|| 221=









Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted
















+u(zt)-

i(zt)

i(zt)

+

u(zt)

-









)()()(

)()()(

zUCjGdzzdI

zILjRdzzdU

ω

ω

+minus=

+minus=


v 1=


I1

U1U2

I2


Linie bezstratne




r

Kε1

=

00 λελλ Kr

==




Długość linii




LClle ωβ ==

][λλlle =













gg R

UP4

1|| 221=









Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted




















)()()(

)()()(

zUCjGdzzdI

zILjRdzzdU

ω

ω

+minus=

+minus=


v 1=


I1

U1U2

I2


Linie bezstratne




r

Kε1

=

00 λελλ Kr

==




Długość linii




LClle ωβ ==

][λλlle =













gg R

UP4

1|| 221=









Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted













I1

U1U2

I2


Linie bezstratne




r

Kε1

=

00 λελλ Kr

==




Długość linii




LClle ωβ ==

][λλlle =













gg R

UP4

1|| 221=









Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted












Linie bezstratne




r

Kε1

=

00 λελλ Kr

==




Długość linii




LClle ωβ ==

][λλlle =













gg R

UP4

1|| 221=









Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted














Długość linii




LClle ωβ ==

][λλlle =













gg R

UP4

1|| 221=









Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted
























gg R

UP4

1|| 221=









Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted



















Straty wtrącenia










780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted


















780 nm (czerwień)
























bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted































bull fotopowielacze




















Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted



























Transoptory






we wy

d c

a






Transmisja







Światłowoacuted
















Transmisja







Światłowoacuted















Światłowoacuted












Fala elektromagnetyczna Linie transmisyjne -...

Documents

Transcript of Fala elektromagnetyczna Linie transmisyjne -...