Системы абонентского доступа

Для работы сервисов реального времени критически важна поддержка используемым оборудованием механизмов качества сервиса (QoS). Такие механизмы включают возможности гибкой классификации получаемого от пользователей и от внешних источников трафика, его маркированием в соответствии с выполненной классификацией и приоритезацией следуя такой маркировке. Для обеспечения возможности выбора наиболее подходящего для конкретного случая механизма приоритезации используемые коммутаторы должны обладать не менее чем четырьмя исходящими очередями и возможностью выбора разных политик передачей трафика из этих очередей.

9.7 Технологии для поддержки IPTV

Коммутаторы QTECH для уровней доступа и агрегации, благодаря применению новейших стандартизованных протоколов и технологий, реализуют высокую сетевую безопасность с обеспечением гарантированного обслуживания для всех категорий пользователей и различных типов сервисов. Включая сервисы Реального Времени, VPN и другие. Ethernet коммутаторы QTECH созданы на современной аппаратной платформе в полном соответствии с требованиями операторов связи по надежности элементной базы, низкому электропотреблению, расширенному температурному диапазону, форм фактору.

Коммутаторы специально разработаны для мультисервисных сетей, поддерживают сотни различных сервисов единовременно, сервисные модели PPPoE Plus (для плавной миграции от DSL к MetroE технологиям) и DHCP авторизации (IPOE) с привязкой к порту доступа. Обеспечивают скорость сходимости менее 200 миллисекунд для безобрывного предоставления услуг телефонии и телевидения, классификацию и управление трафиком различных услуг по правилам провайдера (Selective QinQ & Selective VLAN), технологии защиты конфиденциальности информации (IP Source Guard, DAI, ARP Proxy), средства подавления штормов без блокирования полезного трафика, развитые средства сетевого мониторинга, включая SLA L2 (OAM CFM) QTECH QSW-2900 обеспечивает легкое подключение корпоративных клиентов с предоставлением VPN сервисов.

Тема 10. Мультисервисные сети абонентского доступа

Cегодня много говорится о мультисервисных сетях: современное понятие широкополосного абонентского доступа простирается от 64 кбит/с до GigE. Однако, как известно, сколько людей - столько и мнений. Опыт последнего десятилетия позволяет подвести предварительные итоги построения мультисервисных сетей абонентского доступа, сформулировать среднестатистические требования к ним с учетом сектора рынка и типа оператора, а также уточнить логику выбора технологии, используемой при построении среды проноса трафика, в контексте целевых установок тех или иных операторов.

10.1 Физический уровень инфраструктуры абонентской сети

Каналы связи абонентских сетей современных операторов опираются на различные физические среды проноса трафика:

* традиционные медные кабели ТфОП;

* радиоканалы в различных частотных диапазонах;

* оптические среды - оптоволоконные кабели и беспроводные оптические линии.

При строительстве абонентской инфраструктуры наиболее дорогими являются земляные работы - строительство канализации и прокладка кабелей. Такое строительство требует глубокого маркетингового анализа потребительского спроса, потому что оно имеет высокий порог окупаемости с точки зрения объема абонентской базы. Строительство кабельной инфраструктуры обычно занимает несколько месяцев и целесообразно для сформированных секторов рынка с устоявшимся спросом на услуги связи.

10.2 Беспроводные технологии

Существует множество различных систем радиодоступа, различающихся по:

* типу соединения («точка- точка» или «точка-много точек»);

* типу разделения каналов (FDMA, TDMA, CDMA);

* типу абонентов (фиксированные или мобильные);

* ширине полосы пропускания каналов (n x 64 кбит/с, n x E1 для оборудования TDM/АТМ и n x 1 кбит/с для абонентских терминалов с Ethernet-портами 10/100 BaseT систем радио Ethernet IEEE 802.11x/802.16x);

* частотному диапазону и зоне радиопокрытия: - 2,4; 3,5; 5 ГГц - дистанции от 10 до 50 км (WiMAX/MMDS); - 10 ГГц - дистанции от 7 до 15 км (MMDS/LMDS/LMCS); - 20 ГГц - дистанции от 4 до 8 км (LMDS/LMCS).

Максимальная полоса пропускания для мультисервисного трафика достигается в системах LMDS/LMCS. Она составляет n x 10 Мбит/с, где n = 2, 4, ...7. До недавнего времени пакеты в этих системах формировались по стандартам радио АТМ/TDM, а сами системы требовали для своей работы обеспечения прямой радиовидимости (среда типа Line of site - LOS) между базовой станцией и абонентским терминалом.

10.3 Системы фиксированного радиодоступа масштаба города

Беспроводные технологии отличаются оперативностью и мобильностью. Стоимость базовой станции, обеспечивающей по требованию радиосоединения типа «точка-много точек», не превосходит 10% суммарной стоимости абонентских терминалов, а скорость ее разворачивания составляет всего несколько дней. Подключение к базовой станции нового абонента в пределахставления услуг фиксированного широкополосного радиодоступа столь привлекательна для оператора мультисервисной сети. Ведь обычно в условиях конкуренции клиент обращается за услугами лишь один раз. Если качество обслуживания и скорость реакции на его заявку оказываются неудовлетворительными, то он уходит к конкурентам и уносит с собой:

* лояльность к компании;

* прибыль;

* репутацию компании;

* долю рынка.

