Фізичні процеси в направляючих системах

Розповсюдження електромагнітної енергії по направляючих системах є єдиним процесом, що охоплює середовище розповсюдження (провідники жил, металеву поверхню порожнинних хвилеводів, ізоляцію жил або діелектрик, з якого виготовлені оптичні волокна світловодів). Для направляючих систем, в яких використовується провідники розглянемо окремо процеси, що відбуваються в провіднику та діелектрику. Частина електромагнітної енергії, що проходить уздовж кабельного кола, поглинається струмопровідними жилами і розсіюється у вигляді теплових втрат на вихрові струм, викликаючи загасання в металі. Це явище враховується двома первинними параметрами передачі кола: активним опором R та індуктивністю L. В ізоляції, що знаходиться у змінному електромагнітному полі, відбувається явище поляризації, виникають діелектричні втрати, що обумовлює загасання в діелектрику. Ці явища характеризуються другою парою первинних параметрів передачі кола: ємністю С і провідністю ізоляції G. Розповсюдження електромагнітної енергії по кабельним колам, так як і всі електромагнітні процеси (випромінювання, поглинання, розповсюдження у вільному просторі), підпорядковуються основним законам електромагнітного поля, математично вираженими рівняннями Максвела.

Під дією змінного поля відбувається перерозподіл електромагнітної енергії по перетину жили; при цьому мають місця наступні явища: поверхневий ефект, ефект близькості і впливу на параметри кола (сусідніх струмоведучих жил, екрану, броні). Ці явища викликають зміну електромагнітного поля і параметрів кіл. Активний опір R і ємність С збільшуються, а індуктивність L зменшується.

Поверхневий ефект обумовлений дією електромагнітної хвилі, що розповсюджується вздовж струмоведучих жил. Силові лінії внутрішнього магнітного поля Н перетинають товщу жили, наводять в ній вихрові струми Івт, що спрямовані за законом Ленца, тобто проти обертання буравчика при його поступальному русі (напрям Н). Вихрові струми в центрі жили мають напрям, зворотний до напряму основного струму в провіднику, а на периферії їх напрямки співпадають.

В результаті взаємодії вихрових струмів з основним відбувається такий перерозподіл струму по перетину жили, при якому щільність струму зростає від центру провідника до його поверхні. Це явище носить назву поверхневий ефект. Він зростає з зростанням частоти струму, магнітною проникністю, провідності і діаметру жили. При достатньо високій частоті струм протікає лише по поверхні провідника, що викликає збільшення його активного опору.

Коефіцієнт вихрових струмів: Де: колова частота, магнітна проникність, провідність матеріалу жили

Еквівалента глибина проникнення: (з зростанням частоти різко зменшується)

Ефект близькості виникає за рахунок взаємодії зовнішніх полів. Як видно з наведеного малюнку, зовнішнє магнітне поле (утворене струмом у лівому провіднику пари жил) перетинає товщу правого провідника, наводить в ньому вихрові струми. На поверхні правого провідника, що наближена до лівого провідника, вихрові струми будуть співпадати з основним струмом, що протікає по правому провіднику. А на протилежній поверхні цього ж провідника вихрові струму спрямовані зустрічно з основним струмом. Такий самий перерозподіл щільності струму буде і в лівому провіднику. Тобто буде мати місце зростання величини струму на поверхнях двох провідників, що наближені один до одного. Це явище носить назву ефекту близькості. За рахунок його дії збільшується активний опір провідника. Характер зміни щільності струму на поверхнях двох наближених один до одного провідників залежить від напряму струму в цих провідниках, що показано на наступному малюнку

Ефект наближення до металевих мас відбувається за рахунок відбиття від них електромагнітного поля, яке буде впливати на параметри кіл. Магнітне поле, що створюється струмом, що протікає по жилам кола, наводить вихрові струми в металевих частинах конструкції кабелю (металеві провідники жил сусідніх пар, екрани, броня). Вихрові струми нагрівають ці елементи і в них відбуваються додаткові теплові втрати енергії, тобто як би відбувається «відсмоктування» частини енергії, що передається по направляючий системі. Окрім того, вихрові струми створюють поле зворотної дії, яке впливає на провідники кола і змінює їх параметри.

