Por que os guias de onda retangulares não são usados ​​para transmissão entre cidades?

Os guias de ondas podem transmitir potências muito altas, isolando o sinal de ruídos e interferências externas. Além disso, os guias de onda têm uma perda muito baixa. Esses recursos os tornam um candidato interessante à transmissão de sinais entre duas cidades. Por que os guias de onda retangulares não são usados ​​para transmissão entre cidades?

Eu acho que pode ser porque os guias de onda retangulares têm uma largura de banda estreita e, portanto, é necessário usar muitos deles para a transmissão de sinais, o que é impraticável. Estou certo?

O meio dentro de um guia de ondas é ocupado por gás. Pode ser um vácuo, provavelmente mesmo com menos perdas. No entanto, o que não deveria estar lá é água. É quase impossível impedir a água nas milhas e dezenas de milhares de articulações necessárias para guias de ondas.

Guias de onda ópticos, ou seja, fibra, são sólidos e, portanto, impedem a intrusão de água instantaneamente e, também, a longo prazo. Concedido, a fibra de vidro e sua jaqueta absorverão quantidades 'microscópicas' de água, causando alta perda. Mas demora um pouco e é fácil evitar com uma quantidade muito pequena de material em cada junta. Também é uma vedação altamente eficaz.

Os links submarinos de fibra óptica são incríveis. De vez em quando um amplificador de fibra ótica, feito de fibra, é inserido em série. A energia para o laser de fibra ótica é OUTRO laser disparando até o outro continente. Utilizando divisores e combinadores, uma pequena quantidade do laser de potência de menor frequência (comprimento de onda mais longo) é enviada através de uma peça de fibra especialmente dopada, mantendo os átomos dopantes em um estado excitado. À medida que o laser de sinal pulsado se combina na fibra do amplificador a laser, ele aciona energia mais lenta dos átomos emitidos no amplificador e, assim, a amplificação acontece :-)

Outra parte do quebra-cabeça é chamada dispersão no tempo. Nem todos os fótons seguem exatamente o mesmo caminho na fibra. Alguns abraçam e ricocheteiam nas paredes, outros descem pelo centro. Portanto, nem todos chegam ao mesmo tempo, pois viajaram microscopicamente em diferentes comprimentos de caminho. Isso faz com que a amplitude da energia fornecida pelos fótons se espalhe, a forma de onda NÃO salta instantaneamente para a amplitude total. Isso limita a largura de banda quanto maior a fibra.

Os engenhosos físicos e engenheiros ópticos descobriram que, se a fibra fabricada onde a velocidade da luz é mais lenta no centro do que na parede externa de uma fibra de vidro, todos os fótons poderiam ser realinhados a tempo, ao sair dessa 'fibra de correção'. Como eles fizeram a alteração na velocidade significativa, são necessárias apenas uma pequena quantidade de fibra a cada quilômetro ou mais para fazer a correção.

Agora, tudo isso é construído em um conjunto de cabos, selado e jogado no oceano. A montagem é feita em um navio no mar quando eles o derrubam, ou em um caminhão ao lado da vala em terra. Eu já vi algumas coisas sendo feitas em terra. Surpreendente. A parte mais surpreendente é que não há eletricidade ou eletrônicos em todo o cabo para MILHARES DE MILHAS. Toda a reamplificação e reformulação da forma de onda ocorre opticamente, conforme descrito acima. Esqueci de mencionar que, como o laser de potência tem menor comprimento de onda e onda contínua, ele tem uma perda muito baixa na fibra e pode ir pelo menos até o ponto intermediário. Eles poderiam injetar o laser de potência do OUTRO continente até o ponto intermediário para amplificar os sinais até o continente alvo.

Nada disso é possível no domínio RF. E como outros disseram, a largura de banda é insana. Atualmente, eles podem adicionar canais através de: discriminação de comprimento de onda, discriminação de polarização, rotação óptica ao longo do eixo central e luz injetada em espiral em forma de noz em espiral na fibra. Muitos outros estão sendo tentados. Portanto, a largura de banda da fibra continuará subindo por um tempo, usando fibras já instaladas!

