Ghiduri cu ferite

Ghiduri cu ferite

Feritele sunt substante feromagnetice compuse din oxizi de fier trivalent si oxizi ai unui metal bivalent, prezentandu-se ca solutii solide avand formula generala , unde reprezinta un metal bivalent: Ni, Co, Zn, Mn, Mg, Cu, s.a.

Proprietatile feritelor depind de:

compozitia chimica;

conditiile de sinterizare;

structura cristalina.

Proprietatile feritelor utilizate in tehnica microundelor:

rezistenta specifica foarte mare: ohmcm;

permeabilitatea magnetica initiala

magnetizarea de saturatie

campul magnetic de saturatie

permeabilitatea magnetica relativa

permitivitatea dielectrica

tangenta unghiului de pierderi

Feritele isi pastreaza proprietatile magnetice in functie de temperatura pana cand aceasta nu depaseste o valoare critica numita temperatura Curie (). Magnetizarea de saturatie de regula scade cu cresterea temperaturii.

Fenomene constatate la feritele premagnetizate, utilizate in FFI:

rezonanta giromagnetica,

rotirea planului de polarizare a undei electromagnetice,

efectul de deplasare a campului,

defazajul nereciproc.

Dispozitive de microunde care folosesc ferite:

circulatoare;

defazoare;

atenuatoare nereciproce(izolatoare).

Permeabilitatea magnetica a feritei

Studiul fenomenelor de propagare a undelor electromagnetice in ferita premagnetizata presupune cunoasterea permitivitatii () si permeabilitatii (

electronul este reprezentat printr-o sfera de raza si masa , incarcata cu sarcina electrica e, care se invarte in jurul axei sale ca un giroscop, avand un moment mecanic . Daca electronul este situat intr-un camp magnetic , asupra lui va actiona o pereche de forte ce vor da nastere unui moment de rotatie

. Sub actiunea momentului de rotatie , varful vectorului se deplaseaza cu o viteza liniara:

Ferita este premagnetizata longitudinal, cand este paralel cu directia de propagare

Ferita este premagnetizata transversal, fiin perpendicular pe directia de propagare.

. Pe masura propagarii in ferita intre cele doua unde va apare un defazaj deoarece constantele lor de faza difera:

, mai mare decît cea a mediului înconjurator

In functie de forma sectiunii transversale, se.cunosc mai mul­te tipuri de ghiduri dielectrice: ghiduri dielectrice neecranate cu sectiunea circulara, tubulara, dreptunghiulara, eliptica (fig.2.55 a, b, c, d), ghiduri dielectrice ecranate cu sectiunea circulara, tubu­lara, dreptunghiulara (fig.2.55' e, f, g) si ghiduri metalodielectrice neecranate sau partial ecranate (fig.2.55 h, i, j).

Ghidurile dielectrice fac parte din clasa lini­ilor de transmisie cu unda de suprafata. Proprietatea cea mai generala a acestor linii este aceea ca viteza de faza în linie este mai mica decît viteza de pro­pagare a undelor plane în mediul exterior liniei. Din acest motiv se numesc uneori linii cu unda întîrziata. Datorita întîrziarii, cîmpul electro­magnetic se concentreaza catre structura directiva, desi nimic nu îl limiteaza spre mediul exterior.

Pentru comparatia liniilor dielectrice cu unda de suprafata se foloseste uneori diametrul efectiv al ghidului care depinde aproa­pe univoc de întîrziere si care reprezinta diametrul domeniului în care este concontrata 99% din energia transmisa pe linie.

Comparatia dupa acest criteriu arata ca în gama undelor milimetrice, dintre toate liniile cunoscute (linia monofilara, ghidul în H s.a.), cea mai mica atenuare si dependenta convenabila a atenuarii de frecven­ta, le are ghidul dielectric. S-a stabilit ca atenuarea în ghidul dielectric confectionat din material cu = 2 si si atenuarea ghidului metalic devin egale la . Sub aceasta lungime de unda_, ghidurile dielectrice prezinta atenuare mai mica.

La ora actuala utilizarea ghidurilor dielectrice si dispozi­tivelor functionale bazate pe acestea, se considera ca este de per­spectiva îndeosebi pentru gama undelor milimetrice, pentru spectrul infrarosu si pentru spectrul luminos, datorita avantajelor pe care le prezinta: simplitate constructiva si tehnologica, pret de cost redus, atenuare mai mica decît la ghidurile metalice standard, ca­litati mecanice, conductibilitate electrica si termica scazuta.

Spectrul undelor ghidate în linia dielectrica difera mult de spectrul undelor din ghidul metalic umplut cu aer.

