Кабели и их экраны

Введение

При рассмотрении кабелей нас интересует их стойкость, а также то, какие наводки они вводят в систему при действии ЭМИ. Довольно часто конфигурация кабеля есть единственный источник наводки. Что­бы грамотно увеличить стойкость кабелей, нужно знать механизмы проникновения поля. Поэтому прежде чем перейти к стойкости ка­белей, необходимо обсудить наводки на них. В гл. 6 кабели рассматри­вают в связи с общей проблемой конструирования систем.

Существует много попыток проанализировать и понять различные виды наводок па кабелях. С точки зрения электродинамики наиболее удовлетворительным является представление о дифференциальных характеристиках проникновения, разъясняющее, каким образом поля и токи, действующие в непосредственной близости от элементарного участка кабеля, проникают внутрь него. На основе этих простых мо­делей проникновения сигналов можно развить простые эквивалент­ные схемы с сосредоточенными параметрами для экспресс-анализа. Кроме того, дифференциальная модель позволяет понять, как увели­чить сопротивление проникновению в кабель.

Чтобы определить напряжение, возникшее на концах длинного кабеля, нужно рассмотреть влияние временной задержки внутри него между различными дифференциальными источниками проникновения. Соответствующие напряжения записываются с помощью функций Грина. Общая последовательность вычисления степени проникновения в кабель заключается, во-первых, в определении окружающих условий, а затем исходя из этих условий, в определении полей и токов на внеш­ней поверхности кабеля [11]. Эти поверхностные токи и поля можно пересчитать на дифференциальное напряжение наводки и далее на базе дифференциальных напряжений с помощью функции Грина опре­делить временные задержки, ослабления, напряжения на концах или в любой точке кабеля. Для кабелей, проложенных в земле, из-за очень большого ослабления высоких частот сплошным экраном необходимость в сложных решениях минимальна. Однако для кабелей в экранирую­щей оплетке, которая сильнопроницаема для высокочастотных со­ставляющих, часто необходимы строгие решения с использованием функций Грина или их эквивалентов.

Кроме того, характеристики, описывающие наводку на кабель и реакцию кабеля, зависят не только от его конструкции, но и от при­роды оконечных нагрузок и конструкции -разъемов. Во многих слу­чаях истинная наводка определяется не идеализированными параме-

трами кабеля, нагрузки или соединений, но также и тем, насколько хорошо кабель смонтирован и какое окружение имеется при его прак­тическом использовании.

Упрощенное рассмотрение

Незкранированная пара воздушных проводов. На рис. 4.13 пред­ставлены два механизма для электромагнитной наводки на сбаланси­рованную пару воздушных проводов. На очень малом участке провода электрический вектор электромагнитного поля расположен в плоско­сти обоих проводов, а магнитный вектор ортогонален этой плоскости. Величины указанных источников напряжения могут меняться по длине кабеля.

И:

*-----	~ь
г		• п НМ Т L
X		---- —--- ^-
■*-——	---- *ч /

Рис. 4.13. Механизм наподки Рис. 4.14. Дифференциальные генераторы на-

для пары воздушных проводоп: водок, созданные электрическим (Е) и маг-

а—перпендикулярно Е; б — периеп- НИТНЫМ (Н) ПОЛЯМИ:

дикулярио Н _а _ перпендикулярно Н. V$"i<tm-,alf (;) d%=

= /рг]«Н (1) dl; p_a<g 1, В = 2я/>.; б—перпендику­лярно £#«=— IweaE (|) d% = j -ё- л£ (|) d%

Функция Грина определяет напряжение в любой точке х на ли­нии, созданное одиночным точечным источником, расположенным на некотором расстоянии от одного конца линии. Полное напряжение на нагрузке, созданное распределенными точечными источниками, можно найти интегрированием функции Грина по распределению ис­точников напряжения и генераторов тока от £ — 0 до Ъ, = I. На рис. 4.14 показаны эквивалентные дифференциальные генераторы, созданные внешними полями, изображенными на рис. 4.13. Для пары

воздушных проводов основное влияние обусловлено переменными (во времени) магнитным и электрическим полями. Величины источников напряжения и тока прямо пропорциональны производной внешнего поля по времени.

