Perché le guide d'onda rettangolari non vengono utilizzate per la trasmissione interurbana?


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Le guide d'onda possono trasmettere potenze molto elevate, isolando il segnale da rumori e interferenze esterni. Inoltre, le guide d'onda hanno una perdita molto bassa. Queste capacità li rendono un candidato interessante per la trasmissione del segnale tra due città. Perché le guide d'onda rettangolari non vengono utilizzate per la trasmissione interurbana?

Immagino che possa essere dovuto al fatto che le guide d'onda rettangolari hanno una larghezza di banda ridotta, e quindi è necessario utilizzarne molte per la trasmissione del segnale che non è pratico. Ho ragione?


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Bene, le fibre ottiche non sono rettangolari ma immagino che siano guide d'onda
Vladimir Cravero,

Risposte:


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Il mezzo all'interno di una guida d'onda è occupato dal gas. Potrebbe essere il vuoto, probabilmente anche con meno perdite. Tuttavia, ciò che non dovrebbe essere dentro c'è l'acqua. È quasi impossibile prevenire l'acqua nelle miglia e nelle decine di migliaia di articolazioni necessarie per le guide d'onda.

Le guide d'onda ottiche, cioè le fibre, sono solide e quindi impediscono l'intrusione di acqua istantaneamente e in qualche modo anche a lungo termine. Concesso, la fibra di vetro e la sua guaina assorbiranno quantità 'microscopiche' di acqua, causando perdite elevate. Ma ci vuole un po 'di tempo ed è facile da prevenire con una quantità molto piccola di materiale su ciascuna articolazione. È anche una tenuta altamente efficace.

I collegamenti sottomarini in fibra ottica sono sorprendenti. Ogni tanto un amplificatore in fibra ottica, realizzato in fibra, è inserito in serie. L'energia per il laser a fibra ottica è UN ALTRO laser che spara fino all'altro continente. Usando splitter e combinatori, una piccola quantità del laser di potenza di frequenza INFERIORE (lunghezza d'onda più lunga) viene inviata attraverso un pezzo di fibra appositamente drogato, mantenendo gli atomi droganti in uno stato eccitato. Quando il laser a segnale pulsato si combina nella fibra dell'amplificatore laser, innesca ulteriore potenza di laster dagli atomi previsti nell'amplificatore e bene, l'amplificazione avviene :-)

Un'altra parte del puzzle si chiama dispersione del tempo. Non tutti i fotoni seguono esattamente lo stesso percorso nella fibra. Alcuni si abbracciano e rimbalzano sulle pareti, altri scendono al centro. Quindi non tutti arrivano allo stesso tempo, dal momento che hanno percorso percorsi microscopicamente di lunghezze diverse. Ciò causa la diffusione dell'ampiezza dell'energia fornita dai fotoni, la forma d'onda NON salta istantaneamente alla massima ampiezza. Ciò limita la larghezza di banda più lunga è la fibra.

I geniali fisici e gli ingegneri ottici hanno capito se la fibra prodotta in cui la velocità della luce è più lenta al centro rispetto alla parete esterna in una fibra di vetro, che i fotoni potrebbero essere tutti riallineati nel tempo all'uscita da questa "fibra di correzione". Dal momento che hanno reso significativo il cambio di velocità, è necessaria solo una piccola quantità di fibra ogni chilometro circa per effettuare la correzione.

ORA, tutto questo è incorporato in un assemblaggio di cavi, sigillato e lasciato cadere nell'oceano. L'assemblaggio viene fatto su una nave in mare mentre la lasciano cadere, o in un camion sul lato della trincea a terra. Ho visto un po 'di esso essere fatto a terra. Sorprendente. La parte più sorprendente è che non c'è elettricità o elettronica nell'intero cavo per MIGLIAIA DI MIGLIA. Tutta la reamplificazione e il rimodellamento della forma d'onda accade otticamente come descritto sopra. Ho dimenticato di dire che, poiché il laser di potenza ha una lunghezza d'onda inferiore e un'onda continua, ha una perdita molto bassa nella fibra e può arrivare almeno a metà. Potrebbero quindi iniettare laser di potenza dal continente ALTRO al punto intermedio per amplificare i segnali fino al resto del continente target.

NESSUNO DI QUESTO è possibile nel dominio RF. E come altri hanno detto, la bandwith è pazza. Al giorno d'oggi, possono aggiungere canali tramite: discriminazione della lunghezza d'onda, discriminazione della polarizzazione, rotazione ottica lungo l'asse centrale e luce iniettata a spirale in una forma a chiocciola a spirale lungo la fibra. Parecchi altri vengono tentati. Quindi la larghezza di banda delle fibre continuerà a salire per un po ', usando le fibre già installate!


