Fala elektromagnetyczna Linie transmisyjne. Telekomunikacja plik nr 2

Transkrypt

1 Fala elektromagnetyczna Linie transmisyjne Telekomunikacja plik nr 2

2 Fale elektromagnetyczne 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 próżni c 3 10⁸m/s. Właściwości, warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują równania falowe wynikające z równań Maxwella

3 Równania Maxwella: w przestrzeni nie zawierającej ładunków (w próżni) 2 2 E = µ H = µε E 2 t t 2 2 H = µε H 2 t gdzie H -natężenie pola magnetycznego, E - natężenie pola elektrycznego Fala rozchodzi się z prędkością: 1 µε

4 Interpretacja fizyczna I równania

5 Interpretacja fizyczna II równania

6 Fale elektromagnetyczne

7 Prowadnica falowa Układ powierzchni granicznych materiałów tworzących ciągłą drogę z jednego punktu do drugiego, zdolny do skierowania przepływu energii elektromagnetycznej wzdłuż tej drogi Fala elektromagnetyczna może być prowadzona wzdłuż przewodników, jak i dielektryków Linie transmisyjne prowadnice, które prowadzą fale płaskie typu TEM

8 Klasyfikacja torów telekomunikacyjnych

9 Linie przewodowe Symetria linii polega na tym, że potencjały w obu przewodach są równe co do wartości, ale przeciwnego znaku względem potencjału odniesienia

10 Linia symetryczna budowa rozkład pól

11 Odcinek linii transmisyjnej i jego obwodowy schemat zastępczy i(z,t) + u(z,t) - i(z,t) + u(z,t) -

12 Parametry schematu zastępczego R Rezystancja jednostkowa (Ω/m) reprezentuje straty cieplne w przewodach linii L- Indukcyjność jednostkowa (H/m) pole magnetyczne wytwarzane przez przewody linii C- Pojemność jednostkowa (F/m) pole elektryczne G Konduktancja jednostkowa (S/m) straty cieplne w dielektryku

13 Dla transmitowanego sygnału : Napięcie w różnych punktach linii W jednym punkcie linii dla różnych chwil t

14 Równania telegrafistów Dla prądu sinusoidalnie zmiennego, w stanie ustalonym, dla każdej harmonicznej: du ( z) = ( R + dz di( z) = ( G + dz jωl) I( z) jωc) U ( z) Prędkość rozchodzenia się fali w linii: v = 1 LC

15 Linia transmisyjna jako czwórnik I 1 I 2 U 1 U 2 Jeżeli nie interesują nas napięcia i prądy wzdłuż linii, a tylko na jej zaciskach

16 Linie bezstratne R=G=0 Współczynnik skrócenia: K = 1 ε r Długość fali w linii λ = λ Prędkość rozchodzenia się fali v l = K. c 0 = Kλ0 ε Indeks 0 dotyczy próżni r

17 Wartości współczynnika skrócenia Teflon K = 0,69 Parafina K = 0,67 Polietylen K = 0,66 Guma K = 0,58 0,63 Szkło K = 0,31 0,45 Mika K = 0,38

18 Długość linii Długość fizyczna linii l Długość elektryczna l e wyrażana w radianach lub stopniach: l e = β l = ω LC Lub, częściej wskazuje wielokrotność długości fali: l e = l λ [λ]

19 Zastosowanie praktyczne: W praktyce zachodzi czasem konieczność przycięcia odcinka linii transmisyjnej o ściśle określonej długości elektrycznej, np. 2λ (należy uwzględnić współczynnik skrócenia, długość fali w dowolnym dielektryku nie jest taka jak w próżni)

20 Linia zwarta na końcu Dla linii o długości mniejszej od λ/4 impedancja ma charakter indukcyjny, dla l= λ/4 linia zachowuje się jak równoległy obwód rezonansowy, dla λ/4 <l < λ/2 charakter pojemnościowy, l= λ/2 szeregowy obwód rezonansowy

21 Linia rozwarta na końcu

22 Linie zwarte lub rozwarte o długości λ/4 są używane jako obwody rezonansowe. Linię o długości λ/4 lub jej wielokrotności nazywamy TRANSFORMATOREM ĆWIERĆFALOWYM (transmituje impedancję obciążenia w sposób odwrotnie proporcjonalny, np. Zwarcie będzie widoczne jako rozwarcie) Jeżeli długość linii wynosi λ/2 to Z we = Z L co oznacza, że niezależnie od wartości impedancji obciążenia odcinek linii o tej długości, lub jej wielokrotności - nie transformuje impedancji obciążenia.