По статистике, 85% потребителей отказываются использовать продукты и услуги компании при некачественном обслуживании. Вот чем вызван повышенный интерес к системам беспроводного доступа, повышающим оперативность предоставления услуг. Однако ожидания повсеместного перехода на беспроводные технологии в сетях фиксированного абонентского доступа по меньшей мере не обоснованы по следующим причинам:

* беспроводные технологии отличаются большими энергетическими потерями в силу затухания электромагнитных волн;

* они сильно подвержены влияниям погодных условий: туман, дождь и снег ощутимо увеличивают потери на трассе и снижают качество канала;

* удельная стоимость подключения абонента выше, чем на кабельной инфраструктуре с аналогичной пропускной способностью.

Последний момент особенно значим при построении сети абонентского доступа. Он значительно снижает экономическую эффективность систем беспроводного доступа, так как абонентский радиодоступ в качестве основного соединения целесообразен лишь в том случае, когда стоимость прокладки кабеля для подключения абонента несоизмерима и экономически невыгодна (сроки окупаемости превышают 7 лет). Эти ограничения локализуют область применения систем фиксированного абонентского радиодоступа в абонентских сетях операторского класса и позиционируют их в качестве маневрового фонда оператора. Радиодоступ рассматривается как временное решение, заменяемое, в случае целесообразности, на проводное.

Подобный подход позволяет оператору сократить объем абонентских радиотерминалов и снизить общие эксплуатационные расходы.

Бурное развитие механизмов контроля качества в среде Ethernet и появление Ethernet-коммутаторов операторского класса, поддерживающих технологии IP MPLS, а также развитие сетей мобильной передачи данных повысили интерес к развитию технологии радио Ethernet.

Формирование группы стандартов IEEE 802.xx объединило все системы радио Ethernet под общим понятием WiMAX. Системы WiMAX в настоящее время активно развиваются и являются логическим развитием концепций построения однородной мультисервисной сети пакетной коммутации, так как, с точки зрения управления, технология Ethernet обеспечивает пронос трафика из конца в конец сети, используя общие механизмы контроля и гарантий качества обслуживания абонентов QoS.

Отличительная особенность WiMAX, обусловливающая столь повышенный интерес, заключается не cтолько в возможностях широкополосного радиодоступа и поддержке технологии Ethernet, сколько в применении специальных методов построения сисвиях города и появление интерференции сигнала при приеме радиосигнала (среда распространения радиоволн типа Non Line of Site - NLOS).

Проблему случайной интерференционной картины радиоприема в системах широкополосного радиодоступа масштаба города WiMAX решает с помощью следующих механизмов.

Различают стандартные и полнофункциональные базовые станции WiMAX, так как не все производители используют комбинацию всех предложенных алгоритмов в полном объеме. Стандартные WiMAX-системы дешевле, но имеют меньшую зону радиопокрытия. Кроме того, они могут различаться по ширине используемого частотного диапазона, что оказывает существенное влияние, с одной стороны, на пропускную способность системы радиодоступа, с другой - на электромагнитную совместимость этих систем с другими потребителями частотного ресурса, способную ограничить возможность применения технологии WiMAX.

В целом технология WiMAX обладает рядом преимуществ перед системами фиксированного радиодоступа, так как позволяет обслуживать не только стационарные объекты, обеспечивающие в пределах зоны радиопокрытия базовой станции услуги, аналогичные технологиям хDSL/MSO, поддерживающие лишь авторизацию терминалов и приложения VoIP, но и (в перспективе) абонентов, использующих:

* Nomadicity - услуги, аналогичные xDSL, с возможностью аутентификации абонента, но с различных точек доступа, ограниченных лишь межоператорскими взаимодействиями;

* Portability - весь спектр услуг VoIP с постоянной аутентификацией абонентов, использующих портативные компьютеры типа Notebook, а также с возможностью работы из различных точек доступа и непрерывностью сеанса при переходе из одной соты в другую и поддержкой межоператорского роуминга;

* Full Mobility - полную IP-мобильность, оптимизированную под технологию Make-before-break HO, при которой новое радиосоединение устанавливается до момента разрыва предыдущего, что гарантирует непрерывность и качество работы при переходе из соты в соту, оптимизирован

УТВЕРЖДЕНЫ

на заседании кафедры

Радиотехника, электроника и телекоммуникации

учреждения «Университет «Туран»

Протокол № __ от «____»________ 2012 г.

