21655

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ ПО СВЕТОВОДУ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

воспользуемся основными уравнениями электродинамики уравнениями Максвелла которые для диэлектрических волноводов имеют вид: 1 Уравнения Максвелла справедливы для любой системы координат. Для направляющих систем эти уравнения наиболее часто применяются в цилиндрической системе координат ось Z которой совместим с оптической осью световода: 2 Для решения инженерных задач электродинамики необходимо знать продольные составляющие полей Еz и Hz. Отсюда следует что продольные...

Русский

2013-08-03

166.5 KB

7 чел.

Лекция 3.  ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ ПО СВЕТОВОДУ.

Рассмотрим волоконный световод без потерь двухслойной конструкции, приведенный на рис. 1

  

                                             b

                       n2  n1          a

                           Рис. 1

Для описания поведения электромагнитного поля в сердечнике (0<r<a) и в оболочке (a<r<b) необходимо использовать различные функции. Исходя из физической сущности процессов, функции внутри сердечника при r=0 должны быть конечными, а в оболочке описывать спадающее поле.

Для определения основных параметров световодов (критической частоты, волнового числа , скорости передачи и др.) воспользуемся основными уравнениями электродинамики - уравнениями Максвелла, которые для диэлектрических волноводов имеют вид:

                                        (1)

Уравнения Максвелла справедливы для любой системы координат. Для направляющих систем эти уравнения наиболее часто применяются в цилиндрической системе координат, ось Z которой совместим с оптической осью световода:

                  (2)

Для решения инженерных задач электродинамики необходимо знать продольные составляющие полей Еz и Hz.  Их можно получить следующим образом. Преобразуем первое из уравнений Максвелла (1) к виду

.

Тогда, используя соотношение  , а также учитывая, что divH=0, получим

,

где - волновое число световода.

Поступая аналогично со вторым уравнением Максвелла (2), получим   .

Отсюда следует, что продольные электромагнитные составляющие векторов Ez и Hz удовлетворяют уравнениям

Где  -  оператор Лапласа.

,

Тогда для продольных составляющих Ez и Hz в цилиндричееской системе координат получим дифференциальные уравнения второго порядка:

            (3)

Допустим, что напряженность электромагнитного поля в направлении оси Z меняется по экспоненциальному закону, т.е. , где А - любая составляющая векторов Е или Н; j- коэффициент распространения. Тогда первая и вторая производные определятся

.

Для составляющей Еz

.  

Подставляя полученное значениe в уравнения (3), получим

Введем обозначение  - поперечное волновое число световода.  Тогда для сердечника световода имеем

          (4)

где  (без учета затухания) - поперечное волновое число сердечника; k1 - волновое число сердечника с коэффициентом преломления n1,  .

Решение уравнений (4) для сердечника следует выразить через цилиндрические функции первого рода - функции Бесселя, имеющие конечные значения при r=0. Поэтому можно написать

                 (5)

где Аn и Вn - постоянные интегрирования.

Воспользовавшись уравнениями (2), рассмотрим связь между поперечными и продольными компонентами поля. В частности, для составляющей Еr имеем

 

Возьмем производную от второго выражения по

Учитывая, что , а  , то

Тогда

   или  

Подставим данное выражение в уравнение для Еr

 или

.

Окончательно получим       .

Аналогично можно установить связь между продольными и другими поперечными компонентами поля

Воспользовавшись уравнениями (5) возьмем соответствующие производные

Тогда выражения для поперечных составляющих электрического и магнитного полей в сердечнике световода, полагая, что , имеют вид (множитель не пишем):

      (6)

Для оболочки имеем аналогичную систему уравнений:

где  (без учета затухания) - поперечное волновое число оболочки световода; k2 - волновое число оболочки с коэффициентом преломления n2, .

Для решения данных уравнений, исходя из условия, что при  поле должно стремиться к нулю, следует использовать цилиндрические функции третьего рода - функции Ганкеля:

где Сn , Dn - постоянные интегрирования.

Тогда для поперечных составляющих поля в оболочке можно написать следующие выражения:

     (7)

Постоянные интегрирования Аn, Вn, Сn, Dn могут быть определены на основании граничных условий. Используем условия равенства тангенциальных составляющих напряженностей электрических и магнитных полей на поверхности раздела сердечник-оболочка (при r=а):

               

               

Найдя постоянные интегрирования и подставив их в уравнения, после соответствующих преобразований получим следующее трансцендентное уравнение:

 (8)

Полученные уравнения дают возможность определить неизвестные постоянные и найти структуру поля в сердечнике и оболочке волоконного световода. В общем случае уравнения имеют ряд решений, каждому из которых соответствует определенная структура поля, называемая типом волны или модой.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1503. Скрытие и фальсификация научной информации угроза современной цивилизации 114.5 KB
  Засекречивание - неизбежное зло для науки, однако оно носит временный характер и компенсируется вложением в науку дополнительных средств. При создании СТО Эйнштейн руководствовался работами голландского физика Г.Лоренца и французского математика А.Пуанкаре. Если бы современные физики познакомились с классическими теориями эфира, их такой вывод не удивил.
1504. Визначити класичним методом реакцію кола 97.58 KB
  Визначити класичним методом реакцію кола на підключення джерела живлення. Побудувати графік функції, провести аналіз, визначити тривалість перехідного процесу.
1505. Проектирование оптимальной организационной структуры в условиях глобальной конкуренции 97 KB
  Глобальные факторы конкуренции. Организационный дизайн для оптимизации преимуществ компании во внутренней конкуренции на внутреннем национальном рынке. Преимущества и недостатки СУРГ. Преимущества и недостатки ДСС. Организационный дизайн для оптимизации участия компании в международной конкуренции.
1506. Анализ ЗАО Городское освещение 102 KB
  Технология производства с общей схемой технологического процесса. Характеристика окружающей среды проектируемого объекта. Организация эксплуатация электрооборудования объекта. Планирование ТО и Р оборудования. Виды диагностирования электрооборудования.
1507. Особенности микропроцессорной техники 115.57 KB
  Основные направления в развитии микропроцессорной техники. Системы счисления. Цифровые электронные устройства. Технологии изготовления цифровых интегральных микросхем. Регистры микропроцессора. Аккумулятор, РОН, счетчик команд. Микропроцессорные средства и системы. Понятие дополнительного кода числа.
1508. Специальные налоговые режимы 103.5 KB
  Упрощенная система налогообложения (гл. 26.2 НК РФ). Система налогообложения в виде единого налога на вмененный доход для отдельных видов деятельности. Единый сельскохозяйственный налог для сельскохозяйственных товаропроизводителей. Соглашение о разделе продукции.
1509. Валютный рынок России 107.5 KB
  Формирование российского валютного рынка. Валютное регулирование. Регулирование валютного курса рубля и динамика его изменения. Перспективы развития российского рынка и стабилизации курса рубля.
1510. Понятия миссии и миссионерства/ О православной миссии 107.48 KB
  Понятия миссии и миссионерства. Традиционные и нетрадиционные религии. Причины возникновения миссионерства. Методология миссионерства. Основной принцип миссионера. Оружие миссионера.
1511. Анализ предприятия по его производственных цехов по производству военного оборудования 94.01 KB
  Структура предприятия и ее общая характеристика. Материально техническое снабжение предприятия. КИП и А, технологическое оборудование на предприятии. Анализ поступления изделий на участок. Разработка технологии настройки изделия.