Основы теории кабелей электросвязи
Первичные параметры цепи
Основными характеристиками, определяющими величину тока и напряжения в каждой точке симметричной или коаксиальной цепи, являются четырепервичных параметра передачи: активное электрическое сопротивление R, индуктивность L, емкость С и проводимость изоляции G. Эти параметры равномерно распределены по всей длине цепи.Следовательно, кабель связи представляет собой однородную линию с равномерно распределенными параметрами. В технике кабелей связи принято определять все параметры на 1 км длины цепи .
Активное электрическое сопротивление кабельной цепи складывается из сопротивлений двух токопроводящих жил и потерь, обусловленных влиянием электромагнитного поля рассматриваемой цепи на соседние проводники и другие металлические части конструкции кабеля (экран, металлическую оболочку и др.).
При расчете активного сопротивления кабельной цепи его удобно представлять в виде двух слагаемых: сопротивления постоянному току и сопротивления, вызванного изменением электромагнитного поля переменного тока.
Электрическое сопротивление цепи постоянному току, Ом/км, определяется по формуле:
| (1) |
где р - удельное сопротивление металла проводника, равное для меди 0,0175Ом.мм2/м и для алюминия 0,0291 Ом.мм2/м; d- диаметр проводника, мм; / - длина проводника, км; s - площадь поперечного сечения проводника, мм2.
Для определения активного сопротивления и индуктивности кабельной цепи при переменном токе расчетные формулы выводятся из основных уравнений электромагнитного поля.
Индуктивность кабельной цепи складывается из внутренней индуктивности каждого проводника и внешней индуктивности, обусловленной внешним магнитным потоком.
Емкость кабельной цепи аналогична емкости конденсатора, у которого роль обкладок выполняют токопроводящие жилы (проводники), а диэлектриком служит изолирующий их материал.
Емкость кабельной цепи в кабельной технике принято называть рабочей емкостью, в отличие от частичных емкостей, т.е. емкостей между любыми отдельными жилами и жилами и оболочкой кабеля.
Проводимость изоляции кабельной цепи складывается из проводимости изоляции постоянному току и проводимости изоляции переменному току. Проводимость изоляции постоянному току весьма мала и составляет порядка 1-10-10 МОм •км, поэтому ею обычно пренебрегают.
Проводимость изоляции переменному току зависит от проводимости изоляции noстоянному току, диэлектрических потерь и частоты тока.
Явление диэлектрических потерь в конденсаторе характеризуется тем, что ток опережает напряжение не на 90° а на угол (90-S). Угол δ называется углом диэлектрических nотерь.
Проводимость, обусловленная диэлектрическими потерями, равна
G1 = ωCtgS, следовательно,
G = G0 + G1 - G0 + ωСtgδ. (2)
Как указывалось выше, в кабельных линиях связи величина Go мала по сравнению с G1 поэтому ею можно пренебречь.
Для сложной комбинированной изоляции (диэлектрик плюс воздух) определяется эквивалентная величина tgδЭ, которая значительно меньше tgδ сплошного диэлектрика.
Как правило, нормы на сопротивление изоляции (обратная величина проводимости изоляции) даются при температуре 20 °С.
С повышением температуры у всех видов изоляции сопротивление понижается.
Первичные параметры передачи цепи (R, L, С и G) зависят от диаметра и материала проводников, расстояния между ними, типа изоляции, температуры и частоты тока.Количественная и качественная характеристики этой зависимости для симметричных и коаксиальных пар несколько различные и будут рассмотрены ниже.
Вторичные параметры цепи
При распространении электромагнитной энергии по длинной кабельной линии напряжение между проводниками и ток в проводниках не остаются постоянными, а меняются по абсолютному значению и по фазе.
Отношения между током и напряжением в любой точке цепи и током и напряжением в начале цепи зависят от двух параметров - волнового сопротивления ZB и коэффициента распространения γ, которые носят название вторичных параметров цепи.Они являются основными показателями, характеризующими электрические свойства цепи.
Волновое сопротивление определяется отношением напряжения к току в любой точке цепи и выражается через первичные параметры по формуле:
Единица размерности - Ом.(3)_
Активное сопротивление R выражено в Ом/км, индуктивность L - в Г/км, емкость С-в Ф/км и проводимость G - в См/км.
В общем виде волновое сопротивление является комплексной величиной. Для всех однородных цепей RL > G/C, поэтому угол волнового сопротивления отрицателен.
При R ≤ ωL и G ≤ ωС, т.е. для частот свыше 5... 10 кГц, волновое сопротивление определяется по следующей упрощенной формуле:
(4)
Коэффициент распространения γ характеризует изменение мощности электромагнитной волны при распространении ее по линии и изменение фазы напряжения и тока вдоль линии.
