没有导线通信线路——波导

提到电话，一般人都会想到电话机和连接电话机的导线。有的人把连接电话机的导线叫做回路，这就是说用两根导线组成一个电流闭合通路。因此长期以来，就根据这个特点划分有线通信和无线通信：有线通信用导线传送信号电流，无线电用空间传送信号电磁波。这样分类，在过去界限是很清楚的。但是波导管出现以后就有了问题。因为波导通信所用的波导管是一个空心金属管，电磁波在里面传播，如从管内的情况来看，没有导线，就是一般的无线通信，但如从外面形状来看，它又是一个导体。

详细讨论这个问题是很有趣的，可以帮助我们了解许多有关电信号传输的知识。这里只着重指出，由于多路通信的发展，使用的频率日益增高，不论在机器设计上或在传输理论上，有线通信和无线通信日益接近，过去的分类法，将要失去意义。

最早，在一对导线上只能通一路电话。以后发明载波电话，并进一步改进线路，采用电缆以后，在一对线路上发展到能通几百路，最多已能通1800多路。但是，如果要把两个城市的几万号、甚至几十万号的电话联系起来，并且要传送多路电视，只有一千多个通路，还是不够的。用多架设线路的办法来解决这个问题，事实上是不行的。

为了增加线路的通路数目，近年来进行了大量的研究。早在1936年就被实验证实，波导管能传输电磁能量。因此，人们想到把无线电波用波导管来传送，这样就可解决一般无线电波在空间传送时能量消耗太大，并且受自然条件影响极不可靠，以及不同电台之间的相互干扰等等问题。从理论上说，利用波导通信能传输极高的频率，可得到几十万个电话通路和几百个电视通路。这样大的通路数，意味着通信领域中一场技术革命，会引起通信机械的变革，根本改变现在的长途通信的面貌。

波导通信的技术特点较多，这里只能概略地谈其中几个问题。

目前有些人认为适合作远距离通信的波导管是圆形的，它的形状如图1所示。

电磁波的波型有很多种，其中最适合在圆波导中传播的叫做H\(_{0}\)1波。这是因为H01波在圆波导中传播时能量衰减最小，并且随着频率的增加而衰减愈益减小。在实验中得出了几种不同波型的能量衰减曲线，从这些曲线可以看出，约在4千兆赫以后，当频率继续增加时，E\(_{0}\)1和H11曲线都向上升，而H\(_{0}\)1曲线却向下降，这表示E01和H\(_{11}\)波型的能量衰减随频率增加而增大，只有H01波型的能量衰减是一直减小的。

实验和理论的研究还告诉我们，只有当波导管的直径和工作波长的比值大于某一数值时，这个波长的波才可能在这波导管内传播。也就是说，波长愈长，传输这种波所需的波导管直径就要愈大。实际上，只有波长较短的波——厘米波和毫米波，才能在波导管中传输。相当于这样短的波长的频率，高达3000到300000兆赫。此外，波导管的直径愈大，能量衰减愈小。根据这些情况，降低波导管中的损耗有两个方法：缩短工作波长或加大波导管的直径。

另一个特点，当波导管直径增加时，波导管能传输的波型愈多。在内直径为12厘米的波导管中，约有30种类型的波可以传输，而在内直径为40厘米的波导管中，则有约300种类型的波可以传输。一般，只利用一种波型来工作，例如用H\(_{0}\)1波。我们把被利用的波型叫做工作波型。对所有非工作波型，我们并不加以利用，它们是“不速之客”，妨碍正常通信。这些非工作波型叫做杂波或寄生波，必须滤除。因此，增大波导管直径固然可以减小衰减，但是却增加了寄生波，这是一个矛盾。权衡得失后，还是以最大努力来消除寄生波，保持适当大的波导管直径为最合理。

消除寄生波的方法是采用滤波的方法，就是说想办法增加寄生波的衰减，使它们的能量在传播中很快地消耗掉，不能到达目的地——接收端。为了说明这种滤波方法的原理，先简单介绍一下H\(_{0}\)1波在波导管中传播的情况。我们知道，当电磁场迂到金属时，在金属中就会产生电流。H01波的电磁场在波导管金属壁内产生的电流，其分布情况如图2实线所示。从图2可以看出，H\(_{0}\)1波的电流是环形电流。其它非H01波绝大多数有纵向分布的电流分量，如图2虚线所示。根据这种电流分布特点，如果用H\(_{0}\)1波作工作波，而在非H01波的电流途径中适当设置障碍，就可以消耗非H\(_{0}\)1波的能量，达到滤除寄生波的目的。这种设有特殊障碍的波导，一般叫做自滤波导。

目前，研究得最多的自滤波导有两种，即环形波导和螺旋波导。环形波导的结构如图3所示。波导壁是用许多被介质垫圈所分隔的一连串的金属环所做成的。在环的外层，复以有弹性的介质外壳。这些分隔金属环的介质垫圈，切断了寄生波产生的纵向电流，使寄生波能量很快衰减，但对工作波的衰减却很小。螺旋波导的结构如图4所示，它是用圆形（也有用带形）铜线绕制而成的螺旋圆管。在螺线间敷入介质，在外面也复以介质外壳。它的滤波原理和环形波导是类似的。

实际应用中还必须解决衰减问题。造成衰减的原因很多，例如有部分能量被金属、介质吸收掉，有部分能量幅射掉等等。还有一种造成衰减的原因，是工作波型转换成非工作波型了，于是与寄生波一起由于自滤作用受到很大衰减，甚至破坏传输。产生波型转换的原因，主要是波导管结构形状不精确，不是成绝对的圆柱形。实际上制造的波导，无法避免微小的变形，例如各段截面的大小略有差异，截面略成椭圆形等等。这些不易觉察出的变形，对H\(_{0}\)1波来说，都足以造成波型转换。此外，通信距离很长，不可能做一根长度等于两地距离的波导管。实际运用时，必须把很多段波导管连接起来，但各段不可能完全相同，而且在连接时接头不可能绝对完全吻合，各段也不可能绝对在一直线上。这些都是造成H01波产生转换的原因。为了减少转换，对波导管制造和敷设的精确度要求非常严格，这也是波导实际应用的最大困难。

波型的转换，不仅造成附加损耗，也将引起信号的失真。因为波型转换后，成为寄生波，但这寄生波经过一段传播距离后，如果不能完全被衰减掉，它可能在波导管的另一个变形处发生转换，重新变成H\(_{0}\)1波。这重新转换成的H01波经过一次转换后，传播速度就发生了变化，结果不能与未经过转换的H\(_{0}\)1波同时到达终端，因而产生干扰失真。

实现波导通信，除了波导传转中的问题外，由于使用特高的频率——几千兆赫以上，因此为有关设备的设计制造带来新的问题，例如要求应用特殊的电子管，产生和放大这样高的频率的电子器件。波导通信应用的信号交换方法，怎样把话音或图象信号变为适合传输的高频信号，也是一个难题。过去通信中惯用的调幅、调频的信号交换方法，是有缺点的，失真大，限制了通信距离。有发展前途的一种信号变换方法叫做脉冲编码调制。这种方法的基本原理和电报符号编码近似。先把待发送的信号编码，用相应的脉冲组合代表信号的编码发送出去，到对方后根据不同的脉冲组合重新译出信号。 例如通常打电话时拨号，如果未编码，拨9字要发出9个脉冲，但如果用10种不同的脉冲来为10个数字编码，则发送每个数字只要1个相应的脉冲就够了。这种用编码脉冲来变换信号的方法，如果与波导通信结合运用，可使通信更有效、更可靠。（李玲 郝亚克）