Коаксиальный кабель. Ток в оболочке. Полезным параметром для определения степени проникновения электромагнитного поля в коак­сиальный кабель является проходной импеданс [12, 13]. Поверхност­ный проходной импеданс Z_r количественно связывает падение напря­жения на единице длины кабеля, возникающее иа внутренней стороне экрана, с током, протекающим на внешней стороне оболочки (рис. 4.15). Ток /, протекающий по внешней стороне оболочки, вызы­вает на длине Ах внутри оболочки приращение напряжения А V, при­чем

AV (х) = ZtAxI (x). (4.27)

1(х)

Внешняя &АОчт
	. х AV'xl
	т^
Цент£<иьиыа проводник
	АЩ)
Внешняя оболочка

!(х)

АХ

AV(x)=T(x)AXZ_i

Рис. 4.15, Проходной импеданс коаксиального кабеля

Если длина кабеля мала по сравнению с длиной волны тока, текущего по внешней части оболочки, то можно считать ток постоянным по длине кабеля и

Z_T = ЩЩ, (4.28)

где / — ток, протекающий по внешней части оболочки; V — на­пряжение внутри оболочки; I — длина кабеля.

Для кабеля со сплошной оболочкой проходной импеданс можно представить в виде

Z_r = (1 -|- j)/[2nr₀ а_с б_с sh (ГТ)], (4.29)

где а_с — проводимость материала стенки; 8_С = У 2/<вр,₀сТс — глубина скин-слоя материала стенки экрана; Г = [ja>\i_n (о_с + /<as_c)'l^1/2 — постоянная распространения материала стенки экрана; г₀ — радиус цилиндрического экрана; Т (Т <^г для хброших проводников) — толщина стенки.

На рис. 4.16 показана частотная зависимость проходного импе­данса коаксиального кабеля со сплошным внешним проводником. Вы­ше некоторой частоты его значение быстро падает. Желательно иметь малый проходной импеданс, так как это уменьшает зависимость вну­треннего напряжения от внешних токов. Для кабеля в оплетке на ча­стотах, свыше нескольких мегагерц проходной импеданс увеличивает­ся со скоростью 6 дБ на октаву. Это нежелательно, так как усиливает­ся высокочастотная компонента (наводки).

В связи со сложностью проблемы для поверхностного проходного импеданса коаксиальных кабелей в оплетке имеются только очень гру­бые аналитические соотношения, и их всегда определяют эксперимен­тально.

Проходной импеданс имеет вид

(4.30)

Z_T = R_T±;<»М_Т,

rwu	J
s
	jr
о
Z	Jr
qf	S
5!	/
Sffl	~ 1 /
s
ад
a	---- ~~—_ -^
В
о
duoo	i \
i	1 V \
ь	\
	\ . ill! i i i XI i lit

где Rr — последовательное сопро­тивление внешней оболочки; ыМт —взаимный импеданс между внешней и внутренней частями коаксиальных кабелей.

На рис. 4.17 приведены соот­ношения, дающие некоторое пред­ставление о связи между внешним и внутренним полями и возникно­вении взаимного импеданса.

0,1

1 10 Частота, МГц

100

Проходные импедансы можно измерить несколькими различны­ми способами. Наиболее общий способ — использование трехмер­ного тестера описан в гл. 5.

Рис. 4.16. Проходное сопротивление коаксиального кабеля с плетеным (/) и сплошным (2) внешними проводни­ками

Проникновение электрического поля в коаксиальные кабели. Элек­трическое поле в непосредственной близости от коаксиального кабе­ля имеет радиальное направление [12, 13]. Взаимодействие с электри­ческим полем обусловливает частичное проникновение внешнего ради­ального электрического поля внутрь кабеля. Оно может быть охаракте­ризовано источником тока (рис. 4.18, 4.19). Для многих коаксиальных кабелей этот механизм проникновения на частотах менее нескольких мегагерц вообще не имеет большого значения, когда кабельная систе­ма работает на нагрузку 50 Ом. С другой стороны, многие кабельные си­стемы нагружены не на 50 Ом, а на значительно большие сопротивле­ния. В таких случаях указанный механизм паводки может стать очень важным.