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L'amplificazione della fibra sottomarina viene effettuata con i laser locali delle pompe ad alimentazione elettrica: la perdita è troppo elevata per ottenere energia sufficiente da un laser a terra. Gli amplificatori sono chiamati EDFA - amplificatori in fibra drogata con erbio. I moduli amplificatori sono collegati elettricamente in serie. Diverse migliaia di volt sono posizionate su tutta la lunghezza del cavo per alimentare tutti gli amplificatori. I laser della pompa nei moduli amplificatori si trovano all'esterno della banda di trasmissione e sono accoppiati nella fibra drogata con diplexer ottici. Tuttavia, il punto è che i DATI rimangono nel dominio ottico.
alex.forencich

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Inoltre, la fibra di compensazione della dispersione non viene più utilizzata così tanto. La dispersione è causata da diverse lunghezze d'onda della luce che viaggiano a diverse velocità lungo la fibra, anche all'interno di una singola modalità di propagazione. La fibra di compensazione della dispersione è un modo per correggere questo. Tuttavia, i sistemi moderni utilizzano l'elaborazione del segnale digitale per correggere la dispersione, che è molto più efficace soprattutto quando vengono utilizzate modulazioni di ordine superiore come QPSK o QAM. Altri formati di modulazione come OFDM sono meno sensibili alla dispersione.
alex.forencich

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Le guide d'onda per diverse miglia sarebbero estremamente costose e instabili. Come faresti a sostenere chilometri di costosi tubi lavorati con precisione? Si abbasserebbe sotto il suo stesso peso. I cambiamenti di temperatura renderebbero difficile la progettazione. È necessaria la materia prima per miglio per realizzare tali guide d'onda e la manutenzione per miglio all'anno.

L'aria aperta costa zero per miglio e non richiede manutenzione tra gli endpoint tranne la potatura occasionale degli alberi, quindi la radiazione EM vince il concorso economico. Tutte le spese vanno a progettare e fabbricare l'antenna, comprese le guide d'onda di breve durata, per ciascun endpoint, non grandi quantità di materiale tra i punti. Ciò si adatta meglio quando si costruisce una rete su scala nazionale.


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Le guide d'onda sono state effettivamente utilizzate per un breve periodo, il sistema Bell ha sviluppato una rete basata su guide d'onda sotterranee rotonde e persino costruito una fabbrica pilota.

Ecco una breve brochure http://long-lines.net/tech-equip/radio/WE-waveguide/WEWP-1.html e un articolo https://archive.org/details/bstj43-4-1783

In parte a causa di questo investimento, erano in ritardo di alcuni anni verso le guide d'onda ottiche, che sono molto più economiche e hanno una larghezza di banda molto più elevata.

Molti dettagli tecnici possono essere trovati nel libro "Una storia di ingegneria e scienza nel sistema Bell: tecnologia di trasmissione (1925-1975)", un racconto popolare in "The Idea Factory" di Gertner. Entrambi sono grandi libri.


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Esistono diversi motivi per cui ciò non viene mai fatto:

Robustezza

Il vantaggio principale dell'utilizzo della RF è che puoi trasmetterlo nello spazio in modo relativamente robusto. Metterlo in una guida d'onda perde questo vantaggio.

Le guide d'onda sono realizzate in metallo e costruiscono guide d'onda di precisione molto lunghe, quindi installarle nel terreno o appenderle ai pali è estremamente costosa. Inoltre, la RF in generale (in una guida d'onda o nello spazio libero) è più o meno limitata a una larghezza di banda inferiore a 100 GHz.

Costo

D'altra parte, la fibra ottica è solo vetro ed è quindi abbastanza economica. La fibra ottica è anche uno dei materiali a più bassa perdita in circolazione: una buona fibra di trasmissione può avere una perdita di circa 0,2 dB per km. Sì, perdi 20 dB solo quando attraversi 100 km di fibra ed è molto semplice potenziarlo a intervalli regolari con amplificatori di fibra.

Larghezza di banda

La fibra offre anche una larghezza di banda assolutamente enorme ed è immune alle interferenze EM esterne. È banale (anche se non così economico) inserire 100 o più segnali attraverso una singola fibra su centri da 100 GHz o 50 GHz e spostare diversi Tbps.

È anche possibile modulare la RF analogica sulla luce laser (con diversi GHz di larghezza di banda) e trasmetterla lungo una fibra, possibilmente anche con più di questi canali in parallelo. Questo si chiama RF su fibra e viene usato occasionalmente per cose come collegare stazioni di trasmissione a trasmettitori.

La larghezza di banda attraverso una fibra è assolutamente enorme perché la frequenza centrale è nei 100s di THz. RF non si avvicina da nessuna parte.


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Il processo BT Trunked Waveguide è stato uno sforzo per utilizzare una guida d'onda ad alta capacità (300.000 chiamate vocali) su linee telefoniche: era ai suoi tempi una tecnologia all'avanguardia. La guida d'onda era in realtà circolare, il filo di rame veniva fatto ruotare su un mandrino per creare un tubo. Probabilmente era più facile da realizzare rispetto alla guida d'onda rettangolare, ma era ancora costoso - rame, costoso da installare - scavo vicino a linee rette e costoso da mantenere - tenerlo sotto pressione per tenere fuori l'umidità, (un altro motivo per cui non è preferita una sezione rettangolare) ecc.

Poi è arrivata la fibra ottica e ha reso ridondante la guida d'onda trunked. Il rame installato era così prezioso che era economicamente fattibile strappare la guida d'onda di prova per i rottami.

Maggiori informazioni qui in Breve storia della trasmissione delle telecomunicazioni nel Regno Unito : pp37

Sono arrivato a BT Research Labs alcuni anni dopo la cancellazione di questo progetto. Si parlava ancora come prova del perché si debba investire nella ricerca di diverse tecnologie ... una di queste potrebbe rendere tutto il resto obsoleto.

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