¿Por qué no se utilizan guías de onda rectangulares para la transmisión entre ciudades?


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Las guías de onda pueden transmitir potencias muy altas, aislando la señal de ruidos externos e interferencias. Además, las guías de ondas tienen una pérdida muy baja. Estas capacidades los convierten en un candidato interesante para la transmisión de señales entre dos ciudades. ¿Por qué no se utilizan guías de onda rectangulares para la transmisión entre ciudades?

Supongo que puede deberse a que las guías de onda rectangulares tienen un ancho de banda estrecho y, por lo tanto, es necesario usar muchas de ellas para la transmisión de señal, lo que no es práctico. Estoy en lo cierto?


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Bueno, las fibras ópticas no son rectangulares, pero supongo que son guías de ondas
Vladimir Cravero

Respuestas:


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El medio dentro de una guía de ondas está ocupado por gas. Podría ser el vacío, probablemente incluso con menos pérdidas. Sin embargo, lo que no debería estar allí es agua. Es casi imposible evitar el agua en las millas y 10 de miles de juntas necesarias para las guías de ondas.

Las guías de ondas ópticas, es decir, la fibra, son sólidas y, por lo tanto, evitan la intrusión de agua de forma instantánea, y algo a largo plazo también. De acuerdo, la fibra de vidrio y su cubierta absorberán cantidades 'microscópicas' de agua, causando una gran pérdida. Pero lleva un tiempo y es fácil de prevenir con una cantidad muy pequeña de material en cada articulación. También es un sellado altamente efectivo.

Los enlaces submarinos de fibra óptica son increíbles. De vez en cuando, un amplificador de fibra óptica, hecho de fibra, se inserta en serie. La energía para el láser de fibra óptica es OTRO láser disparando hasta el otro continente. Usando divisores y combinadores, se envía una pequeña cantidad del láser de potencia de frecuencia INFERIOR (longitud de onda más larga) a través de una pieza de fibra especialmente dopada, manteniendo los átomos dopantes en un estado excitado. A medida que el láser de señal pulsada se combina en la fibra del amplificador láser, desencadena una potencia de láser adicional de los átomos emitidos en el amplificador y bueno, la amplificación ocurre :-)

Otra parte del rompecabezas se llama dispersión del tiempo. No todos los fotones toman exactamente el mismo camino en la fibra. Algunos se abrazan y rebotan en las paredes, otros van al centro. Por lo tanto, no todos llegan al mismo tiempo, ya que han recorrido microscópicamente diferentes longitudes de ruta. Esto hace que la amplitud de la energía entregada por los fotones se extienda, la forma de onda NO salta instantáneamente a la amplitud completa. Esto limita el ancho de banda mientras más larga sea la fibra.

Los ingeniosos físicos e ingenieros ópticos descubrieron que si la fibra hecha donde la velocidad de la luz es más lenta en el centro que en la pared exterior en una fibra de vidrio, los fotones podrían realinearse a tiempo al salir de esta 'fibra de corrección'. Como hicieron que el cambio en la velocidad fuera significativo, solo se necesita una pequeña cantidad de fibra cada kilómetro para realizar la corrección.

AHORA, todo esto está integrado en un conjunto de cables, sellado y arrojado al océano. El montaje se realiza en un barco en el mar cuando lo dejan caer, o en un camión al costado de la zanja en tierra. He visto algo de eso en tierra. Increíble. La parte más sorprendente es que no hay electricidad ni electrónica en todo el cable durante MILES DE MILLAS. Toda la reamplificación y remodelación de la forma de onda ocurre ópticamente como se describió anteriormente. Olvidé mencionar que, dado que el láser de potencia tiene una longitud de onda más baja y una onda continua, tiene una pérdida muy baja en la fibra y puede llegar al menos a la mitad. Luego podrían inyectar láser de potencia desde el OTRO continente hasta el punto medio para amplificar las señales el resto del camino hacia el continente objetivo.

NADA DE ESTO es posible en el dominio de RF. Y como otros dijeron, el ancho de banda es una locura. Hoy en día, pueden agregar canales a través de: discriminación de longitud de onda, discriminación de polarización, rotación óptica a lo largo del eje central y luz inyectada en espiral en forma de tuerca en espiral en la fibra. Se están intentando muchos otros. Por lo tanto, el ancho de banda de fibra seguirá aumentando durante un tiempo, ¡utilizando fibras ya instaladas!


