Волноводная связь

Введение

В научно-техническом сборнике "70 лет радио" были приведены сведения о начале прикладных исследований по созданию широкополосных сверхмногоканальных волноводных линий связи миллиметрового диапазона волн. За прошедшие 10 лет в СССР и за рубежом получены существенные результаты по созданию основных устройств волноводных линий, построены и испытаны экспериментальные линии длиной от 5 до 20 км. Начато проектирование линий большей протяженности.

Волноводные линии связи предназначены для передачи на магистральных направлениях сети связи очень больших потоков информации в цифровой форме.

В ближайшие 20 лет предполагается резкое возрастание потоков информации за счет высокоскоростной передачи данных автоматизированных систем управления, внедрения видеотелефона и телевидения для передачи визуальной статической и динамической информации, дальнейшего развития техники телевидения (объемное цветное), развития многоцелевых кабельных систем телевидения с двусторонней широкополосной связью с абонентом. Для передачи этих видов информации потребуются магистральные линии связи с пропускной способностью 100–250 тысяч эквивалентных телефонных каналов. Планируется создание единых интегральных сетей связи, использующих цифровые методы обработки, передачи и коммутации всех этих видов информации.

Для решения этих задач во многих странах широким фронтом ведутся разработки универсальной оконечной цифровой аппаратуры уплотнения, линий связи с цифровыми линейными трактами, устройств электронной коммутации цифровых потоков. Создана оконечная цифровая аппаратура, позволяющая передавать по широкополосному унифицированному линейному тракту информацию от аналоговых и цифровых источников (рис. 1). Многоканальные цифровые тракты разрабатываются на скорости порядка 120; 240; 360; 480 и 960 Мбит/сек или соответственно на 1400; 2800; 4200; 5600 и 11 200 эквивалентных телефонных каналов.

Рабочая длительность импульсов при таких скоростях составляет 1–10 нс. Для неискаженной передачи этих импульсов полоса пропускания линейных трактов цифровых линий связи должна быть по видеоспектру порядка 100–1000 МГц, а по радиоспектру – 200–2000 МГц.

Цифровые сигналы с такими скоростями можно передавать по нормализованному коаксиальному кабелю 2,56/9,4. При этом длины усилительных участков цифровых систем практически равны длинам аналоговых систем с эквивалентной емкостью, т. е. лежат в пределах 1,5–3 км.

Радиорелейные линии (РРЛ) стандартного сантиметрового диапазона с учетом требований электромагнитной совместимости с другими радиоустройствами могут использовать участки диапазона частот не более 1000 МГц. Общая пропускная способность таких РРЛ при передаче цифровой информации не превысит 500 Мбит/с. Повышение пропускной способности РРЛ при передаче цифровой информации возможно только при работе в более высокочастотных диапазонах. С этой целью сейчас интенсивно исследуются частоты от 11 до 40 ГГц. Широкополосные цифровые РРЛ этих новых диапазонов, кроме самостоятельного значения, будут использоваться в качестве подвижных резервных средств при повреждениях и ремонтных работах на волноводных линиях связи.

Анализ состояния развития прогноза технических средств дальней связи позволяет выделить следующие основные требования к перспективным сверхмногоканальным линиям связи:

• предельная пропускная способность линий должна находиться в пределах 150–250 тысяч ТФ каналов (12–21 Гбит/с);
• оконечная аппаратура уплотнения должна принимать и раздавать типовые группы аналоговых и цифровых каналов;
• линейный тракт должен быть цифровым;
• емкость группового линейного тракта не должна быть меньше 1 Гбит/с;
• для повышения надежности связи и существенного уменьшения эксплуатационных расходов желательно увеличить длину усилительного участка с 1,5–3 км до 15–30 км.

Коаксиальные кабельные линии связи при передаче цифровой информации имеют следующие усредненные предельные параметры.

Как видно, на коаксиальных кабелях построить систему емкостью более 10 Гбит/с или более 100 тысяч ТФ каналов невозможно при относительно длинном регенерационном участке.