Заведующий (ая) кафедрой

_________________Л.С. Вервейкина

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

«Системы абонентского доступа»

(по работе с учебно-методическим комплексом)

Основания, целевая аудитория и ориентированность учебно-методического комплекса

Учебно-методический комплекс «Системы абонентского доступа» разработана как спецкурс для студентов специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» и отражает современные научные разработки по данной проблеме.

Целевая аудитория курса - студенты специальности «Радиотехника, электроники и телекоммуникации».

Курс, в первую очередь, предназначен для изучения указанной дисциплины под руководством преподавателя (очное обучение), а также может быть использован как дополнительный учебный, учебно-методический и проверочный материал и при самостоятельном изучении этой дисциплины.

Структура, содержание и образовательные возможности учебно-методического комплекса

Ядром комплекса является структурированный в соответствии с целями и задачами курса лекционный материал (темы). В соответствующих разделах представлены вопросы для СРС и СРСП.

Кроме этого, учебно-методический комплекс предоставляет возможность самостоятельной проверки уровня освоения материала за счет ответов на предлагаемые вопросы и тестовые задания по теме лекции.

Особенностью данного учебно-методического комплекса является предоставляемая возможность более углубленного изучения материала путем подготовки рефератов или выполнения творческих заданий по темам, предлагаемым по курсу в целом.

Рекомендуемый порядок работы с учебно-методическим комплексом

Работу с учебно-методическим комплексом следует начинать со знакомства с его содержанием и программой курса. Это позволит обучающемуся сориентироваться в объеме предлагаемого к изучению материала, понять уровень его сложности и освоить навыки полномасштабного использования всех ресурсов, включенных в состав комплекса.

Знакомство с темой следует начать с прочтения всего текстового материала в полном объеме (первичное, ориентировочное чтение на общее понимание содержания и формирование завершенного образа темы).

После завершения изучения содержания темы следует, используя систему контрольных заданий и тестовых вопросов, определить степень знакомства с базовыми положениями лекции.

Безусловно, предлагаемый порядок работы с учебно-методическим комплексом может быть видоизменен и сокращен в зависимости от уровня подготовленности обучаемого и с учетом его индивидуально-психологических особенностей.

УТВЕРЖДЕНЫ

на заседании кафедры

Системы абонентского доступа

наименование

учреждения «Университет «Туран»

Протокол № __ от «____»________ 2012 г.

Заведующий (ая) кафедрой

________________Л.С. Вервейкина

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ СЕМИНАРСКИХ РАБОТ ПО КУРСУ «СИСТЕМЫ АБОНЕНТСКОГО ДОСТУПА»

• 1. Описание и содержание лабораторных работ комплекс
• Материал по каждой лабораторной работе включает цель, краткое описание измерительной установки, указания по самостоятельной подготовке студентов и выполнению работы, содержание отчета и контрольные вопросы. Описание используемой аппаратуры и методов измерений приведено в приложениях комплекса.

При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо изучить ее описание, основные положения теории по рекомендованной литературе, заготовить форму отчета, содержащую схему измерительной установки, расчеты, графики согласно самостоятельной подготовке и ответить на контрольные вопросы.

Отчет по работе выполняется индивидуально каждым студентом и является необходимым документом для защиты работы. Графики строятся на миллиметровой бумаге с указанием масштаба, размерностей по осям, экспериментальных и расчетных точек. Отчет должен содержать краткие выводы, в которых необходимо дать оценку полученным результатам, объяснение расхождениям между результатами эксперимента и теоретических расчетов.

2.1 Лабораторная работа

№1 «Исследование дисперсионных свойств волновода»

Целью работы является исследование дисперсионных свойств радиоволн; изучение устройства волновой измерительной линии; получение навыков работы с измерительной линией.

На Рисунке 2.1 представлена структурная схема лабораторной установки, предназначенной для исследования дисперсионных свойств радиоволновода прямоугольного сечения.

В состав установки входят: высокочастотный генератор (1), волноводный переходник (2), измерительная волноводная линия Р1-27 (3), магнитоэлектрический микроамперметр (4), переменная реактивная нагрузка (5) .

Высокочастотный генератор предназначен для возбуждения колебаний в сантиметровом диапазоне длин волн. В качестве исследуемого отрезка волновода применяется волновод измерительной линии Р1-27. Данная линия служит для измерения коэффициента бегущей волны, длины волны в волноводе, модуля и фазы коэффициента отражения двух и четырехполюсников. Основные технические данные линии приведены в приложении ( ) .

Микроамперметр является индикаторным устройством, на вход которого поступает сигнал с детектора измерительной линии. Волноводный переходник служит для согласования волноводных секций генератора и измерительной линии.

Рисунок 2.1 - Структурная схема лабораторной установки.

Перед выполнением работы, студенту необходимо выполнить домашнее задание к данной лабораторной работе. После этого студент приступает выполнению основной части работы.

Порядок выполнения работы следующий:

1. Собрать структурную схему установки.

2. Снять зависимости длины волны в волноводе ?в от длины волны генератора. (Длина волны в волноводе определяется как удвоенное расстояние между двумя соседними минимумами напряженности электрического поля). Построить график зависимости длины волны в волноводе в от длины волны генератора.