Влияние радиального электрического поля в виде дополнительного эквивалентного генератора наводки определено в работе 112] через по­верхностную проходную проводимость F_r. Эта величина (см. рис. 4.18)

определяется из соотношения

Al(x) = Y_TAxE_r(x), (4.31)

где Е,. (х) — среднее радиальное поле в точке х вдоль кабеля; / (х) — величина внутреннего источника тока, созданного внешним полем Е_т.

в

0И

Рис. 4.17. Магнитные утечки через отверстия в коаксиальном плетеном экране:

С s

Для испытываемого образца, длина которого мала по сравнению с длиной волны (/ <^ Я), Е_г будет постоянным по всей его длине, и, следовательно, проходную проводимость можно определить как

Yt -~-!/Е_г1. (4.32)

£,W

Рис, 4.18. Радиальное поле и внутрен­ний источник тока

Рис. 4.19. Источник тока и нагрузка при возбуждении радиальным полем (l=jmC_esE_rl)

Эмпирические данные показывают, что проходная проводимость для большинства кабелей линейно растет с частотой. Для простых кабелей используют соотношение

YT-jo>C_eil, (4.33)

где С_рд — эквивалентная емкость, выбранная так, чтобы получить соответствующие значения Y_T в зависимости от частоты.

Как отмечено ранее, импеданс нагрузки кабеля существенно влия­ет на проникновение электрического поля. На рис 4.19 показана эквивалентная схема для короткого кабеля. Напряжение, созданное

на концах кабеля, есть функция импеданса, образованного двумя па­раллельно соединенными нагрузочными сопротивлениями, а также шунтирующей емкостью кабеля. Низкие нагрузочные импедансы и большие шунтирующие емкости стремятся уменьшить напряжение наводки электрического поля, наблюдаемое на концах кабеля.

Радиальное электрическое поле, изображенное на рис. 4.18, свя­зано с-потенциалом между оболочкой испытываемого кабеля и внешним цилиндром соотношениями

В, = Q/2neal, (4.34)

Q - VC, (4.35)

где Q — заряд на оболочке; а и / — радиус и длина оболочки соот­ветственно: е. — диэлектрическая проницаемость вакуума; С — ем­кость оболочки (рассматриваемой как сплошной проводник относи­тельно свободного пространства или эталонного внешнего цилиндра).

Уравнение (4.34) дает общий подход к вычислению £,., если про­странственное распределение Q определено другими способами, а уравнение (4.35) можно использовать, чтобы определить Е_г только тогда, когда для испытаний взята простая конструкция.

Реакция коаксиальных кабелей на магнитное поле. Только у экра­нированного коаксиального кабеля 112 141, имеющего эксцентриси­тет*, возникает связь с поперечным магнитным полем. При наличии эксцентриситета (из-за каких-либо отклонений при изготовлении и монтаже) любое переменное поперечное магнитное поле, которое про­никает сквозь внешний проводник, вызывает напряжение наводки. Это напряжение таково, как если бы центральный проводник заменили линией передачи, состоящей из параллельных проводов, находящихся на расстоянии, равном эксцентриситету. Существуют и другие ме­ханизмы наводки, особенно если какие-либо проводники скручены в спираль. Эффекты, связанные со «спиральным» скручиванием, рас­смотрены в подразделе о скрученных парах проводов.

Основой для рассмотрения проникновения поля может служить, в первую очередь определение полей утечки, созданных коаксиальными кабелями, когда оси внутреннего проводника и внешнего экрана не совпадают. Внешнее магнитное поле Н перпендикулярно плоскости, содержащей ось длинного участка каждого проводника, наведенное током / коаксиального кабеля, вычисляется по формуле

Я = IA/2nR\ (4.36)

где Д — эксцентриситет кабеля; / — ток, текущий по кабелю; R — расстояние между центральным проводником и точкой измерения. Точка измерения находится в плоскости, содержащей оси обоих про­водников. Каждый из пары проводов эквивалентной линии передачи, по которому течет ток /, создает одинаковое магнитное поле па рас­стоянии R- Реакция любой кабельной системы на внешнее поле опре­деляется эквивалентной площадью, нормальной к направлению поля.

* Эксцентриситетом кабеля называется расстояние между центрами вну­треннего и внешнего проводников.