Существует несколько типов линий передачи энергии высокой частоты, позволяющие принципиально решить задачу создания сверхмногоканальных линий связи:

• волноводы круглого сечения с волной H₀₁ в миллиметровом диапазоне 30–100 ГГц;
• лучеводы с дискретными фазокорректирующими линзовыми или зеркальными устройствами в миллиметровом и квазимиллиметровом и оптическом диапазонах;
• волоконные световоды в оптическом диапазоне (видимая и ближняя инфракрасная области).

Современный уровень полупроводниковой и квантовой электроники позволяет создать регенерационные усилители (РУ) во всех, рассматриваемых диапазонах с отношением выходной мощности к. входной порядка 60 дБ (энергетический потенциал РУ). Если исключить 10 дБ потерь в устройствах сопряжения входа и выхода РУ с линией передачи, то на линию остается всего 50 дБ. Желательная длина усилительного участка 15–30 км может быть получена, если ослабление энергии передаваемого сигнала в линии не будет превышать 1,5–3 дБ/км.

В настоящей статье не анализируется техника волоконных световодов и оптических линий связи. Однако для сравнения следует привести некоторые основные данные по этим линиям передач.

Теоретически оптические лучеводы имеют затухание 1–2дБ/км. Однако эти цифры достигнуты только на линиях длиной 1–2 км при очень высокой точности взаимного размещения дискретных фазовых корректоров. Например, взаимное осевое смещение корректоров при расстоянии между ними порядка 100 м не должно превышать 1–2 мм. Практически без специальных сложных систем авторегулировки взаимного расположения корректоров создать устойчиво работающую линию с небольшим ослаблением энергии не удается. Технико-экономический анализ показывает, что стоимость такой линии передачи будет на порядок превышать стоимость многопарных коаксиальных кабелей.

Волоконные световоды фирмы "Корнинг гласе" (США) имеют затухание порядка 10–20 дБ/км. Если учесть потери на стыках строительных длин волоконных оптических кабелей и потери на устройствах сопряжения оптических квантовых генераторов и фотоприемников с оптическим кабелем, то в настоящее время можно получить длину усилительного участка 2–3 км.

По зарубежным данным оптический кабель целесообразно использовать уже при длине усилительного участка приблизительно один километр.

Очевидно, в ближайшее десятилетие оптические линии связи с волоконным оптическим кабелем по основным параметрам сравняются с коаксиальными линиями. Следует особо отметить, что в волоконном оптическом кабеле можно без особых конструктивных затруднений поместить несколько десятков отдельных жгутов, эквивалентных коаксиальной паре, т. е. по каждому жгуту будет организован линейный групповой тракт. Общая информационная емкость такого кабеля в несколько раз превысит емкость многопарных коаксиальных кабелей. Не ясно еще, однако, предельно достижимое ослабление энергии в волоконном кабеле. Называются пределы от 2 до 10 дБ/км.

Волноводные линии передачи

В миллиметровом диапазоне волн для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния наиболее эффективными оказались круглые волноводы, в которых электромагнитная энергия передается на волне типа H₀₁. В регулярном круглом волноводе, все свойства которого не меняются вдоль оси, потери энергии определяются тепловыми потерями в тонком (0,1–0,3 мкм) поверхностном слое металла внутренней полости волновода. Величина этих потерь пропорциональна величине поверхностного сопротивления токопссущего слоя волновода и величине тока проводимости.

Для волны H₀₁ тепловые потери непрерывно уменьшаются при увеличении частоты (f^-1/2) и при увеличении радиуса (а^-3/2).Потери становятся небольшими, когда поперечный размер волновода в несколько раз превышает длину волны передаваемых электромагнитных колебаний (a>>L).

На рис. 2 приведены коэффициенты тепловых потерь для различных типов волн, рассчитанные для круглого волновода радиусом 3 см с медным токонесущим слоем.

Физико-химические несовершенства токонесущего слоя (шероховатость поверхности, дефекты кристаллической структуры типа вакансий и дислокаций) увеличивают эти расчетные потери на 10-50% в зависимости от технологии получения и окончательной обработки этого слоя. Наибольший рост тепловых потерь наблюдается в токонесущих слоях, полученных электрохимическим осаждением.