3. Используя экспериментальные данные пункта 2, рассчитать фазовую и групповую скорости, продольное волновое число и характеристическое сопротивление волновода, построить графики их зависимостей от длины волны генератора.

4. Выполнить градуировку детектора измерительной линии. Построить градуировочную кривую детектора (см. приложение Б.1).

5. Снять распределение напряженности электрического поля в продольном сечении волновода с шагом 0,1?в, при короткозамкнутой нагрузке. Построить график зависимости напряженности электрического поля от продольной координаты.

6. Снять распределение напряженности электрического поля в продольном сечении волновода с шагом 0,1?В при открытом конце волновода. (данный пункт выполнить на двух частотах используемого частотного диапазона). Построить график зависимости напряженности электрического поля от продольной координаты линии. Рассчитать коэффициент стоячей волны и коэффициент отражения от открытого конца волновода.

После проведения работы студент составляет отчет о проделанной работе.

Отчет должен содержать:

1. Расчетные формулы, таблицы и графики, полученные при выполнении домашнего задания.

2. Схему лабораторной установки.

3. Таблицы с экспериментальными данными, результаты их обработки и графики.

4. Выводы, содержащие сравнение экспериментальных результатов с расчетными и объяснение возможных расхождений.

В ходе подготовки к защите лабораторной работы, студент должен ответить на контрольные вопросы, приведенные в конце описания лабораторной работы.

2.2 Лабораторной работы №2 «Исследование полосковой линии»

Цель работы является: исследование структуры электромагнитного поля в симметричной полосковой линии передачи; изучение устройства полосковой линии.

Структурная схема лабораторной установки для исследования структуры поля электромагнитной волны в полосковой линии представлена на Рисунке 2.2. В состав установки входят: высокочастотный генератор (1), измерительная полосковая линия типа Р1-3(2), микроамперметр(3) и нагрузки: короткозамыкатель(4), реактивная нагрузка(5), согласованная нагрузка(6).

Генератор Г4-82 служит для возбуждения колебаний в сантиметровом диапазоне длин волн. Высокочастотные колебания по коаксиальному кабелю поступают на вход измерительной полосковой линии. К другому разъему измерительной линии подключается исследуемая нагрузка. С низкочастотного разъема зондовой головки измерительной линии сигнал поступает на индикаторное устройство, в качестве которого выбран микроамперметр.

абонентский доступ сеть цифровой

Рисунок 2.2 - Структурная схема лабораторной установки.

Лабораторное задание на работу состоит из:

Собрать структурную схему лабораторной установки.

Снять зависимость длины волны в полосковой линии ?В от длины волны генератора. Длина волны в линии равна удвоенному расстоянию между двумя соседними минимумами поля. Построить график зависимости длины волны в линии.

Измерить и построить градуировочную характеристику детектора полосковой измерительной линии. (см. приложение Б.1) .

Измерить распределение напряженности электрического поля вдоль полосковой линии при реактивной нагрузке и определить коэффициент бегущей волны. К выходу измерительной полосковой линии подключить реактивную нагрузку ЭРСК-111. Построить график распределения напряженности электрического поля вдоль линии. Вычислить коэффициент бегущей волны по формуле:

, (2.1)

где Еmin - минимальная напряженность электрического поля, В/м;

Еmax - максимальная напряженность электрического поля, В/м.

Измерить распределение напряженности электрического поля вдоль полосковой линии при согласованной нагрузке и определить коэффициент бегущей волны. Для этого, подключив к выходу измерительной полосковой линии согласованную нагрузку ЭАК-111. Построить график зависимости напряженности электрического поля от продольной координаты.

Измерить распределение напряженности электрического поля вдоль полосковой линии при открытом конце полосковой линии. Определите коэффициент отражения по мощности от открытого конца полосковой линии по формуле:

, (2.2)

где КБВ - коэффициент бегущей волны.

Вычислить, какая часть мощности излучается из открытого конца полосковой линии. Построить графики зависимости напряженности электрического поля от продольной координаты.

Проделать пункт 6 лабораторного задания, используя в качестве нагрузки рупорную антенну. Для этого к выходу измерительной полосковой линии подключить через коаксиально-волноводный переход излучатель в виде рупора. Определить, какая часть мощности излучается рупором.

В отчете должны быть представлены:

Цель работы.

Схема лабораторной установки.

Расчетные формулы, графики и картины поля, полученные при выполнении домашнего задания.

Экспериментальные данные, результаты их обработки, графики.

Выводы, содержащие сравнение экспериментальных результатов с теоретическими и объяснение возможных различий.

Также как и в лабораторной работе №1, в ходе подготовки к защите работы, студент должен будет ответить на контрольные вопросы к работе.