Для коаксиальных кабелей нельзя достаточно точно определить эксцентриситет. Обычно он зависит от практики изготовителей, пре­дыстории кабеля, величины его изгиба или прогиба. Оказывается, что для многих методов изготовления плоскость, содержащая центры экс­центриситетов, стремится медленно повернуться на расстояниях свыше нескольких десятков метров, что обусловлено процессами изготовле­ния. Однако для трубчатых или цилиндрических внешних экранов отдельные проводники часто установлены так, что они лежат на ниж­ней части экрана. Здесь А лишь весьма приближенно равен радиусу внешнего экрана.

Напряжение, созданное на единице длины кабеля, есть

AV(x) = A_eB(x)Ax, (4.37)

где В (х) — производная магнитного поля по времени в точке х; А_е — указанная выше эквивалентная площадь на единицу длины.

Для «электрически короткого» кабеля длиной / поле обычно по­стоянно и эквивалентная площадь равна

А_е = УЦщ₀Щ, (4.38)

где V — наведенное на кабеле напряжение.

ю-' 1 ю частота, МГц

Частота, HTiK

Рис. 4.21. Эффективность экранирова­ния цилиндрической медной оплетки кабеля RG18 с серебренными по по­верхности концами [14]

Рис. 4.20. Эффективность экранирова­ния цилиндрической мелкой оплетки. кабеля RG18 с недогруженными кон­цами [14]

Когда внешний проводник или оплетка обладают некоторой эффек­тивностью экранирования, значение напряженности магнитного поля в уравнении (4.36) уменьшается. Для сплошных экранов это отражено в уравнениях, приведенных в табл. 4.1. Также уменьшаются проник­новение поля и наводка.

Эффективность экранирования оплетки очень трудно вычислить аналитически. Экспериментально были измерены две кабельные си­стемы, для которых на рис. 4.20 и 4.21 показана частотная зависимость эффективности экранирования цилиндрическими секциями медной оплетки, снятой с кабеля RG18. Эффективность экранирования до не­которой степени зависит от обработки концов цилиндрических секций. При применении.многожильных кабелей внешнюю оплетку употреб­ляют не для экранирования, а как физическую защиту. Обычно такие оплетки делают из алюминиевой проволоки, и проведенные измерения показывают, что эффективность экранирования весьма мала в низшей части высокочастотного диапазона (порядка 15 дБ и менее) и фактиче­ски равна нулю на меньших частотах.

Поэтому для многих практических применений необходимо прове­рить проникновение магнитного поля в кабель. Кабельную систему можно характеризовать в терминах эквивалентной площади витка, связанной со скоростью изменения индукции магнитного поля В. 122

Рис. 4.22. Модель скрученной пары:

а — а=а_я «in 0, где Н=2гг£/а; б: * — расстояние от одного конца пары; о — длима одного полного нитка Г16(Г)

Обычно магнитное поле направлено перпендикулярно оси кабеля, а наводка (для кабелей в оплетке) достигает максимума при определен­ных углах с этой осью. Однако, как установлено ранее, наводки могут создаваться и составляющими магнитного поля, параллельными оси кабеля. Следует рассматривать оба вида наводки. Соотношения для них можно записать либо через максимальные значения, либо в век­торных обозначениях.

Скрученная пара проводов (экранированная и неэкранированкая). Скрученную пару проводов можно представить в виде двух проводов линии, расстояние между которыми меняется и периодически повто­ряется вдоль линии. На рис. 4.22 показано такое расположение про­водов, при котором электрическое и магнитное поля меняются по си­нусоидальному закону вдоль кабеля в виде скрученной пары. В сущ­ности в поперечном низкочастотном магнитном поле участки кабеля, периодически изменяющие свое направление, создают напряжение противоположной полярности. Предполагается, что в низкочастотном электрическом поле на обоих проводах наводится одно и то же напря­жение; поэтому ни электрическое, ни магнитное поля не создают разности потенциалов на концах проводов.

Изложенная вьше картина имеет место только в идеализированных условиях, где есть совершенная симметрия, а четное число витков пары приводит к компенсации наведенного магнитного поля в однородном внешнем поле. Если поле неоднородно, наводка может иметь место, несмотря на симметрию.

