Кабельные и воздушные линии связи на основе металлических проводников

Существующие типы линий связи (ЛС) в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и линии в атмосфере (радиолинии).

К линиям связи предъявляются следующие основные требования:

· осуществление связи на практически требуемые расстояния;

· широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений;

· защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.);

· стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;

· экономичность системы связи в целом.

На коротких, метровых и отчасти дециметровых волнах применяются воздушные двухпроводные (реже четырехпроводные) линии и радиочастотные кабели. При переходе к сантиметровым и более коротким волнам указанные линии передачи становятся непригодными. Открытые линии непригодны из-за того, что расстояние между проводами становится соизмеримым с длиной волны и линии начинают заметно излучать. Отметим, что экранированные линии не имеют излучения.

Воздушные ЛС (ВЛС) не имеют изолирующего покрытия между проводниками, роль изолятора играет слой воздуха. Из воздушных линий наиболее распространенными являются двухпроводные линии (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Воздушная двухпроводная (неэкранированная) линия

Отсутствие антенного эффекта достигается уменьшением расстояния между проводами линии, так как при малом (по сравнению с волной) расстоянии электромагнитное поле, создаваемое вне линии током одного провода, уравновешивается полем (обратного знака) второго провода, в котором ток протекает в противоположном направлении. Но располагать провода очень близко друг от друга нельзя из-за возможности их соприкосновения, а также из-за уменьшения электрической прочности линии.

Проводники выполняются, в основном, из биметаллической сталемедной (сталеалюминевой) проволоки. Внутренний диаметр стальной проволоки обычно составляет 1.2...4 мм, толщина внешнего слоя меди (алюминия) - 0.04...0.2 мм. Проволока подвешивается на деревянных или железобетонных опорах с помощью фарфоровых изоляторов. Используемый частотный диапазон ВЛС не превышает 150 кГц.

В простейшем случае проводная ЛС - физическая цепь, образуемая парой металлических проводников. Кабельные ЛС (кабели связи) образованы проводами с изоляционными покрытиями, помещенными в защитные оболочки.

По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные (СК) и коаксиальные (КК) кабели связи (Рис. 5.1).

Рис. 5.1. Типичный вид симметричного (а) и коаксильного (б) кабеля

Рис. 2.4. Экранированные линии (поперечное сечение)

На рис. 2.4 показаны экранированные линии: концентрическая (или коаксиальная) и двухпроводная. Конструктивно такие линии выполняются жесткими или гибкими.

Симметричная цепь состоит из двух совершенно одинаковых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводников. В зарубежных источниках СК часто называют "витая пара" (TP - twisted pair). Различают экранированные (shielded) и неэкранированные (unshielded) СК.

Коаксиальная цепь представляет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем один цилиндр - сплошной внутренний проводник, концентрически расположен внутри другого полого цилиндра (внешнего проводника). Проводники изолированы друг от друга диэлектрическим материалом.

В гибком высокочастотном коаксиальном кабеле внутренний провод представляет собой медную жилу, сплошную или из тонких проводников. Наружный проводник состоит из медной оплетки в виде сетки или тонкой ленты. Пространство между внутренним проводом и экранирующей оболочкой заполняется пластической массой из фторопласта или полиэтилена. Снаружи кабель покрывается защитной изоляционной оболочкой.

Двухпроводный кабель (рис. 2.4, б) состоит из двух проводов, разделенных изоляцией и окруженных экранирующей оболочкой.

По сравнению с воздушными линиями преимущество экранированных линий в том, что они не имеют антенного эффекта, более удобны при монтаже, в частности могут быть зарыты в землю, лучше защищены от влияния атмосферных условий. С другой стороны, экранированные линии более сложны по конструкции, чем воздушные, и поэтому более дорогие. В экранированных линиях труднее обнаруживать повреждения и устранять их.

Рассмотрим основные параметры кабелей с металлическими проводниками.

Коэффициент затухания a, дБ/км. Зависит от свойств материалов проводников и изоляционного материала. Наилучшими свойствами (малым сопротивлением) обладают медь и серебро. Коэффициент затухания зависит также от геометрических размеров проводников. СК с большими диаметрами проводников обладают меньшим коэффициентом затухания. Коэффициент затухания КК зависит от соотношения диаметров внешнего и внутреннего проводника (Рис. 5.2). Оптимальными соотношениями являются (материал внешнего проводника): для меди - 3.6, для алюминия - 3.9, для свинца - 5.2.

Рис. 5.2. Зависимость коэффициента затухания КК от соотношения диаметров проводников

Очень важной характеристикой, фактически определяющей широкополосность системы связи, является зависимость коэффициента затухания от частоты (Рис. 5.3). Если определен граничный коэффициент затухания a_ГР (обычно он определяется возможностями усилителей или регенераторов), то данному коэффициенту соответствует граничная частота пропускания системы f_ГР. Полоса пропускания системы не превышает граничной частоты пропускания.

Рис. 5.3. Частотная зависимость коэффициента затухания металлического кабеля

Скорость распространения v, км/мс. Частотная зависимость скорости распространения показана на Рис. 5.4. С ростом частоты скорость распространения увеличивается, приближаясь к скорости света в вакууме v_С» 300 км/мс. Данный параметр зависит также от свойств диэлектрика, применяемого в кабеле.

Рис. 5.4. Частотная зависимость скорости распространения электромагнитной волны

Волновое сопротивление Z_В (Ом) - сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т.е. при условии, что на процесс передачи не влияют несогласованности на концах линии. Волновое сопротивление СК зависит от удельных значений емкости и индуктивности кабеля. Для КК волновое сопротивление определяется как

,

где Z_Д - волновое сопротивление диэлектрика, D и d - соответственно диаметры внешнего и внутреннего проводников.

Волновое сопротивление линии определяется конфигурацией, геометрическими размерами и материалом, заполняющим пространство между проводами. На рис. 2.5 представлены графики для определения волнового сопротивления двухпроводной воздушной линии (см. рис. 2.3, а).

Рис. 2.5. Графики для расчета волновых сопротивлений двухпроводных (симметричных) воздушных линий

На рис. 2.6 приведен график для определения волнового сопротивления Z_в коаксиальных линий с воздушным диэлектриком. Для определения Z_в таких линий, заполненных диэлектриком с e_r > 1, надо значение, определенное по графику, разделить на .

Рис. 2.6. График для определения волнового сопротивления коаксиальной линии с воздушным диэлектриком

Основные требования к СК определены в рекомендации МСЭ-Т G.613. Диаметр жилы СК обычно составляет 0.4...1.2 мм. СК обычно используются в диапазоне частот до 10 МГц. Основные параметры КК приведены в Табл. 5.1.

Табл.5.1

Тип КК	Диаметр проводника внешний/внутренний, мм	Рекомендация МСЭ-Т	Рабочая полоса частот, МГц
Мини-КК	0.7 / 2.9	G.621	0.2...20
Малогабаритный КК	1.2 / 4.4	G.622	0.06...70
Нормализованный КК	2.6 / 9.5	G.623	0.06...300

В настоящее время выпускается широкая номенклатура кабелей, отличающихся в зависимости от назначения, области применения, условий прокладки и эксплуатации и пр.

На рис. 5.5 приведен пример конструкции кабеля для магистральной сети КМБ-8/7. В конструкции кабеля предусмотрено несколько коаксиальных цепей разного типа, несколько симметричных пар, а также отдельные изолированные жилы. Последние обычно используются для технологических целей.

Рис. 5.5. Пример конструкции кабеля (кабель КМБ-8/7)

Дата добавления: 2015-07-16