In primul rînd în ghidurile dielectrice exista întotdeauna doua tipuri fundamentale de unde care, au frecventa critica minima, pe cînd la ghidurile metalice în aer exista numai o unda fundamenta­la. In al doilea rînd frecventele critice ale undelor fundamentale din ghidurile dielectrice cu sectiune transversala oarecare sînt nu­le, pe cînd ale ghidurilor cu aer sînt finite. Totusi nu înseamna ca în ghidurile dielectrice se pot propaga practic frecvente oricît de joase. Faptul se explica prin aceea ca directivitatea si gradul de concentrare a energiei în ghidul dielectric cu geometrie data scad foarte repede odata cu micsorarea frecventei sub o valoare oa­recare. Aceasta valoare poate fi numita frecventa critica reala. Cu alte cuvinte diferenta consta practic în aceea ca frecventa critica a undelor fundamentale din ghidurile dielectrice nu este precis determinata ca la ghidurile metalice cu aer.

Studiul propagarii in ghidurile dielectrice prezinta anumite particularitati. Astfel, daca la ghidurile cu aer, cu peretii per­fect conductori este suficient sa se exprime cîmpul într-un domeniu, conditiile la limita impunînd anularea componentelor corespunza­toare ale cîmpului, în ghidurile dielectrice trebuie exprimat cîm­pul în cîteva domenii, iar conditiile la limita dintre domenii cer continuitatea (conservarea) componentelor tangentiale ale campuri­lor. Ca urmare, la ghidurile metalice distributia cîmpului în plan transversal aproape ca nu depinde de frecventa. In ghidurile di­electrice însa distributia cîmpului depinde puternic de frecventa ei ca urmare are loc o redistributie a energiei între domeniile inte­rior si exterior ale ghidului dielectric.

La frecvente mici cea mai mare parte a energiei se propaga în domeniul exterior dielectricului; unda devine putin stabila si este radiata de la cele mai mici neregularitati.

La frecvente mari dimpotriva, cea mai mare parte a energiei se propaga în domeniul interior (în dielectric); unda este stabila si radiatia este minima chiar de la neomogenitati pronuntate cum ar fi tronsoanele curbate cu raza mica.

Calculul caracteristicilor ghidurilor dielectrice este rela­tiv complicat deoarece trebuie tinut seama de un numar mare de pa­rametri. In ghidul metalic cu aer totul se determina în functie de raportul dintre dimensiunile transversale si lungimea de unda în mediul dielectric. In ghidurile dielectrice, toate caracteristicile depind nu numai de forma si dimensiunile sectiunii, ci si de carac­teristicile electrodinamice ale materialului si de tipul undei.

Ghiduri dielectrice de tip strat

Ghidul propriu propriu-zis are permitivitatea , iar me­diul înconjurator . Spatiul se împarte în doua dome­nii dielectrice fara pierderi, pentru care se scriu ecuatiile undelor:

unde reprezinta laplacianul transversal, iar si sunt numerele de unda:

egalitatea, la suprafata de separatia intre domenii, este îndeplinita la orice z, daca

In ecuatiile numerelor la unda s-a considerat

Placa dielectrica fara pierderi, de grosime d, nelimitata pe axele x si z, reprezinta unul din tipurile simple de ghid dielec­tric. Datorita uniformitatii dupa x, distributia cîmpului este in­dependenta fata de aceasta coordonata, deci . Aceasta con­ditie conduce la separarea în moduri cu cîte trei componente. Ecua­tiile undelor devini:

Solutiile ecuatiilor sunt:

Conditiile la limita

si

impun pentru urmatoarele expresii:

pentru y>d

pentru y<0

Pe baza ecuatiilor lui Maxwell sa pot exprima functiile de distributie ale componentelor transversale în functie de componen­tele axiale atat pentru modurile TM cît si pentru TE [13] . Astfel pentru undele TM:

cind 0 < y < d.

, cand y>d.

, cand y<0.