Для экранированной скрученной пары проводов также интересен потенциал, созданный этой парой относительно оплетки. Нз рис. 4.23

показана эквивалентная площадь для описания наводки, обусловлен­ной В, от внутреннего проводника, намотанного спиралью, например вокруг непроводящего сердечника. В случае скрученной пары, где намотка для каждого проводника сделана в одном и том же направле­нии, напряжение, созданное между проводами, в аксиальном магнит­ном поле равно нулю. Однако между оплеткой и обоими проводниками образуется напряжение. Соответствующая эквивалентная площадь равна числу витков на единицу длины, умноженному на площадь, ограниченную одним полным витком (рис. 4.24). Напряжение, со­зданное на единице длины, определяется аналогично напряжению в уравнениях (4.37) и (4.38), за исключением того, что эффективная площадь описывается соотношением А_в = na²N (см. рис. 4.24).

ах

В(х) м(х)

N битов _а\

| ''УЛ'Л'■'■'■'////.' '-"/л ,, >//.■///.■////*

Рис. 4.23. Иллюстрация к понятию Рис. 4.24. Эквивалентная площадь

эквивалентной площади спирали

В некоторых случаях для одной группы проводников витки на­мотаны по часовой стрелке, а для другой — против. При противо­положной намотке напряжение, созданное между такими группами, описывается уравнением

У_яЩ(х)=2А,.В(х)Ах, (4.39)

где А_е определена на рис. 4.24 для отдельной группы витков.

Для скрученной пары существуют два вида наводки: обыкновен­ная и дифференциальная. Дифференциальная наводка обычно на­зывается сбалансированной. При такой наводке напряжение равно разности напряжений между двумя скрученными проводниками. При несбалансированной наводке эти проводники связаны вместе, так что напряжение создается между ними и экраном. Вообще оба вида наводки присутствуют в любой экранированной паре проводов линии передачи.

Любая неоднородность в характеристиках линии передачи, на­пример из-за допусков при изготовлении, может привести к связи между сбалансированной и несбалансированной наводками, когда они рас­пространяются вдоль линии. Поэтому несбалансированная наводка может вызывать некоторую наводку сбалансированного вида из-за отклонения от идеальной конструкции и различий в изготовлении.

Преимущества экранированной линии передачи из скрученной пары проводов часто не могут быть реализованы, пока линия не нагружена соответствующим образом. Обычно на практике пару нагружают иа трансформатор, который тщательно изготовлен, чтобы подавить обык-124

иовенную и дифференциальную наводки. Это не простое требование к изготовлению трансформатора, и его трудно выполнить в широкой полосе частот.

Другое дополнительное требование заключается в том, чтобы око­нечные (нагрузочные) импедапсы для каждого провода пары относи­тельно земли удовлетворяли в интересующей нас полосе частот опре­деленным техническим условиям. Первое условие — равенство этих импедансов, чтобы подавить переход несбалансированной наводки в сбалансированную на конце линии. Второе условие — равенство па­раллельно соединенных импедансов между каждым проводом и землей волновому сопротивлению цепей несбалансированной или общего вида наводки скрученной пары, рассматриваемой как единый проводник. ■ Кабель из скрученного провода должен быть нагружен симметрич­но и на волновые сопротивления цепей обоих видов наводки в очень широкой полосе частот. Этот подход не всегда применяли инженеры по защите, которые утверждали, что трудность указанного метода со­стоит в изготовлении идеального дифференциального трансформатора с требуемыми нагрузочными имиедансами в широкой полосе частот. В качестве компромисса предложено нагрузить цепь обыкновенной на­водки на максимально возможный импеданс, а согласовывать только цепь дифференциальной наводки. Количественные данные при таком подходе отсутствуют.

Экранированные многожильные кабели. В экранированных много­жильных кабелях проявляются многие из обсужденных ранее механиз­мов наводки. Простейший способ излучения многожильного кабеля со­стоит в том, чтобы рассматривать его сердцевину, состоящую из многих проводов, как один проводник, тогда систему можно представить как коаксиальный кабель. С учетом этого в первом приближении часто рассматривают зависимость тока в объеме сердцевины (т. е. полного тока, протекающего в ней) от некоторых дефектов изготовления, как это делалось для проводника с внешней оплеткой. Тогда сохраняется единая точка зрения, что исходное разделение тока сердцевины между составляющими ее проводами зависит от взаимных импедансов между различными проводами и экраном. Через довольно длительное время (в общем случае равное удвоенному времени прохождения электриче­ского сигнала по кабелю) ток распределяется в соответствии с различ­ными оконечными имиедансами. Если между проводами в каче­стве оконечных нагрузок включены дифференциальные трансформа­торы, то нужно также рассмотреть симметрию и точность таких на­грузок. Когда отсутствуют отклонения от симметрии и значений око­нечных нагрузок для цепей помех общего и дифференциального вида, может легко выявиться перекрестная помеха. Существуют также и дру­гие источники перекрестной помехи между кабелями из скрученных пар в связках.