3. Лабораторная работа № 3. «Исследование прямоугольных объемных резонаторов»

• 3.1 Описание физических явлений в используемых устройствах СВЧ
• В диапазоне низких частот физические явления описываются с помощью понятий тока и напряжения. Понятие электромагнитного поля при этом носит вспомогательный характер. В диапазоне СВЧ строгое описание физических явлений проводится на основе теории электромагнитного поля. Наглядным примером может служить волноводная линия передачи, имеющая вид металлической трубы, внутри которой распространяется электромагнитная волна. Здесь обычное представление электрической цепи с несущими энергию прямым и обратным токами в проводниках оказывается неприемлемым. Более правильно считать, что энергия передается электромагнитным полем, находящимся между проводниками, а не током, текущим по самим проводникам. Проводники при этом выполняют роль устройств, направляющих электромагнитную энергию.
• Теоретическое определение электромагнитных полей в линии передачи сводится к решению уравнений Максвелла (или следующих за ними волновых уравнений) при заданных координатах, параметрах границ рассматриваемой области и параметрах заполняющей область среды. Это вынуждает прибегать к трудоемкому математическому аппарату теории поля и ведет к повышенной сложности описания явлений на СВЧ. Подобный подход к явлениям на СВЧ оказывается необходимым не только при рассмотрении полых волноводов, но и многих других видов линий передач и таких радиотехнических устройств, как различные колебательные системы, антенны и др.
• Для исследования электромагнитных волн в лаборатории применяются линии передач. Линией передачи называется устройство, направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. Линии передач служат для передачи электромагнитной энергии от источника к потребителю, например от передатчика к антенне и от антенны к приемному устройству, а также для соединения отдельных частей и узлов радиоаппаратуры. На базе отрезков линий передачи конструируются многие СВЧ - элементы и узлы радиоаппаратуры.

К линиям передачи предъявляются следующие требования:

незначительные паразитные излучения при приеме энергии, так как возникающие паразитные связи нарушают правильное функционирование радиоаппаратуры и радиосистем в целом;

минимальные амплитудно- и фазочастотные искажения;

минимальные потери энергии, уменьшающие дальность действия радиосистем и ухудшающие электрические характеристики элементов и узлов радиоаппаратуры, конструируемых на базе линий передачи;

высокая электрическая прочность, необходимая для передачи большой мощности, а также для конструирования элементов и узлов радиоаппаратуры;

высокая механическая прочность, обеспечивающая высокую надежность, длительный срок службы и устойчивость к механическим воздействиям;

большая широкополосность, допускающая одновременную работу нескольких каналов радиосистем и передачу сложных сигналов с широким спектром частот;

передача энергии волной одного типа. Использование нескольких типов волн приводит к понижению КПД возбуждающих устройств на входе линии, к возрастанию потерь из - за увеличения затухания на типах волн и увеличения отражений на приемном конце линии из - за повышенного коэффициента отражения паразитных типов волн.

Используемые на практике линии передачи можно разделить на два класса: открытые линии передачи и волноводы. В открытых линиях передачи электромагнитное поле сообщается с пространством, окружающим линию. В волноводах электромагнитное поле сосредоточено в пространстве, экранированном от внешней среды металлической оболочкой.

В лаборатории основными типами применяемых волноводов являются прямоугольные и круглые. Они выполняются в виде труб прямоугольного и круглого сечений. Преимуществами этих волноводов являются простота и жесткость конструкции, высокая электрическая прочность и малые потери. Применяются они в деци-, санти- и миллиметровом диапазонах волн. Основными недостатками прямоугольных и круглых волноводов являются узкополосность (ширина полосы не более 20 % средней частоты), наличие дисперсии, большие масса, габариты для волн длиннее 20 см и сложность при изготовлении для волн короче 5 мм.

При выполнении работ по исследованию свойств устройств и электромагнитных волн СВЧ диапазона были использованы следующие типы волн:

волны основного типа Н10;

волны Т - типа.

Ниже приведены формулы, характеризующие свойства волн в зависимости от их типа и устройства, в котором они распространяются.

3.1.1 Прямоугольные волноводы

Характер зависимостей проекций векторов электромагнитного поля волн Е- и Н - типов вдоль продольной координаты z и поперечной координаты x совершенно различен: по оси z устанавливается бегущая, а по оси x - стоячая волна. Чтобы учесть эту особенность рассматриваемого волнового процесса, необходимо найти два параметра: продольное волновое число h и поперечное волновое число g. Они соответственно равны:

, (3.1)

где - коэффициент фазы;

g - поперечное волновое число.

, (3.2)

где f - частота генератора, Гц;

с =3108 - скорость света, м/с.

, (3.3)

где m, n - индексы волны;

a, b - размер сечения вдоль широкой и узкой стенки волновода соответственно, мм.

Длину волны генератора, соответствующую случаю =g, называют критической длиной волны данного типа и обозначают кр.

Для волн Н- и Е - типа кр, м:

, (3.4)

где m, n - индексы волны;

a, b - размер сечения вдоль широкой и узкой стенки волновода соответственно, мм.