Conditiile la limita conduc la ecuatia:

ce poate fi scrisa si sub formele:

Din aceleasi conditii rezulta constantele în func­tie de

Din scaderea relatiilor (2.16.3) si (2.16.4), pentru , rezulta:

In (2,16,2o) înlocuind de asemenea rezulta d =n si respectiv , care introdus în (2M6.21) permite calculul frecventei prag:

unde s-au notat:

Cînd r=0 la frecventa prag, constanta de faza este egala cu , iar cand . Deci cand frecventa variaza de la la , constanta de faza variaza de la la . Expresia constantei de propagare a frecventei de prag si a numarului de unda, arata ca propagarea are loc numai daca , ceea ce corespunde conditiei de producere a reflexiei totale la trecerea din domeniul 1 in domeniul 2.

in functie de frecventa raportata pentru unda E, in ghidul dielectric de tip strat, cu ca parametru [13]. Impedantele de unda in mediile 1 si 2 au valorile:

Fibre optice

Sistemele optice de comunicatie au cunoscut în ultimii ani o dezvoltare intensa, justificata de avantajele pe care le prezinta canalul realizat pe fibre optice; dimensiuni mici, banda de frec­venta foarte larga, imunitate la perturbatii electromagnetice, teh­nologie simpla etc. Viitorul optimist al comunicatiilor optice a fost realizat numai dupa o serie de încercari variate de utilizare a luminii ca purtator de informatie. Fibrele optice cunosc în prezent numeroase aplicatii în realizarea legaturii între studiouri si statiile de emisie, în tehnica militara la bordul avioanelor, al submarinelor sau navelor de suprafata, la bordul satelitilor si în statiile de diri­jare de la sol, în sistemele de transmitere a datelor etc.

Principalele dezavantaje legata de distanta mica de actiune
si lipsa unor componente specilizate sînt înlaturate tot mai mult
la ora octuala, cînd pierderile de energie în fibrele optice au scazut sub 1 dB/km si s-au realizat diode generatoare de lumina si detectoare cu performante acceptabile.

Fibrele optice pot fi împartite în doua clase, în functie de modurile de propagare: unimodale si multimodale. Fibrele multimodale sint într-un stadiu mai avansat de dezvoltare si utilizare.

Propagarea energiei electromagnetice prin ghidurile dielectrice se poate studia fie cu ajutorul opticii geometrice, cînd di­mensiunile transversale ale ghidului sînt mult mai mari decît lun­gimea de unda, fie cu ajutorul ecuatiilor lui Maxwell cînd lungimea de unda este comparabila cu dimensiunile ghidului. Avantajele opti­cii geometrice consta în aceea ca formeaza o imagine simpla, intui­tiva, asupra modalitatii de propagare.

La suprafata de separatie a doua medii transparente cu indici de refractie diferiti () lumina se comporta diferit in functie de unghiul sub care patrunde pe suprafata de separatie a celor doua medii si de mediul din care provine.

Conform legii lui Snell:

= const. pen­tru orice punct din sectiunea transversala o inimii fibrei. Uzual se produc fibre cu , ceea ce corespunde la un­ghiuri de acceptare

Pe lânga razele meridionale în fibra se propaga, si raze oblice care nu sînt cuprinse în planurile ce contin axa fibrei.Aces­tea pot patrunde în fibra sub un unghi mai mare decât si la fiecare reflexie planul de propagare se schimba. Aceste raze su­fera atenuari mari si nu se folosesc în comunicatii.

Un alt tip de fibre optice sunt cele cu variatie gradata (lina) a indicelui de refractie în interiorul miezului (fig.). Prin alegerea unui asemenea profil s a urmarit egalizarea, drumuri­lor parcurse de razele care intra cu unghiuri diferite în fibra.

cu indice gradat se comporta ca un lant de lentile care îsi refoctalizeaza una alteia fascicolul de lumina ce se pro­paga dupa o traiectorie curba.

Parametrul al fibrelor cu indice gradat variaza de la punct la punct, fiind maxim pe axul fibrei. Aceasta variatie pune probleme deosebite la cuplarile fibrelor optice cu diferite dis­pozitive, ceea ce este un dezavantaj.

ând lungimea de unda a radiatiei injectate în ghidul dielectric este comparabila cu dimensiunile miezului central, principiile opticii geometrice nu mai pot fi aplicate. Aprecierea caracte­risticilor de propagare se poate face numai pornind de la ecuati­ile lui Maxwell, cu ajutorul carora se poate determina numarul mo­durilor care se pot propaga, precum si distributia câmpurilor E si H.

Pentru ghidul dielectric cilindric având miezul central de diametru 2a ecuatiile (2.16.1) si (2.16.2) ramîn valabile. Ecuatia undelor se va exprima in coordonate cilindrice

unde numarul de unda

Pentru separarea variabilelor în ecuatia de mai sus se pre­supune ca unda (respectiv componentele longitudinale si ) este de forma:

, unde este un numar intreg.