Разъемы. Разъемы являются основным источником наводок, со­зданных ЭМИ, поскольку они часто неправильно сконструированы или установлены. Между соединяемыми поверхностями должен сущест­вовать хороший электрический контакт, чего трудно достигнуть из-за других требований. Одно время рекомендовали анодировать алюминие-

вые разъемы, поэтому требовалось, чтобы все выводы многоконтактных разъемов, включая экран, были подведены через штырьки. Это, в свою очередь, означало, что ток, который протекает по внешней экранирую­щей оплетке, проходит через штырек разъема, а затем снова возвра­щается в экран, создавая очень высокий проходной импеданс для тока оболочки в непосредственной близости от разъема. В других случаях интенсивная вибрация может привести к ухудшению сопротивлений контактов между соединяемыми проводниками. Некоторым соедини­тельным деталям придают форму прокладок, чтобы обеспечить очень высокую проводимость соединения внешней оболочки для отвода тока, наведенного па нее. В других практических случаях коррозия, пыль, крупный песок или небрежная эксплуатация приводят к тому, что со­единения становятся источниками очень больших няводок.

Механизм создания наводки на разъеме аналогичен механизму со­здания наводки на кабеле. Однако основное значение имеет проходной импеданс. На основании большого числа испытаний разъемов была по­казана применимость модели проходного импеданса, которая подобна модели, представленной на рис. 4.15, и описывается уравнением (4.30).

В табл. 4.4 [16—18] приведены примеры переходных импедапсов для типичных соединительных деталей. Их наиболее важные свойства определяются не идеализированными характеристиками, а скорее непредвиденными обстоятельствами во время работы, температурой, вибрацией, небрежной эксплуатацией. Наводка па муфтовые разъе­мы обычно мала.

Методы увеличения стойкости кабелей

Идеализированный подход. Из идеализированного подхода к стой­кости кабелей следует, что не существует наилучшей кабельной си­стемы. Кабельную систему следовало бы заменить какой-либо линией непроволочной связи, такой, как линия из оптических волокон, или системой, работающей на миллиметровых волнах. Однако во многих случаях это невыгодно, и тогда нужно искать другую, лучшую систе­му. Она должна состоять из непрерывного сплошного цилиндрическо­го внешнего экрана, который используют только для электрической и магнитной защиты. Его нельзя использовать в качестве обратного провода, как в большинстве конфигураций коаксиальных кабелей. Поэтому кабель внутренней связи должен состоять из скрученной пары кабелей, подключенных к тщательно сбалансированным дифферен­циальным трансформаторам и нагрузкам, которые симметрично под­ключены к волновому сопротивлению, связанному с обычными и диф­ференциальными наводками. Обычно не следует заземлять обмотки этих трансформаторов со стороны кабелей; необходимость заземления внут­реннего оборудования зависит от его пространственного расположения. Конечно, для получения хороших параметров внешней оболочки тре­буется использовать наиболее толстый материал, имеющийся в про­даже и пригодный для использования, обладающий наивысшей про­ницаемостью.

Для идеализированного стойкого кабеля в однородных полях на-

водку можно подавить полностью. Однако практические соображения, такие, как размер, масса, гибкость и стоимость, могут привести к от­клонению от идеального случая. В следующем разделе рассмотрены способы улучшения эффективности экранирования гибких кабелей в оплетке.

Экранирование коаксиальных кабелей в оплетке. Как было по­казано при обсуждении наводки на коаксиальные кабели, поверх­ностный проходмой импеданс кабеля с плетеным внешним проводни­ком таков, что на низших частотах его эффективность экранирования не сильно отличается от эффективности экранирования кабеля со сплош­ным внешним проводником. Однако она быстро уменьшается с уве­личением частоты. Поэтому весьма важно уменьшить значение взаим­ной индуктивности, входящей в уравнение (4.30).