Однако в волноводе с а>>L, кроме основной волны H₀₁ может распространяться большое количество других типов волн (волновод становится многоволновым). В регулярном волноводе при возбуждении его чистой волной Н₀₁ других волн не будет. Практически многоволновых регулярных волноводов нет. При изготовлении волноводов, их сборке, прокладке на каких-либо опорах или в каких-либо конструкциях возникают геометрические неоднородности внутренней полости волновода и его оси. На этих неоднородностях происходит непрерывный процесс преобразования типов, волн. Основная волна H₀₁ преобразуется в другие (паразитные) типы волн.

Расчеты и эксперимент показали, что в миллиметровом диапазоне волн в круглых волноводах с радиусом порядка 2–4 см наибольшее значение имеют паразитные волны типа H₁₁, H₁₂, H₀₂, E₁₁. Амплитуда паразитных типов волн увеличивается при увеличении амплитуды неоднородности и поперечного размера волновода. Паразитные волны имеют более высокий коэффициент потерь и быстро затухают, унося часть энергии основной волны. Таким образом, общие тепловые потери возрастают. Эта часть общих тепловых потерь носит название потерь на преобразование в паразитные типы волн. Численно потери на преобразование в хороших волноводах не превышают 20–50% расчетных тепловых потерь основной волны H₀₁.

Кроме дополнительных потерь, паразитные волны создают в волноводе при передаче сигнала попутный поток. Это явление обусловлено процессом обратного преобразования паразитных волн на неоднородностях в основную волну. Как правило, различные типы волн имеют разные скорости распространения в волноводе. Непрерывный процесс прямого и обратного преобразований приводит к формированию попутного потока, искажающего передаваемый сигнал. Этот попутный поток может иметь опережающую и отстающую части, в отличие от попутного потока в коаксиальном кабеле.

В круглых многоволновых волноводах для уменьшения потерь на преобразования необходимо уменьшать неоднородности, т. е. делать очень точные волноводы и достаточно точно их собирать и прокладывать.

Для уменьшения попутного потока, кроме уменьшения неоднородностей, необходимо повышать затухание паразитных волн (повышать их фильтрацию).

Возникшие неоднородности по своей природе имеют случайный характер. Расчет электрических параметров многоволновых нерегулярных волноводов потребовал создания нового аппарата, объединяющего электродинамику и теорию вероятностей. Этот аппарат позволил установить точное соответствие электрических параметров волноводов с их геометрическими размерами. Например, зная функцию корреляции изгиба оси волновода и среднеквадратичное значение его амплитуды, можно определить среднее значение потерь на преобразование в данную паразитную волну. Метод позволяет учитывать влияние реальной спектральной плотности неоднородностей.

В создании такого аппарата большая заслуга принадлежит советским ученым.

Разработаны два основных типа волноводов – цельнометаллический волновод (ЦВС) с диэлектрической пленкой на токонесущем слое и спиральный волновод (СВС). Конструкция этих волноводов представлена на рис. 3.

Уже отмечалось, что для уменьшения потерь на преобразование и попутного потока необходимо увеличивать затухание паразитных типов волн. В ЦВС этому способствует диэлектрическая пленка, эффективно снимающая вырождение волны H₀₁ с волной Е₁₁. Спиральный волновод, не пропуская продольной составляющей тока, создает повышенное затухание для всех паразитных волн, кроме H₀₂. Если соединить последовательно примерно 50 м ЦВС с 10–20 м СВС, то получается гибридный волноводный тракт, обладающий хорошими электрическими параметрами и оптимальной стоимостью (при существующей технологии изготовления СВС в 2–3 раза дороже ЦВС).

Реальный волноводный тракт волноводных линий связи имеет несколько более сложную структуру. Помимо волноводных секций ЦВС и СВС длиной 2–5 м, в тракт входят волноводные элементы, обеспечивающие изгибы волновода с радиусом 50–100 м (специальные секции СВС), изгибы на 90° в виде квазиоптических уголков (рис. 4), герметизацию, возможность введения сухого газа, компенсацию температурного изменения длины тракта и т. п. Инженерные методы расчета и проектирования таких сложных трактов разработаны группой советских специалистов.