Тогда критическая частота fкр, Гц определяются соотношением:

, (3.5)

где кр - критическая длина волны генератора, м.

m, n - индексы волны;

a, b - размер сечения вдоль широкой и узкой стенки волновода соответственно, мм.

Длина волны в волноводе в, м, определяется как:

, (3.6)

где 0- длина волны генератора, м;

кр - критическая длина волны генератора, м.

Так как у волны Н10 индекс n=0, то кр, м, в этом случае определяется как:

, (3.7)

где a - размер сечения вдоль широкой стенки волновода, мм.

Фазовая скорость распространения волны в волноводе ф, м:

, (3.8)

где 0- длина волны генератора, м;

кр - критическая длина волны генератора, м.

3.1.2 Характеристическое сопротивление волновода

По физическому смыслу характеристическое сопротивление линии передачи - это отношение некоторой электрической характеристики волнового процесса, к какой - либо магнитной характеристике. Так, в теории радиотехнических цепей с распределенными параметрами принято вводить волновое сопротивление линии:

, (3.9)

где и - комплексные амплитуды напряжения и тока в бегущей волне.

Характеристическое сопротивление для однородной плоской электромагнитной волны Zс, Ом имеет вид:

, (3.10)

где Ех - напряженность электрического поля вдоль оси ОХ, В/м;

Ну - напряженность магнитного поля вдоль оси ОY, А/м;

- относительна магнитная проницаемость;

а - абсолютная диэлектрическая проницаемость.

В теории волноводов также целесообразно воспользоваться понятием характеристического сопротивления Zc, Ом, определив его как отношение модулей поперечных составляющих векторов Е и Н:

, (3.11)

где Ех, Еу - напряженность электрического поля вдоль оси ОХ и ОY соответственно, В/м;

Нх, Ну - напряженность магнитного поля вдоль оси ОХ и ОY соответственно, А/м;

Тогда для волны типа Еmn на основании формул перехода [(8.27), /1/] имеют место следующие соотношения пропорциональности:

, (3.12)

где h - продольное волновое число;

- циклическая частота, рад/с;

0 =8.84210-12 - электрическая постоянная, Ф/м;

Нх, Ну - напряженность магнитного поля вдоль оси ОХ и ОY соответственно, А/м.

Подставив эти равенства в выражение (3.11), получим ZсЕ, Ом:

, (3.13)

где h - продольное волновое число;

- циклическая частота, рад/с;

0 =8.84210-12 - электрическая постоянная, Ф/м.

Воспользовавшись тем, что

, (3.14)

получим (3.13) в виде:

, [Ом]. (3.15)

где Z0 = 377 Ом - характеристическое сопротивление вакуума.

Аналогично для волны типа Нmn:

, [Ом]. (3.16)

На основании приведенного выше находим коэффициент отражения по напряжению:

. (3.17)

Коэффициент стоячей волны :

. (3.18)

Мощность, переносимая по прямоугольному волноводу волной H -типа Рср, Вт:

 , (3.19)

где Еmax - амплитуда электрического вектора в центре волновода, В/м.

Амплитуда электрического вектора в центре волновода Еmax, В/м:

. (3.20)

• Амплитуда напряженности электрического поля, которое существует в точке поперечного сечения волновода с координатой x:
• , [В/м]. (3.21)
• 3.1.3 Круглый волновод
• Круглый волновод представляет собой трубу с внутренним радиусом равным а. Исходные предпосылки остаются теми же, что и при исследовании прямоугольного волновода. Считаем, что проводимость стенок волновода бесконечно велика, волновод неограниченно протяжен и однороден вдоль оси z, а внутренней средой является воздух или вакуум.
• Критические длины волн для волны Е - типа в круглом волноводе находятся на основании того же принципа, что и в случае прямоугольного волновода:
• , (3.22)
• где gmn - поперечное волновое число для волны с индексами m и n;
• mn - корни функций Бесселя.
• Формулы для вычисления длины волны в волноводе и фазовой скорости аналогичны тем, которые были получены применительно к прямоугольному волноводу [см. (3.6) и (3.8)].
• Характеристическое сопротивление ZcE, Ом находится подобно тому, как это было сделано в теории прямоугольного волновода:

, (3.23)

Основные расчетные формулы для волн Н - типа остаются теми же, что и для волн электрического типа:

, [м], (3.24)

где а - радиус волновода, мм;

mn - корень первой производной функций Бесселя.

Волны Т - типа в отличии от волн Е - и Н - типов не имеют частотной дисперсии фазовой скорости. Для них продольное волновое число h совпадает с коэффициентом фазы , и поэтому поперечное волновое число g=0. Отсюда непосредственно следует, что критическая длина Т - волн кр=2/g=. Следовательно, волновод с волной типа Т в равной мере пропускает колебания любых частот начиная с постоянного тока (=0) и не имеет конкретной критической частоты.