► Ряс. 4.25. Зависимость проходной вза­имной индуктивности от коэффициен­та оптической плотности и угла подъ­ема

Рис. 4.26. Продольная обертка с пе­рекрытием:

I — перекрывающаяся тонкая непрерьшпая металлическая пленка; 2 — сердцевина кабеля

_и ⁷⁰ so до юо

коэффициент оптической плот-

H0C!tlU,%

Для простого коаксиального кабеля это можно сделать, если изменить угол подъема оплетки (угол между направлением намотки и осью внутреннего проводника, измеренный от нормали к оси оплет­ки). Взаимная индуктивность имеет тенденцию уменьшаться, когда угол намотки увеличивается. Другой благоприятный фактор — уве­личение коэффициента оптической плотности*. Соотношение между взаимной индуктивностью и этим коэффициентом при разных углах намотки показано на рис. 4.25 fl8).

Низкочастотное проходное сопротивление, т. е. омическое сопро­тивление на единицу длины, можно уменьшить, если увеличить ко­личество меди в кабеле за счет увеличения либо размера провода, ли­бо числа проводов (при заданном размере).

Эффективность экранирования также можно улучшить, если ис­пользовать многослойную оплетку, как в кабеле RG9. С увеличением расстояния между оплетками эффективность экранирования растет. Желательно, как и ранее, иметь большой угол подъема оплетки и боль­шой коэффициент оптической плотности.

* Коэффициент оптической плотности равен отношению площади поверх­ности кабеля под оплеткой к полной площади поверхности кабеля. — Прим. пер.

J 27

При использовании сплошного экрана можно исключить любую связь между отверстиями, например связь, созданную радиальным электрическим полем. Такую связь через отверстия можно сильно уменьшить, если использовать металлизированные лавсановые пле­ночные обмотки, преимущественно намотанные внахлест (рис. 4.26). Обе стороны лавсановой пленки должны быть металлизированы так, чтобы проводящие поверхности соприкасались в области перекрытия. Сплошную металлическую оболочку с высокой проницаемостью пытались заменить гибкими спиральными обмотками из материалов с большой проницаемостью. Следует учесть, что в любой спиральной обмотке при воздействии на нее аксиального магнитного поля создает­ся ЭДС. Однако при специальной комбинации оплеток и спиральных

обмоток можно получить кабели с низким проходным импедан­сом для поверхностных токов. На рис. 4.27 сравнивают свойства коаксиального кабеля RG8, кабеля RG9 и специаль­ного кабеля, разработанного в Великобритании, который изго­товлен с использованием комби­наций методов увеличения стой­кости, приведенных ранее.

Частота, МГц,

Рис. 4.27. Срапнсние частотной зави­симости Z? для различных кабелей [11, 15]

Во многих случах связки (пучки) кабелей могут быть экра­нированы от действия поля с по­мощью трубопровода типа «мол­ния». Это патентованный трубо­провод из металлизированного пластика продольной конструк­ции.

На рис. 4.27 показаны типичные частотные зависимости проход­ного импеданса для гибких коаксиальных кабелей в оплетке. Эти ве­личины можно охарактеризовать в терминах эквивалентных сосредо­точенных параметров 1см. формулу (4.30)1, как показано в табл. 4.3, где даны значения сосредоточенных параметров для импеданса коак­сиальных кабелей в оплетке. В случае кабелей с однослойной оплет­кой эти характеристики очень точны. Однако для кабелей со многими оплетками, подобных RG9 и RG223, такое описание не является точ­ным.

Проходную проводимость коаксиальных кабелей можно охаракте­ризовать в терминах эквивалентной емкости. Величины этой емкости не были подробно измерены, но оказались около ДО^-8 пФ/.м для экра­нов с низкой оптической плотностью оплеток. Экраны с оплетками, обладающие высокой оптической плотностью, такие, как RG8, имеют примерно на порядок меньшие емкости.

Не было сделано надежных оценок наводки, созданной магнитным полем. Однако эквивалентную площадь для нее можно приближенно найти как проекцию кабеля на плоскость, перпендикулярную направ-128

лению поперечного магнитного поля, уменьшенную примерно в 5 или 10 раз. Далее эту площадь следует уменьшить в соответствии с эффек­тивностью экранирования оплеткой или цилиндрическим экраном; частотная зависимость этой эффективности показана на рис. 4.20 И 4.21.