Guias de onda por vários quilômetros seriam muito caros e instáveis. Como você sustentaria quilômetros de tubos caros usinados com precisão? Cederia sob seu próprio peso. As mudanças de temperatura dificultariam o design. Existe a necessidade de matéria-prima por milha para fazer esses guias de ondas e manutenção por milha por ano.

O ar livre custa zero por milha e não exige manutenção entre os pontos de extremidade, exceto o corte ocasional de árvores, de modo que a radiação EM vence o concurso de economia. Toda a despesa vai para o design e fabricação de antenas, incluindo guias de ondas de curto prazo, em cada ponto final, e não grandes quantidades de material entre os pontos. Isso é melhor quando se constrói uma rede em escala nacional.

Os guias de ondas foram realmente usados ​​por um curto período de tempo, o Sistema Bell desenvolveu uma rede baseada em guias de ondas subterrâneos redondos e até construiu uma fábrica piloto.

Aqui está um pequeno folheto http://long-lines.net/tech-equip/radio/WE-waveguide/WEWP-1.html e um artigo https://archive.org/details/bstj43-4-1783

Em parte por causa desse investimento, eles demoraram alguns anos para fazer a transição para guias de onda ópticos, muito mais baratos e com largura de banda muito maior.

Muitos detalhes técnicos podem ser encontrados no livro "A History of Engineering and Science in the Bell System: Transmission Technology (1925-1975)", uma conta popular em "The Idea Factory", de Gertner. Ambos são ótimos livros.

Existem várias razões pelas quais isso nunca é feito:

Robustez

A principal vantagem do uso de RF é que você pode transmiti-lo através do espaço de forma relativamente robusta. Colocá-lo em um guia de ondas perde essa vantagem.

Os guias de ondas são feitos de metal e constroem guias de ondas de precisão muito longos e, em seguida, instalá-los no chão ou pendurá-los em postes é extremamente caro. Além disso, a RF em geral (em um guia de ondas ou em espaço livre) é mais ou menos limitada a menos de 100 GHz de largura de banda.

Custo

Por outro lado, a fibra óptica é apenas vidro e, portanto, é bastante barata. A fibra óptica também é um dos materiais de menor perda ao redor - uma boa fibra de grau de transmissão pode ter uma perda de cerca de 0,2 dB por km. Sim, você só perde 20 dB ao percorrer 100 km de fibra, e é muito fácil aumentar esse backup com amplificadores de fibra em intervalos regulares.

Largura de banda

A fibra também fornece uma largura de banda absolutamente enorme e é imune a interferências externas de EM. É trivial (embora não seja tão barato) colocar 100 ou mais sinais através de uma única fibra em centros de 100 GHz ou 50 GHz e mover vários Tbps.

É até possível modular o RF analógico na luz do laser (com vários GHz de largura de banda) e transmiti-la através de uma fibra, possivelmente até com vários desses canais em paralelo. Isso é chamado RF sobre fibra e é usado ocasionalmente para coisas como conectar estações de transmissão a transmissores.

A largura de banda através de uma fibra é absolutamente enorme porque a frequência central está nos 100s de THz. RF não chega nem perto disso.

O teste do BT Trunked Waveguide foi um esforço para usar o guia de ondas de alta capacidade (300.000 chamadas de voz) nas rotas de troncos telefônicos - era a tecnologia de ponta da época. O guia de ondas era na verdade circular, fio de cobre foi fiado em um mandril para fazer um tubo. Provavelmente era mais fácil de fazer do que o guia de onda retangular, mas ainda era caro - cobre, caro para instalar - valas perto de linhas retas e caro para manter - mantendo-o pressurizado para impedir a umidade (outro motivo pelo qual a seção transversal retangular não é o preferido) etc.

Em seguida, a fibra óptica apareceu e tornou o guia de ondas troncalizado redundante. O cobre instalado era tão valioso que era economicamente viável rasgar o guia de ondas experimental para sucata.

Mais aqui na Breve história da transmissão de telecomunicações no Reino Unido : pp37

Cheguei ao BT Research Labs alguns anos após o cancelamento deste projeto. Ainda foi falado como prova de por que você tem que investir na pesquisa de diferentes tecnologias ... uma delas pode tornar todo o resto obsoleto.