Волновое сопротивление Zв линии передачи с волной типа Т определяется как:

, [Ом], (3.25)

где а, b - внутренний и внешний диаметр коаксиальной линии соответственно, мм;

а, а - абсолютная диэлектрическая и абсолютная магнитная проницаемости среды соответственно;

, - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды соответственно.

3.1.4 Полосковый волновод

За последние десятилетия в технику СВЧ прочно вошел особый класс линий передачи с волнами типа Т, называемых полосковыми волноводами. В этих волноводах токонесущие проводники представляют собой тонкие полоски металла, между которыми находится подложка - плоский слой диэлектрика с малыми потерями. Полосковые волноводы бывают симметричными и несимметричными. По многим конструктивным и технологическим соображениям на практике предпочитают несимметричные полосковые волноводы. Чтобы обеспечить высокие электрические и механические характеристики, в качестве материалов для подложки часто используют твердые диэлектрики на основе оксида алюминия - поликор (=9.6) и лейкосапфир (=11.4). Высокая диэлектрическая проницаемость этих материалов позволяет существенно уменьшить поперечные габариты волноводов. Несимметричные полосковые волноводы для сантиметрового и миллиметрового диапазонов часто называют микрополосковыми волноводами, подчеркивая этим термином миниатюрность конструкций.

Волновое сопротивление микрополоскового волновода Zв, Ом:

, (3.26)

Где , - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды соответственно;

h - толщина подложки, мм;

b -ширина верхнего проводника, мм.

Данная формула устанавливает, что волновое сопротивление падает с уменьшением толщины подложки и с ростом ширины верхнего проводника волновода.

3.1.5 Источники потерь в волноводах

Можно выделить два основных источника потерь, присущих полым металлическим волноводам:

конечное значение проводимости металла, из которого изготовлены стенки волновода;

небольшие токи проводимости в диэлектрике, заполняющем волновод.

Первый из этих источников потерь приводит к тому, что на поверхности реального металла с конечной проводимостью касательная составляющая вектора напряженности электрического поля не обращается в нуль, а принимает некоторое конечное значение. Структура электромагнитного поля в волноводе становится такой, что силовые линии вектора Е слегка изгибаются. Как следствие, возникает составляющая усредненного вектора Пойтинга, направленная внутрь металла. Данная составляющая характеризует плотность потока мощности, идущей на нагрев стенок волновода.

Потери энергии, связанные с неидеальностью диэлектрических свойств заполняющего вещества, имеют, как правило, второстепенное значение, поскольку чаще всего внутри волновода находится столь совершенный диэлектрик, как воздух.

3.1.6 Коэффициент затухания в волноводе

Отрезок регулярного волновода можно представить в виде каскадного соединения отрезков меньшей длины. Если каждому отрезку присуще некоторое затухание, то общее затухание должно быть экспоненциальной функцией суммарной длины. Поэтому амплитуды векторов электромагнитного поля экспоненциально уменьшаются с ростом длины отрезка волновода. Таким образом, следует считать, что в волноводе с потерями продольное волновое число является комплексной величиной:

h=h - jh. (3.27)

При этом комплексные амплитуды векторов поля в волноводе будут зависеть от декартовых координат следующим образом:

Е(х,у,z) = Е(х,у)е - hzе - jhz,

Н(х,у,z) = Н(х,у)е - hz e - jhz. (3.28)

Из вида формула (3.28) следует, что h является коэффициентом фазы, в то время как h является коэффициентом затухания волны рассматриваемого типа. Величины h и h зависят от частоты.

Величина h является погонным затуханием рассматриваемой линии передачи, выраженной в неперах на метр (Нп/м). В радиотехнике погонное затухание чаще выражают в децибелах на метр (дБ/м), пользуясь формулой:

, (3.29)

где Евх, Евых -напряженности на входе и выходе волновода соответственно, В/м.

Между параметрами h и пог существует связь в виде:

пог=8.686h. (3.30)

Экспоненциальный характер ослабления амплитуды поля приводит к тому, что в волноводных трактах, длина которых L удовлетворяет неравенству hL>> 1, практически вся поданная на вход мощность рассеивается в стенках. Данное обстоятельство, на практике, серьезно затрудняет создание протяженных линий передачи.

Для Т - волны в коаксиальном волноводе без учета омических потерь h определяется как:

, (3.31)

отсюда погонное затухание коаксиального волновода (дБ/м):

, (3.32)

где 0 =1.25710 - 6 Гн/м, магнитная постоянная;

- циклическая частота, рад/с;

а, b - внутренний и внешний диаметр коаксиальной линии соответственно, мм;

- относительная диэлектрическая проницаемость заполняющего диэлектрика;

- удельная проводимость заполняющего диэлектрика.

Зафиксировав диаметр внешнего проводника коаксиального волновода, можно так подобрать диаметр внутреннего проводника, чтобы погонное затухание оказалось минимальным. Физическая причина существования оптимального соотношения радиусов такова: при чрезмерном сокращении радиуса внутреннего проводника потери в нем возрастают вследствие увеличения плотности тока; если же отношение радиусов стремится к единице, то погонные потери также растут из - за сокращения площади той части поперечного сечения волновода, по которой переносится электромагнитная энергия.