Для разъемов типичные данные приведены в таол. 4.4. ^то разъемы специального назначения, созданные для ракетных систем. Их харак-Геристики можно считать типичными и для ДрУ^гих классов более доступных разъемов. Ноулес и Броссир [181 провели испытания на разъемах с многоходовой резьбой NA-S-1599. Проходной импеданс этих разъемов не был измерен непосредственно, н° можно заключить,

Таблица 4.3 Приближенные значения сосредоточенных параметров, характеризующих Z₇ для коаксиальных кабелей в оплетке [11, 15]

Таблица 4.4

My на проводник, Гн

на провод­ник, Ом

Проводник

3,3 . 23

5,7-10-* 2,5-10-* 1,610-* 1,1-10-" 5-Ю-"

Bundy NA-S-15863 Deutch 38068-10-5 Deutch 38068-18-31 Deutch 38068-22-55 Deutch 38068-14-7

Сосредоточенные параметры.^ характеризующие проходной импеданс для разъемов [16, 17]

Кабель	RT, мОм/м	мкГп/м
RG8A/U RG9A/U RG62B/U RG58 RG223	4,5 3.2 12 4.5	8,8-10-* 1,9-10-* 1,1 Ю-* 1.6-Ю-з 510-6

что он составлял порядка 10~³ Ом. Результаты испытании интересны, поскольку показали, что завинчивание разъемов врУ^чнУ^{ю не} улучшает эффективности экранирования. Некоторое уменьшение трудностей, связанных с вибрациями, наблюдалось при использовании фиксато­ров.

Проникновение токовых импульсов экспоненциальной формы в эк­ранированные кабели со сплошной оболочкой. Возникновение тока наводки на внешней оболочке длинных подземных кабелей было об­суждено в гл. 2. Здесь рассмотрено проникновение такого тока внутрь кабеля, экранированного трубчатой оболочкой со сплошной стенкой [191. Результаты даны в виде напряжения между серДНевиной и оболоч­кой. Это значение удваивается, если один коней кабеля закорочен. Предполагается, что длина волны основной составляющей в спектре наводки велика по сравнению с длиной кабеля; следовательно, этот результат нельзя использовать для экранированных кабелей в оплет­ке из проволоки или навитой ленты.

На рис. 4.28 дана зависимость толщины стенки экрана из различ­ных материалов от частоты, при которой эта толтича равна глубине скин-слоя. Для приведенных кривых считается, ^чт0 электрическая длина мала (т. е. длина волны в свободном простр^апстве значительно больше длины линии /). Зависимость постоянной времени рассеяния

5 See, 867 '^Э

от толщины стенки экрана, которая используется для выяснения раз­личных условий проникновения, представлена на рис. 4.29. Наиболее важными параметрами, характеризующими эти условия, являются: %_а =)ioT* — постоянная времени рассеяния экранированного кабе­ля (см. рис. 4.29); т — время спада экспоненциального или импульс­ного тока внешней оболочки; R₀ — (2пааТ)~¹ — сопротивление по постоянному току, приходящееся на 1 м экрана; а, а, (я и Г — радиус, проводимость, проницаемость и толщина стенки соответственно.

Длина волны в свободном пространстве, при котором г=&, м

(р

10'

ю

■о

10* 10^s

частота, при которой. Т^т6, Гц

Рис. 4.28. Частота, при которой толщина стенки экрана Т равна глубине скин-слоя для различ­ных металлов

Рис. 4.29. Зависимость по­стоянной времени рассеяния т₈ от толщины стенки для обычных экранирующих ма­териалов [19]

Напряжение разомкнутой цепи между сердцевиной и экраном пред­ставлено на рис. 4.30. Пиковые напряжения разомкнутой цепи равны

V т 5> т *
V-шнш» «5,9 (т/т.) v'i т «x_s; (4.40)

(iJlV₀, t~t_s,

где V₀ — падение напряжения по «постоянному» току, т. е. пиковый ток оболочки, умноженный на {/?„) (1/2).

100

- 10 f

100-

Дата добавления: 2015-05-07