Электромагнитные поля и волны. Часть 2 (Направляющие системы СВЧ-диапазона. Регулярные волноводы. Колебательные системы СВЧ. Общая теория цепей СВЧ), страница 14

По волоконному световоду могут распространятся Е -, Н -, и гибридные волны ЕН и НЕ на рабочих частотах f_раб>f_кр. Критические частоты их зависят не только от диаметра сердечника d_c, но и от разницы коэффициентов преломления . Разность коэффициентов преломления сердечника n_c = и оболочки n_об =  обычно составляет 1…5 %. Выбирая достаточно близкие по величине n_c и n_об можно обеспечить одноволновый режим при достаточно большом диаметре сердечника d_c (много больших длины волны). Одноволновый режим на основной волне НЕ₁₁ по сравнению с многомодовым имеет существенные преимущества. В оптике модой называют тип волны. Условие одноволновости:

                                                                 (3.15)

где V= - нормированная частота (критическая),

а – радиус сердечника.

То есть V = 0…2,405, при V > 2,405 будет существовать многомодовый режим. Для градиента световода (параболического) одномодовый режим существует при V < 3,53.

Диаметр сердечника соизмерим с длиной волны, поэтому для анализа используют метод геометрической оптики. Каждой моде соответствует определенный луч, распространяющийся в сердечнике. Чтобы луч не выходил за пределы сердечника он должен падать при возбуждении световода, под определенным углом к торцу сердечника (). Угловой апертурой Θ_А называют угол между оптической осью сердечника и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода. Обычно пользуются числовой апертурой

NA = Sin Θ_А = .

Все лучи падающие под углами  будут распространятся в сердечнике и создавать волны сердечника. Лучи при Θ > Θ_А будут создавать также волны оболочки и волны выходящие из оболочки, излучаемые волны (Рисунок 3.11).

Рисунок 3.11

При возбуждении нужно стремится к тому, чтобы угол ввода в торец световода укладывался в апертурный угол Θ_А, тогда будут существовать только волны сердечника, а при условии V < 2.405 – одномодовый режим. Достоинством одномодового режима является малая дисперсия (искажения сигнала), большая информационно-пропускная способность и большая дальность передачи. В многомодовом режиме за счет дисперсии импульс на приеме расширяется и искажается, поэтому надо ограничивать полосу передаваемых частот и дальность передачи. Поэтому многомодовый режим используют для передачи небольших объемов информации на небольшие расстояния. Создание одномодовых световодов из-за малых размеров вызывает серьезные технологические трудности, что сильно удорожает производство. Однако они являются наиболее перспективными для создания ВОЛС.

3.7 Возбуждение волноводов

   Строгое математическое решение задачи возбуждения волн в волноводе представляет большие трудности даже в простейших случаях. С физической точки зрения для возбуждения волны заданного типа могут быть использованы следующие способы:

1) Применение возбуждающего устройства, которое создает в некотором сечении волновода электрическое (или магнитное) поле, совпадающее по направлению электрических (или магнитных) силовых линий с полем волны желаемого типа.

2) Применение возбуждающего устройства, создающего в стенках волновода высокочастотные токи, совпадающие по структуре с токами, волны желаемого типа. Обычно волноводы используют на основном типе волны и возбуждают основной тип волны.

Однако надо иметь в ввиду, что любое возбуждающее устройство возбуждает, кроме основной множество высших типов волн. Какие и сколько волн будет распространятся в волноводе зависит от соотношения рабочей и критических частот.

Энергия от СВЧ – генератора (клистрона, магнетрона и др.) может быть введена в волновод через отрезок линии, связанный с вакуумным прибором  и называемым выходом энергии, выполняемых в виде волновода, либо в виде коаксиальной линии. В случае волноводного вывода к нему подсоединяется соответствующий волновод непосредственно или через переходное устройство, если волновод с другими поперечными размерами. Переходное устройство может быть выполнено в виде плавного перехода или ступенчатого, с прямоугольного волновода на круглый, или эллиптический. Есть стандартные переходы от одного волновода к другому. В случае коаксиального вывода энергии возбуждающими устройствами могут быть электрический диполь или магнитный диполь.