Для расчета погонного затухания (дБ/м) волны типа Н10 в прямоугольном металлическом волноводе с воздушным заполнением применяется следующая формула:

, (3.33)

где a, b - размер сечения вдоль широкой и узкой стенки волновода соответственно, мм;

0 - рабочая длина волны, мм;

- удельная проводимость заполняющего диэлектрика.

В случае круглого металлического волновода с рабочей длиной волны 0 (мм) - погонное затухание (дБ/м) определяется:

для волны Е01:

, (3.34)

где а - радиус волновода, мм;

- удельная проводимость заполняющего диэлектрика.

для волны Н01:

. (3.35)

Список литературы

Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов по спец. «Радиотехника». - М.: Высш. шк., 1992. - 416 с.: ил.

Шмид В. Visual Basic 5.0. - М.: АБФ, 1997.

Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств: Пер. с англ. - Радио и связь, 1987. -432 с.: ил.

Конструирование экранов и СВЧ - устройств: Учебник для вузов /А.М. Чернушенко, Б.В. Петров, Л.Г. Малорацкий и др.: Под ред. А.М. Чернушенко. - М.: Радио и связь, 1990. -352 с.: ил.

Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ: Учебник для вузов по спец. «Электронные приборы и устройства». - М.: Высш. шк., 1990. - 335 с.: ил.

Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. Спец. Вузов. - М.: Высш. шк., 1989. -432 с.: ил.

Бушминский И.П. Изготовление элементов конструкций СВЧ. Волноводы и волноводные устройства. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1974. - 304 с.: ил.

Справочник по радиоизмерительным приборам. /Под ред. В.С. Насонова. Т. 2. Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы. - М.: Сов. радио., 1978. - 272 с.: ил.

Безопасность труда в промышленности : Справочник /Под ред. К.Н. Ткачука. - Киев: Техника, 1982. -230 с.

Баклашов Н.И. и др., Охрана труда на предприятиях связи и охрана окружающей среды: Учеб. для вузов. - М.: Радио и связь, 1989.

Денисенко Г.Ф., Охрана труда: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1985.

Долин П.А. Справочник по технике безопасности. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

Методические указания к экономической части дипломных проектов для радиотехнических специальностей по курсу «Организация и планирование производства и управление предприятием. .: АЭИ, 1989.

УТВЕРЖДЕНЫ

на заседании кафедры

Радиотехника, электроника и телекоммуникации

учреждения «Университет «Туран»

Протокол № __ от «____»________ 2012 г.

Заведующий (ая) кафедрой

_______________Л.С. Вервейкина

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Системы абонентского доступа»

Методические рекомендации по СРС:

- название темы занятия;

- цель занятия;

- задания, вопросы;

- методические рекомендации к выполнению;

Самостоятельная работа студентов охватывает изучение учебников и учебных пособий по «Системы абонентского доступа», ознакомление с монографическими исследованиями и научными публикациями в периодической печати на данную тему, анализ существующих линий передач электромагнитных волн, решение практических задач по их применению, подготовку научных докладов, сообщений, рефератов, статей по отдельным аспектам и проблемам темы.

В ходе самостоятельной работы студентам необходимо научиться критически оценивать и анализировать теоретические и нормативные источники, уметь делать конкретные выводы, высказывать собственную точку зрения и предлагать собственные рекомендации по тем или иным вопросам. Все задания для самостоятельной работы выполняются в письменной форме.

Для выполнения заданий в рамках СРС студент должен изучить соответствующий лекционный материал, основную учебную и дополнительную литературу, нормативные правовые акты. Для облегчения поиска нормативно-правового материала целесообразно приобрести на электронном носителе (диск DVD) и использовать его постоянно в процессе работы.

При подготовке научного реферата, статьи, доклада, следует иметь в виду, что они являются формой самостоятельной работой, имеющей научный характер.

Для написания работы обязательным является использование как основной, так и дополнительной литературы, а также научных статей по данной теме. Желательным является привлечение практического материала по теме исследования. Можно в сравнительно-правовом плане использовать научные работы в данной области.

При написании научной статьи или доклада вводная, заключительная и основная части не выделяются как самостоятельные (текст идет сплошной), но обязательно должны присутствовать. Сноски даются или постранично либо в конце статьи, обычно по сквозной нумерации.

Обязательным условием письменных работ является наличие списка использованных источников. Сначала указываются нормативно-правовые акты в порядке убывания их юридической силы (Конституция, конституционный закон, закон, указ Президента и пр.), затем - специальная литература, расположенная в алфавитном порядке. Необходимо точно указывать автора и его инициалы, название работы, место, год издания, для статей - также название журнала (газеты), года, № (или даты издания), страниц, на которых напечатана статья; для нормативных правовых актов - их точное наименование, дату издания, ссылку на источник издания с указанием года, номера издания и номера статьи.