23 Maksymalna moc jest dostarczana do obciążenia tylko gdy obciążona linia jest dopasowana do źródła (R we =R g X we =X g =0) Obciążenie dopasowane do linii: Z we = Z L = Z c ; WFS=1, Γ=0 Źródło dopasowane do linii (Z we = Z g ) ; współczynnik odbicia w stronę źródła Γ = 0, ale w linii może być różny od 0 (występuje fala stojąca) DOPASOWANIE ENERGETYCZNE R we = R g X we = -X g Moc dostarczana do obciążenia jest wtedy maksymalna i wynosi: P = 1 2 U g 2 1 4R g

24 Uwaga: Ani dopasowanie obciążenia (Z L =Z c ) ani dopasowanie energetyczne niekoniecznie muszą dać najlepszą sprawność. Przy Z g =Z L =Z c żródło i obciążenie są dopasowane do linii (brak odbić), ale tylko połowa mocy wytwarzanej przez źródło dociera do obciążenia; druga połowa jest tracona w Z g (Sprawność = 50%) Sprawność może być poprawiona tylko przez zmniejszenie Z g

25 Połączenie dwóch linii transmisyjnych Linia transmisyjne o impedancji Z 0 zasila linię o impedancji Z 1 ; współczynnik odbicia Γ=(Z 1 -Z 0 ) / (Z 1 +Z 0 ) Część fali padającej ulega odbiciu, część przechodzi do drugiej linii. Współczynnik transmisji T=2Z 1 /(Z 1 +Z 0 )

26 Straty wtrącenia Współczynnik transmisji między dwoma punktami w obwodzie wyrażony w db: IL = 10 log(p i p t ) = -10 log(1- Γ 2 ) = -10log T p [db] Straty wtrącenia wynikają z niedopasowania impedancyjnego

27 Linie przewodowe współosiowe Kable mogą być wypełnione powietrzem (najlepsze drogie osuszanie i kompresja) lub dielektrykiem spienionym lub stałym (najgorsze 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 40 0 C przyjmiemy za 100%, to przy 60 0 C dopuszczalna moc wyniesie tylko 70%

28 Światło promieniowanie widzialne o długości fal 380nm (fiolet) do 780 nm (czerwień) Lasery półprzewodnikowe (np. GaAs) inwersję obsadzeń uzyskuje się poprzez silne spolaryzowanie złącza Lasery gazowe (np. CO 2, mieszanina helu i neonu praca w podczerwieni) Lasery krystaliczne (np. rubin, neodym) Lasery jonowe (uzyskuje się przez wyładowania jony gazów szlachetnych Ar +, Kr + ) Lasery chemiczne

29 Foton kwant energii Im mniejsza długość fali (większa częstotliwość), tym bardziej ujawnia się dwoista cząsteczkowa natura promieniowania elektromagnetycznego Energia fotonu: E=hc/λ Gdzie h = 6, (11) J. s= 4, (35) ev. s

30 OPTOELEKTRONIKA dział elektroniki zajmujący się łącznym wykorzystaniem optycznego i elektrycznego sposobu przetwarzania i przekazywania sygnałów Sygnał świetlny umożliwia uzyskanie znacznie większej pojemności informacyjnej oraz odporności na zakłócenia zewnętrzne przy przesyłaniu sygnałów Sygnał elektryczny Źródła światła sterowane elektrycznie Ośrodek optyczny przekazują -cy lub przetwarzający sygnał optyczny Detektory przetwarza -jące sygnał optyczny na sygnał elektryczny Sygnał elektrycz -ny

31 OPTYKA ELEKTRONOWA dział elektroniki zajmujący się budową i działaniem przyrządów elektronowych, opartych na wykorzystaniu wpływu pola elektrycznego lub / i magnetycznego na tory elektronów i / lub jonów. Zachodzi podobieństwo do wpływu układów optycznych na sygnały świetlne. Na przykład: lampy oscyloskopowe, mikroskopy elektronowe, jonowe, kineskop, itd...

32 Półprzewodnikowe przyrządy optoelektroniczne sygnały optyczne elektryczne elektryczne optyczne Fotodiody Fototranzystory Fotoogniwa także ogniwa słoneczne Inne przyrządy fotoelektryczne fotorezystory, transoptory fotopowielacze Diody elektroluminescencyjne (LED) Lasery Wskaźniki, wyświetlacze aż do kineskopów telewizyjnych i monitorów komputerowych Wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD)

33 Luminescencja zjawisko fizyczne, polegające na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego, pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe Elektroluminescencja luminescecja, gdzie pobudzającą energią jest prąd lub pole elektryczne