Большие проблемы возникали при разработке методов сборки и прокладки волноводных трактов большой протяженности в полевых условиях. Многочисленные эксперименты показали, что наиболее технологичным является прокладка волноводных секций в защитной стальной трубе диаметром 15–20 см, в этой трубе волновод прокладывается на дискретных опорах роликового типа. Такая труба обеспечивает требуемую точность прокладки в грунте, надежно защищает волновод от коррозии, ударов молнии и прямых механических воздействий. Экспериментально проверен с положительными результатами последовательный метод прокладки волновода (рис. 5). Сначала прокладывается наружная защитная труба, затем в нее непрерывно затаскивается волноводный тракт, собираемый прямо в полевых условиях из секций или 10-метровых плетей (рис. 6).

Для исключения молекулярного поглощения электромагнитной энергии в рабочем диапазоне волн 30–100 ГГц внутренняя полость волновода заполняется сухим азотом. Система поддержания давления сухого газа в волноводе одновременно используется для контроля надежности герметичности волновода и наружной трубы.

Принципы построения волноводных линий связи (ВЛС)

Волноводная линия связи по своему принципу построения аналогична ВЧ системам передачи, используемым для организации каналов магистральных сетей. В качестве оконечного оборудования используется универсальная оконечная аппаратура ИКМ (рис. 1). Эта аппаратура объединяет в единый цифровой поток аналоговые и цифровые сигналы различной емкости и скорости. Линейный тракт ВЛС обеспечивает передачу цифровых групповых трактов с требуемыми качественными показателями.

Линейный тракт волноводной линии состоит из линейного волновода ЛВ, оконечных и промежуточных ретрансляционных станций PC обслуживаемого и необслуживаемого типа. В состав этого тракта входит оборудование систем электропитания, служебной связи и телеобслуживания, системы поддержания давления.

На рис. 7 показана структура линейного тракта ВЛС с учетом только наиболее специфических устройств: линейного волновода ЛВ, системы образования радиостволов СОРС, регенерационного усилителя РУ.

Рабочий диапазон частот 30–100 ГГц с помощью системы образования радиостволов подразделяется на десятки радиостволов. Ширина полосы радиоствола выбирается порядка 300– 1000 МГц в зависимости от скорости передаваемого цифрового сигнала и вида модуляции несущей радиоствола.

В волноводных линиях связи применяются два основных вида модуляции несущей: амплитудная и четырехпозиционная фазоразностная. При амплитудной модуляции скорость передачи цифрового потока равна его информационной емкости. При этом ширина полосы радиоствола определяется скоростью передачи информации и выбирается равной удвоенной полосе, необходимой для неискаженной передачи видеоимпульса двоичной единицы. Например, для скорости 114 Мбит/с необходима полоса радиоствола порядка 250 МГц.

При четырехпозиционной фазоразностной модуляции информационная емкость радиоствола при аналогичной полосе радиоствола увеличивается в два раза. По этой причине и в связи с тем, что применение фазоразностной модуляции позволяет уменьшить на 7–10 дБ требования к величине сигнал/шум на входе РУ, эта модуляция нашла самое широкое применение в волноводных линиях связи и цифровых радиорелейных линиях, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц. В настоящее время для ВЛС создана аппаратура РУ, позволяющая по одному радиостволу с полосой около 200 МГц передавать информацию, эквивалентную 800 Мбит/с или 10000 телефонных каналов.

В рабочем диапазоне частот можно образовать до 20–30 дуплексных радиостволов, каждый с информационной емкостью до 10000 телефонных каналов. Общая емкость волноводной линии связи лежит в пределах 200–300 тысяч эквивалентных телефонных каналов или 15–20 Гбит/с.

Система образования радиостволов состоит из комбинации полоснопропускающих и полоснозадерживающих фильтров миллиметрового диапазона. Эта система, в соответствии с принятым планом частот, разделяет и объединяет группы стволов на передачу и на прием, на поддиапазоны внутри диапазона, выбранного для передачи или для приема, и на отдельные радиостволы. На рис. 8 показан экспериментальный макет такой системы на три дуплексных радиоствола в диапазоне 35–40 ГГц. Система СОРС имеет следующие усредненные параметры: полоса радиоствола 300–800 ГГц, потери мощности в любом радиостволе (в направлении приема или передачи) не более 5–8 дБ, развязка между соседними радиостволами не менее 15–20 дБ, развязка между направлением передача – прием не менее 70 дБ. Регенерационный усилитель ВЛС по техническим и экономическим требованиям не должен существенно отличаться по потребляемой мощности, габаритам и эксплуатационным свойствам от необслуживаемых усилителей кабельной системы связи типа К-10800. Действительно, если эти параметры РУ будут в несколько раз хуже, чем в кабельном усилителе, то экономический выигрыш, полученный в длине усилительного участка в ВЛС из-за малого затухания волновода, будет сведен к нулю.