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La amplificación en fibra submarina se realiza con láseres de bomba con alimentación eléctrica local: la pérdida es demasiado alta para obtener suficiente potencia de un láser en tierra. Los amplificadores se denominan EDFA: amplificadores de fibra dopada con erbio. Los módulos amplificadores están conectados eléctricamente en serie. Se colocan varios miles de voltios en toda la longitud del cable para alimentar todos los amplificadores. Los láseres de la bomba en los módulos amplificadores se ubican fuera de la banda de transmisión y se acoplan a la fibra dopada con diplexores ópticos. Sin embargo, el punto es que los DATOS permanecen en el dominio óptico.
alex.forencich

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Además, la fibra de compensación de dispersión ya no se usa tanto. La dispersión es causada por diferentes longitudes de onda de luz que viajan a diferentes velocidades por la fibra, incluso dentro de un solo modo de propagación. La fibra de compensación de dispersión es una forma de corregir esto. Sin embargo, los sistemas modernos utilizan el procesamiento de señal digital para corregir la dispersión, que es mucho más eficaz, especialmente cuando se utilizan modulaciones de orden superior, como QPSK o QAM. Otros formatos de modulación como OFDM son menos sensibles a la dispersión.
alex.forencich

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Las guías de onda a lo largo de varias millas serían extremadamente caras e inestables. ¿Cómo sostendrías kilómetros de caros tubos mecanizados con precisión? Se hundiría por su propio peso. Los cambios de temperatura dificultarían el diseño. Existe la necesidad de materia prima por milla para hacer tales guías de onda y mantenimiento por milla por año.

El aire libre cuesta cero por milla y no requiere mantenimiento entre los puntos finales, excepto el recorte ocasional de árboles, por lo que la radiación EM gana el concurso de economía. Todo el gasto se destina al diseño y fabricación de antenas, incluidas las guías de onda de corto recorrido, en cada punto final, no a grandes cantidades de material entre puntos. Eso se escala mejor cuando se construye una red a escala nacional.


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En realidad, las guías de onda se usaron por un corto tiempo, el Sistema Bell desarrolló una red basada en guías de onda subterráneas redondas e incluso construyó una fábrica piloto.

Aquí hay un breve folleto http://long-lines.net/tech-equip/radio/WE-waveguide/WEWP-1.html y un artículo https://archive.org/details/bstj43-4-1783

En parte debido a esta inversión, se retrasaron unos años en la transición a guías de onda ópticas, que son mucho más baratas y tienen un ancho de banda mucho mayor.

Se pueden encontrar muchos detalles técnicos en el libro "Una historia de la ingeniería y la ciencia en el sistema de campana: tecnología de transmisión (1925-1975)", una cuenta popular en "The Idea Factory" de Gertner. Ambos son grandes libros.


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Hay varias razones por las cuales esto nunca se hace:

Robustez

La principal ventaja de usar RF es que puede transmitirlo a través del espacio de manera relativamente robusta. Ponerlo en una guía de onda pierde esta ventaja.

Las guías de ondas están hechas de metal y construyen guías de ondas de precisión muy largas y luego instalarlas en el suelo o colgarlas en postes es extremadamente costoso. Además de eso, la RF en general (en una guía de onda o en espacio libre) está más o menos limitada a menos de 100 GHz de ancho de banda.

Costo

Por otro lado, la fibra óptica es solo vidrio y, por lo tanto, es bastante barata. La fibra óptica también es uno de los materiales con menor pérdida: la buena calidad de transmisión puede tener una pérdida de alrededor de 0.2 dB por km. Sí, solo pierde 20 dB cuando atraviesa 100 km de fibra, y es muy fácil aumentar esa copia de seguridad con amplificadores de fibra a intervalos regulares.

Banda ancha

La fibra también proporciona un ancho de banda absolutamente enorme y es inmune a la interferencia externa de EM. Es trivial (aunque no tan barato) poner 100 o más señales a través de una sola fibra en centros de 100 GHz o 50 GHz y mover varios Tbps.

Incluso es posible modular RF analógico en luz láser (con varios GHz de ancho de banda) y transmitirlo por una fibra, posiblemente incluso con múltiples de estos canales en paralelo. Esto se llama RF sobre fibra, y se usa ocasionalmente para cosas como conectar estaciones de transmisión a transmisores.

El ancho de banda a través de una fibra es absolutamente enorme porque la frecuencia central está en los cientos de THz. RF no se acerca a eso.


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La prueba BT Trunked Waveguide fue un esfuerzo por utilizar una guía de onda de alta capacidad (300,000 llamadas de voz) en las rutas troncales telefónicas: era una tecnología de vanguardia en su día. La guía de ondas era en realidad circular, el alambre de cobre se hacía girar sobre un mandril para formar un tubo. Probablemente era más fácil de hacer que la guía de onda rectangular, pero aún así era costosa (cobre, costosa de instalar), excavando zanjas cerca de líneas rectas y costosa de mantener, manteniéndola presurizada para evitar la humedad (otra razón por la que no se prefiere la sección transversal rectangular), etc.

Luego apareció la fibra óptica e hizo que la guía de ondas troncalizada fuera redundante. El cobre instalado era tan valioso que era económicamente viable romper la guía de ondas de prueba en busca de chatarra.

Más aquí en Breve historia de la transmisión de telecomunicaciones en el Reino Unido : pp37

Llegué a BT Research Labs algunos años después de que este proyecto fuera cancelado. Todavía se habló de ello como prueba de por qué hay que invertir en la investigación de diferentes tecnologías ... una de ellas podría dejar todo lo demás obsoleto.

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