34 Dioda elektroluminescencyjna (światłodioda) Light Emitting Diode W standardowych przyrządach półprzewodnikowych energia wydzielająca się podczas rekombinacji oddawana jest sieci krystalicznej i zamienia się w ciepło. W takich półprzewodnikach jak SiC, GaAs, InAs, GaP, InSb zachodzi reakcja promienista podczas przepływu prądu w kierunku przewodzenia zachodzi świecenie obszaru złącza podczas rekombinacji energia wydzielana jest w postaci kwantów promieniowania - fotonów

35 prawność kwantowa zewnętrzna stosunek ilości fotonów ydostających się na zewnątrz diody do ilości nośników ładunku rzechodzących przez warstwę zaporową tego złącza zależy od ształtu diody Dioda płaska półsferyczna prawność kwantowa wewnętrzna stosunek ilości fotonów enerowanych w obszarze czynnym złącza do ilości nośników ładunku rzechodzących przez warstwę zaporową tego złącza zależy tylko od echnologii procesu wytwarzania złącza

36 Lasery źródło światła spójnego - wykorzystanie emisji wymuszonej Emisja wymuszona kwantem hω padającym na układ wzbudzonych atomów lub cząsteczek E 0 - stan podstawowy atomu lub cząsteczki E 1 stan pierwszego wzbudzenia Emisja stymulowana polega na wstępnym doprowadzeniu atomów lub cząstek do stanu wzbudzenia, a następnie na jednoczesnym wyzwoleniu nagromadzonej energii

37 LASER Light Amplification by Stimulated Emmission of Radiation MASER Microwave Amplification... Układ trójpoziomowy pompowanie promieniowaniem do E 2, bezpromieniste przejście na poziom E 1, promieniowanie wyzwolone

38 Transoptory Obwód wejściowy: dioda elektroluminescencyjna Obwód wyjściowy: fotodioda Brak jest sprzężenia napięciowo-prądowego między we i wy Przenoszenie sygnału w transoptorze zachodzi z szybkością światła Główne zastosowanie: PRZEKAŹNIKI w urządzeniach elektronicznych d a c b a LED; b fotodioda, c warstwa przezroczysta dla promieniowania LED; d - obudowa we wy

39 Światłowód Światłowód przezroczyste włókno (z tworzywa sztucznego, szklane, półprzewodnikowe), w którym odbywa się propagacja światła. Aby światło nie było wypromieniowywane przez boczne powierzchnie (było całkowicie odbijane wewnątrz) stosuje się różną wartość współczynnika załamania światła Światłowód jest szczególnym przypadkiem falowodu, transmitującego fale elektromagnetyczne o własnościach optycznych

40 Transmisja Transmisja światłowodowa na duże odległości jest ograniczona przez dwie cechy materiałów użytych do budowy rdzenia; są to: Dyspersja sygnału (różne składowe sygnału poruszają się z różnymi prędkościami) Tłumienie sygnału (amplituda sygnału stopniowo zanika wzdłuż światłowodu)

41 Mod światła Jest to charakterystyczny rozkład pola elektromagnetycznego, odpowiadający danemu kątowi rozchodzenia się fal w światłowodzie. Rozwiązując równania 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.

42 Światłowód W telekomunikacji stosuje się światłowody jednomodowe (SM), najczęściej o średnicy rdzenia od 5 do 10 µm, i standardowej średnicy płaszcza 125 µm. Wykonuje się je ze szkła krzemionkowego z domieszką dwutlenku germanu. Z uwagi na minimum tłumienności w zastosowaniach telekomunikacyjnych używa się długości fali w przedziale nm, odpowiadającej podczerwieni

43 Wzmacniacz optyczny - EDFA 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. Taka technika optycznego wzmacniania sygnałów nazywana jest wzmacniaczem optycznym, zaś wzmocnienie w oparciu o włókna światłowodowe domieszkowane erbem określa się skrótem EDFA.

44 Zalety światłowodów Światłowody nie emitują zewnętrznego pola elekteromagnetycznego, w związku z czym niemożliwe jest podsłuchanie transmisji, jeżeli nie posiada się dostępu fizycznego, są bardzo odporne na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, stopa błędów mniejsza niż przy najwyższych przepływnościach binarnych, mała tłumienność jednostkowa (około 0,20 db/km dla światła 1,5µm).

45 Tłumienność rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości

46 Porównanie tłumienności kabli i wolnej przestrzeni Typowa tłumienność kabla A=10dB/km przy 30 MHz odległość kabel przestrzeń 1 km 10 db 60 db 2 km 20 db 66 db 4 km 40 db 72 db 8 km 80 db 78 db 16 km 160 db 84 db

47 Budowa światłowodu

48 Światłowód jednomodowy gradientowy