Коэффициент распространения является комплексной величиной, причем
действительная составляющая а определяет затухание, т.е. уменьшение напряжения и тока на единицу длины цепи, а мнимая составляющая р характеризует величину изменения фазы напряжения и тока на единицу длины линии.
Коэффициент распространения через первичные параметры выражается формулой:
Где а выражается в Нп/км (1 Нп = 8,69 дБ) и β - в рад/км.
Обычно коэффициент распространения у определяют на 1 км цепи.
Направление вихревых токов в проводнике всегда совпадает с направлением передаваемого на поверхности проводника тока. Таким образом, передаваемый ток вытесняется из центра проводника на его поверхность.
Это явление называется поверхностным эффектом. Вследствие потерь на вихревые токи активное сопротивление проводника возрастает.
Кроме того, в близкорасположенном обратном проводнике возникают также вихревые токи, которые замыкаются в толще соседнего проводника (рис 1). Направление вихревых токов такое же, как у вихревых токов прямого проводника, т.е. в удаленных точках соседнего проводника совпадает с направлением передаваемого тока и в более близких токах противоположно ему. Если по соседнему проводу передается ток противоположно направления (обратный ток), то вихревые токи совпадают по направлению с обратно передаваемым током в более близких точках соседнего проводника и противоположно направлены в удаленных точках.
Таким образом, передаваемый в соседнем проводнике обратно ток фактически вытесняется на ближнюю часть цилиндрической поверхности. Это явление называется эффектом близости (сближения).
| б) / |
Рис.1
Схема образования вихре
вых токов:
а - при поверхностном эффекте;
б - при эффекте близости
(Н - напряженность магнитного noля)
I - рабочий ток;
Iвт. - вихревой ток)
Вследствие потерь на вихревые токи в соседнем проводнике активное сопротивление цепи также возрастает.
Первичные параметры передачи симметричных кабелей
Зависимость первичных параметров передачи от типа изоляции
От типа изоляции зависят параметры С и G. Рабочая емкость С прямо пропорциональна величине еэ a G - тангенсу угла диэлектрических потерь tgS и С.
Неоднородности в цепях связи
Различают неоднородности внутренние - в пределах строительной длины кабеля - и стыковые, обусловленные различием характеристик волнового сопротивления сопрягаемых длин.
Неоднородности цепи учитываются через коэффициент отражения
где Z'B и Z"в - волновые сопротивления соседних неоднородных участков кабеля; Zв номинальное значение волнового сопротивления цепи. Соответственно величина отклонения волнового сопротивления определяется как AZB = 2pZB.
Реальный кабель можно рассматривать как неоднородную цепь, составленную из отдельных однородных участков. Электромагнитная волна, распространяясь по такому кабелю и встречая на своем пути неоднородность, частично отражается от нее и возвращает к началу линии. При наличии нескольких неоднородных участков волна претерпевает серию частичных отражений.
Причины и параметры взаимного влияния между симметричными цепями
Качество передачи сигналов связи по цепям кабельных линий во многом зависит от величины помех в этих цепях.
Помехами называют посторонние токи и напряжения в цепи, частотный спектр которых совпадает со спектром передаваемых по цепи полезных сигналов. Помехи, возникающие в результате электромагнитного влияния параллельных цепей, называют линейными. В случае передачи по параллельным цепям телефонного разговора линейные помехи называют переходным разговором.
Если в цепи, подверженной влиянию, прослушивается и может быть понят смысл разговора, передаваемого по влияющей цепи, то такой переходный разговор называю внятным. Если прослушиваемые в цепи, подверженной влиянию, звуки носят характер речи, но смысл ее распознать нельзя, то такой род влияния называют невнятным переходным разговором. Его относят к шумам, которые могут возникать в цепи и в результат воздействия других причин, например переходов из других каналов данной системы передачи вследствие нелинейных элементов в цепи. К шумам относят также токи и напряжения, обусловленные влиянием внешних электромагнитных полей от линии сильного ток радиостанций, источников электропитания, тепловыми явлениями в лампах, сопротивлениях и т.д.
Наличие шума в каналах при телефонном разговоре понижает разборчивость речи, при передаче других видов сигналов приводит к искажению передаваемых по каналу сигналов или вообще делает невозможным передачу сигналов с необходимой верностью.
При телефонном разговоре по каналу связи особенно недопустимо появление внятного переходного разговора, так как он отвлекает внимание и нарушает секретность телефонной передачи.