Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 4. Лінії зв’язку   /  Тема 4.1. Фізичні параметри середовищ поширення електромагнітних хвиль

Зміст:

4.1.1. Фізичні параметри середовищ поширення електромагнітних хвиль

Переносниками інформації в лініях зв’язку є сигнали у вигляді електромагнітних хвиль, які поширюються у матеріальному середовищі (вакуумі, атмосфері, діелектрику, провідниках тощо).

Будь-яке матеріальне середовище характеризується такими параметрами:
1) питомим електричним опором ρ, Ом · мм²/м, або питомою електричною провідністю σ, См · м;
2) абсолютною діелектричною проникністю ε, Ф/м;
3) абсолютною магнітною проникністю μ, Гн/м.

Електричний опір викликає втрати електромагнітної енергії при поширенні металевими кабелями, питомий опір для ідеального провідника ρ → 0, для ідеального діелектрика ρ → ∞.

При поширенні електромагнітної енергії в діелектриках також мають місце втрати, обернено пропорційні квадрату відстані від джерела. Втрати також залежать від параметрів середовища.

Сила електромагнітної взаємодії у вакуумі завжди більша, ніж у будь-якому середовищі. Діелектрична проникність середовища зменшує силу електромагнітної взаємодії. Абсолютну діелектричну проникність середовища ε доцільно представити в порівнянні з діелектричною проникністю вакууму:

ε = εr · ε0(4.1.1)

де Ф/м — діелектрична проникність вакууму; εr — відносна діелектрична проникність середовища. Для вільного простору (вакууму) εr = 1, для атмосфери εr ≈ 1,01, для інших середовищ εr > 1. Відносна діелектрична проникність металів εr = 1. З відносною діелектричною проникністю пов’язаний показник заломлення . Він використовується при аналізі променевих процесів і характеризує оптичну щільність середовища.

Магнітна проникність середовища визначає його магнітні властивості, абсолютна магнітна проникність також представляється у порівнянні з магнітною проникністю вакуума:

μ = μr · μ0(4.1.2)

де μ0 = 4π · 10−7 Гн/м — магнітна проникність вакууму; μr — відносна магнітна проникність середовища. Для немагнітних металів (мідь, алюміній) і діелектриків μr = 1. Для магнітних металів (залізо, нікель) μr >> 1. Абсолютні значення діелектричної та магнітної проникностей вільного простору пов’язані співвідношенням

(4.1.3)

де с — швидкість світла у вільному просторі.

Властивості середовищ можуть залишатися незмінними або змінюватися від точки до точки. Перші називають однорідними, другі — неоднорідними. Важливе місце серед неоднорідних середовищ займають середовища, властивості яких у різних напрямках різні. Їх називають анізотропними, на відміну від однорідних — ізотропних.

Для ізотропних середовищ виконуються умови

(4.1.4)
де та — вектори напруженості електричного Е та магнітного Н полів; та — вектори індукції електричного та магнітного полів відповідно.

В анізотропних середовищах діелектрична εr та магнітна μr проникності визначаються тензорами. Анізотропія призводить до подвійного променезаломлення під час поширення електромагнітних хвиль. Так, значною анізотропією відзначається іоносфера, яка є магнітоактивною плазмою, оскільки іонізовані верхні шари атмосфери перебувають під дією магнітного поля Землі. Існують і штучно створені анізотропні середовища.

Так, оптичні анізотропні матеріали використовуються в окремих пристроях волоконно-оптичних систем передачі, а саме в акустооптичних модуляторах світла, оптичних ізоляторах (кристали з подвійним променезаломленням) тощо.

Серед неоднорідних середовищ особливе місце займають ті, що наповнені дискретними елементами — розсіювачами енергії сигналів. Прикладом таких середовищ є атмосфера з гідрометеорами (краплями дощу, снігу, туману). Розсіювачами є також середовища з плавною зміною параметрів, наприклад турбулентні повітряні потоки, що розсіюють енергію сигналів.

Середовища характеризуються також певними властивостями нелінійностей. Параметри лінійних середовищ не залежать від параметрів сигналів (потужності, струму, напруги). Так, електричний опір металів не залежить від значення струму чи напруги, діелектрична проникність більшості середовищ не залежить від напруженості електричного поля. На відміну від цього в світловодах при значних рівнях оптичної потужності, а отже, й напруженості електричного поля, з’являється залежність показника заломлення від інтенсивності світла, що приводить до появи нелінійних ефектів під час передачі оптичних сигналів. Наявність нелінійностей сприяє спотворенню сигналів. Певні нелінійності виникають і при поширенні радіосигналів, наприклад високоенергетичних сигналів.

Важливим є поняття дисперсності середовища. Середовище вважається дисперсним, якщо окремі параметри сигналів, що поширюються в ньому, мають деякий розкид. Так, у лініях зв’язку фазова швидкість різних частотних складових сигналів відрізняється від середнього значення. Оскільки в оптичному дисперсному середовищі показник заломлення залежить від довжини хвилі, то під час передачі оптичних імпульсів світловодами дисперсія призводить до розширення сигнальних імпульсів, а отже, до появи спотворень форми переданих сигналів.