Rezulta ecuatia diferentiala

a ecuatie diferentiala trebuie rezolvata cu îndeplini­rea conditiilor la limita specifice formei constructiei ghidului dielectric. Un caz particular poate fi acela în care variatia indicelui de refractie este în trepte, miezul fiind considerat omogen, cu si raza a, iar învelisul cu si grosime infinita. Solutiile ecuatiei (2.16.36) pentru miezul fibrei ()sînt functii Bessel de speta întâi, ordinul , iar pentru stratul exte­rior () sunt functii Hankel de ordinul

Functiile de distributie a componentelor longitudinale ale câmpului rezulta [19]:

arimea

a a ghidului optic pentru toate modurile care se pro­paga. Parametrul V este o masura a numarului de moduri care se pot propaga prin ghid si în acelasi timp un indice de calitate pentru di­ferentele de drum între modurile care se propaga.

Pentru ca atunci cînd parametrul w sa fie în permanenta pozitiv, trebuie ca , unde . Conditia de egali­tate implica o limitare a propagarii numai în interiorul miezului. Pentru , parametrul u trebuie sa fie real, deci , unde

Conditia de propagare a luminii prin domeniul marginit de fi­bra este

a a lui se afla din conditiile de continui­tate a câmpului electromagnetic la . Din aceste conditii se obtin patru ecuatii omogene cu necunoscutele A, B, C, D. Acest sis­tem de ecuatii are solutii numai daca determinantul coeficientilor este nul, conditie ce conduce la egalitatea:

a ecuatia admite numai solutii discrete ale lui în intervalul . Cu aceasta câmpurile E si H sînt determinate.

Pentru stabilirea modurilor de propagare posibile se face mai intîi In acest caz modurile E si H sint asemanatoare cu cele din ghidurile metalice adica TM când si TE când

Pentru situatia devine complexa, apar moduri hibride care au componente dupa toate directiile. Aceste moduri sunt notate cu sau in functie de componenta predominanta. Indicele , iar n apare datorita comportarii oscilatorii a functiilor Bessel , definind numarul maxim de radacini ale ecuatiei pentru care

Un parametru foarte important al ghidurilor dielectrice este frecventa de prag sau de taiere, care se obtine din ecuatiile:

pentru modurile si

si

Exista un singur mod,    , pentru care conditia de taiere nu se îndeplineste in nici o situatie. Alegând parametrii ghidului astfel încît modurile imediat urmatoare care tind sa se propage, sa fie atenuate, prin ghidul dielectric (fibra optica) se va propaga numai modul . Aceasta conditie se obtine pentru V <2,405 si constituie premiza de la care s-a plecat în rea­lizarea ghidurilor mono­mod sau monounda.

In fig. se prezinta variatia con­stantei de propagare nor­malizata în functie de parametrul V. Se observa ca pentru V <2,405 prin fibra se propaga numai modul , iar peste aceasta valoare încep sa se propage în ordine etc. Pentru fibrele la care indicele de refractie, variaza în trepte, numarul de moduri care se propaga este . Tre­buie facuta precizarea ca parametrul V depinzând de frecventa, un ghid dielectric poate fi monomodal sau multimodal, în functie de la care se lucreaza si de metoda de exci­tare. Daca parametrii constructivi s-au fixat, exista o valoare stiuta, pentru care V=2,405. Pentru ghidul este de tip monomod, iar pentru este de tip multimod.

O trasatura importanta a fibrelor monomod este dependenta ate­nuarii de ca in fig.. Graficul caracterizeaza o fibra care are V=2,3 la 850 nm. Pentru > 850 nm predomina atenuarea de dispersie, iar pentru mici (V >2,4) fibra devine multimod si sufera atenuare datorita conversiei sale în alte noduri.

O alta caracteristica a fibrelor monomod se refera la faptul ca propagarea are loc nu numai in miez ci si in camasa. Distributia puterii între cele doua domenii se poate determina prin integrarea vectorului Poynting atât în camasa cit si în miez. Se obtin urmatoa­rele expresii:

a cu cresterea lui V fractiunea din puterea optica ce patrunde în camasa , pentru oricare dintre moduri, descreste. Pentru modul în cazul cînd V=1, se poate calcula ca aproximativ 70% din putere este distribuita în camasa, în timp.ce pentru V = 2,405, unde începe sa se propage urmatorul mod situatia se schimba, aproximativ din putere propagîndu-se prin miez. Aceasta concluzie este importanta pentru tehnica îmbinarii fibrelor unde o mica dezaliniere a miezurilor are influente importante asupra atenuarii. Prin reducerea parametrului V numai în regiunea îmbina­rii, pe o distanta relativ mica, conditiile impuse alinierii nu mai sint asa de critice.

a felul în care pot fi vizualizate modurile ce se propaga prin fibra. Partile întunecate reprezinta lu­mina care iese din fibra.