Современная техника СВЧ позволяет разработать полностью полупроводниковый РУ со следующими параметрами: потребление не более 50 Вт, объем не более 3х10⁵ см³, фактор шума 10–12 дБ, выходная мощность до 200 мВт, регенерация цифрового потока со скоростью до 900 Мбит/с. Энергетический потенциал такого РУ при соотношении сигнал/шум 15–20 дБ достигает 60 дБ.

При средней величине погонного затухания линейного волновода не более 3 дБ, потерях в двух СОРС 10 дБ и энергетическом потенциале РУ 60 дБ длина усилительного участка в ВЛС может быть получена в пределах 15–20 км.

На рис. 9 представлена функциональная схема типичного РУ. Сигнал с выхода фильтра радиоствола ФС поступает на вход широкополосного супергетеродинного приемника миллиметрового диапазона. Для смесителя СМ обычно используются диоды с барьером Шотки, для гетеродина Г-диоды Ганна. Усилители промежуточной частоты УПЧ могут быть построены на высокочастотных транзисторах или туннельных диодах (рис. 10).

С выхода УПЧ сигнал поступает на дифференциальный фазовый детектор ДФД и затем на видеогенератор ВРГ. В блоке видеорегенератора импульсный сигнал регенерируется по амплитуде и восстанавливается его временное положение в соответствии с положениями тактовых импульсов схемы синхронизации СХ.

Восстановленные по амплитуде и во временном положении импульсные сигналы подаются на импульсный фазовый модулятор (манипулятор) М, на высокочастотный вход которого от непрерывного задающего генератора ЗГ поступают колебания на частоте, соответствующей несущей частоте данного радиоствола. Модуляция осуществляется с помощью СВЧ диодов и отрезков волноводов, выполняющих роль фазовращателей. В задающих генераторах применяются лавиннопролетные диоды. Возможно применение варакторных умножителей.

Для получения требуемого качества передачи информации разного вида линейный цифровой тракт должен иметь вероятность ошибки передаваемого цифрового потока не хуже 10^-6. В волноводных линиях связи вероятность ошибки одного РУ должна быть порядка 10^-8.

Ниже приведены предполагаемые параметры магистральной волноводной линии связи.

Экспериментальные волноводные линии

Приведенный обзор устройств волноводных линий связи показывает, что в большинстве случаев эти устройства не имеют аналогов в существующих средствах связи. Для производства волноводов пришлось разрабатывать специальную технологию прокатки, меднения и лакировки внутренней поверхности. Поведение волноводов при прокладке в грунт было изучено только после испытания нескольких методов прокладки (непосредственно в грунт, в железобетонные короба, в пластмассовых и металлических трубах). Для измерения геометрических и электрических параметров волноводов и аппаратуры при разработке, производстве и эксплуатации разработаны специализированные контрольно-измерительные устройства.

Большой комплекс устройств разработан и испытан на первой отечественной опытной 14-километровой волноводной линии связи, которая сооружена между двумя типовыми АТС московской городской сети. Линейный волновод проложен между этими АТС по сложной пересеченной местности (рис. 11), на которой имеются различные типовые препятствия: дороги, водные преграды, лес, городские дороги, железные дороги. Такое разнообразие внешних сооружений позволило отработать методы монтажа линейного волновода для разнообразных условий и проверить воздействие этих сооружений на волновод в процессе эксплуатации. Двухгодичные испытания показали, что технические характеристики волновода практически не изменяются. В связи со сложностью трассы и применения различных способов прокладки погонное затухание волновода колеблется в широких пределах – от 2,5 до 4,7 дБ/км. В среднем на 14 км затухание составляет 3,2 дБ/км.

Регенерационные усилители и система разделения и образования радиостволов разработаны для диапазона 35–40 ГГц и образуют три дуплексных радиоствола с полосой 300 ГГц каждый, со скоростью передачи 114 Мбит/с.

По первому радиостволу передаются телефонные сигналы для связи двух АТС. Оконечное оборудование этого ствола построено по принципу временного объединения типового оборудования ИКМ-30. Предельная емкость ствола 1440 телефонных каналов.

По второму стволу проводятся экспериментальные передачи телевизионного сигнала. Этот сигнал кодирован 8-разрядным кодом, 9-й разряд передает сигнал звукового сопровождения методом дельта-модуляции.

Третий радиоствол используется для исследований прохождения частотномодулированных сигналов по волноводу. Переданы методом ЧМ телевизионный сигнал и многоканальный телефонный сигнал на 600 ТФ каналов. Установлено, что неоднородности линейного волновода вносят значительные искажения в ЧМ сигнал. Например, мощность шумов в пересчете на один километр достигает 50–100 пВт. Следовательно, волноводные линии с ЧМ можно использовать только на относительно коротких расстояниях.

В середине опытной линии построен ретрансляционный пункт. Этот промежуточный ретранслятор позволяет имитировать большее количество регенераторов в линии. На рис. 12 показаны аппаратура регенератора и измерительный комплекс.

Кроме волноводной линии, сооружена и испытывается радиолиния миллиметрового диапазона. Один и тот же комплект регенераторов может передавать сигнал в волновод и в антенну. Такое сочетание закрытой и открытой среды позволит провести подробные исследования условий распространения широкополосных сигналов миллиметрового диапазона волн.

При разработке и прокладке волноводного тракта приняты необходимые меры по защите от внешних воздействий (коррозия, удары молнии, влияние ЛЭП). Исследования показали, что при прокладке волновода в защитную металлическую трубу надежность волновода от внешних воздействий на порядок выше надежности коаксиального кабеля.

Представляет интерес принятая технология монтажа и прокладки волновода. Волноводные секции, покрытые защитным полиэтиленовым шлангом и подготовленные на концах под насадку соединительных муфт или фланцев, с завода поступают на трассу. В полевом сборочном участке из секций длиной 2,5–5 м собираются 10-метровые плети. Эти плети проверяются по электрическим параметрам и на герметичность стыков, герметизируются временными технологическими заглушками и развозятся на трассу. В таком виде плети могут находиться на трассе до окончательной сборки длительное время. Из этих плетей собирается волноводный тракт и затягивается в ранее проложенную защитную трубу.

Первый этап испытаний всего комплекса сооружений и оборудования опытной 14-километровой волноводной линии показал, что все основные принципиальные научно-технические вопросы волноводных линий связи решены. Дальнейший путь развития работ по созданию сверхмногоканальных волноводных линий связи заключается в усовершенствовании параметров отдельных устройств, в разработке полностью полупроводникового усилителя с малым потреблением питания. Необходимо резко повысить уровень механизации монтажно-строительных работ на прокладке волновода.

Однако такие работы можно проводить только при условии широкого внедрения волноводных линий связи. Это внедрение, по-видимому, начнется, когда на зоновой, местной и междугородных связях появится достаточное количество абонентов и линий связи, использующих информацию в цифровой форме. К этому времени возможно ожидать развитие сверхмногоканальной спутниковой связи в миллиметровом диапазоне волн. В этих условиях волноводные линии связи органически объединяют миллиметровые спутниковые системы с наземными цифровыми системами. Следует учитывать тенденцию в развитии многоцелевых кабельных систем связи и видеотелефонной связи. По некоторым зарубежным прогнозам к 1990 г. количество канало-километров линий связи, необходимых для передачи широкополосной информации, будет равно количеству канало-километров линий связи для передачи телефонных сообщений и среднескоростной передачи данных. Только при этих условиях, очевидно, появится необходимость в магистральных линиях связи с пропускной способностью выше 100 тысяч телефонных каналов.

Статья опубликована в сборнике "80 лет радио". Ред. А. Д. Фортушенко. М., "Связь", 1975 г.
Перепечатывается с разрешения автора.