Процеси в діелектрику.

В ізоляції на відміну від провідників практично відсутні вільні електрони, іони зв’язані диполями і майже не діє струм провідності. Під дією змінного електромагнітного поля в ізоляції відбувається зміщення диполів, їх переорієнтація і поляризація. Поляризацією називається зміщення додатних та від’ємних зарядів в ізоляції під дією електричного поля. Змінні поляризація обумовлена виникненням і дією струмів зміщення (ємнісних струмів) Ізм і викликає витрати енергії на переорієнтацію диполів (втрати в ізоляційному матеріалі - діелектрику). Чим вище частота коливань, тим сильніше струми зміщення і більші втрати. Явища в діелектрику повністю характеризуються двома первинними параметрами: ємністю С і провідністю ізоляції G.

Конструктивні, технічні особливості, призначення та марки кабелів зв’язку.

Базова марка кабелю	Тип кабелю, призначення, розміри елементів, ємність, діапазон частот	Рисунок конструкції кабелю	Можливі типи кабелів
ТПП	Симетричний низькочастотний міський телефонний кабель, з мідними жилами діаметром 0,32: 0,4: 0,5: 0,7 мм, з поліетиленовою ізоляцією жил, з парною та зірковою скруткою		Від ТПП 10х2, 5х4 до 2400х2 Повивна або пучкова будова сердечника кабелю ТПП, ТППБ, ТППБГ, ТППБШп, ТППэп, ТППт, ТПВ, ТПВБ
МКС	Симетричний високочастотний кабель для магістрального зв’язку (4х4), але може використовуватись для ущільнення з’єднувальних ліній міського зв’язку (7х4). Жили – мідь 1,2мм, ізоляцію кордельно-стірофлексна (кордель-0,8мм, плівка полістрирольна –0,05 мм) в основному максимальна частота до 552 кГц.		МКСС, МКСГ, МКСА, МКСБ, МКСК, МКСАШп, МКСАБпШп, МКСАКпШп, МКССШп Ємність кабелю МКСС 1х4х1,2, МКСС 4х4х1,2, МКСС 7х4х1,2,
ЗКП	Симетричний високочастотний кабель для зонового зв’язку, жили – мідь –1,2 мм, ізоляція – поліетилен, радіальна товщина 1,1мм, в основному максимальна робоча частота – 252 кГц		ЗКП, ЗКПАШп, ЗКПБ, ЗКПК, ЗКВ, ЗКВБ, ЗКВК, ЗКПАБп, ЗКПАКпШп, Ємність кабелю 1х4х1,2
КСП	Симетричний високочастотний кабель сільського телефонного зв’язку, жили – мідь 1,2 або 0,9 мм, ізоляція з поліетилену 0,8 (0,7) мм. Максимальна робоча частота 552 кГц (можлива до 1Мгц)		КСПП, КСППК, КСППБ, КСППт, КСППБт, КСПЗП Ємність кабелю 1х4х1,2 (0,9) 2х4х1,2 (0,9)
КМ-4	Магістральний коаксіальний кабель (середнього типу) для магістрального зв’язку та передачі телефонних та телевізійних каналів, внутр.пров – мідь 2,6 мм, зовн. пров- мідь – 9,5мм, ізоляція - поліетиленові шайби, максимальна частота до 60мГц.		КМГ-4, КМБ-4, КМК-4, КМЭ-4, КМА-4   Ємність кабелю 4 коаксіальних пари 2,6/9,5
МКТ-4	Малогабаритний коаксіальний кабель для організації магістралей телефонного зв’язку обмеженої дальності, рокадні лінії між магістралями, зоновий зв’язок. Вн.пров- мідь 1,2мм, зовн.пров – мідь 4,6 мм, ізоляція - поліетиленова трубчасто-балонна. Максимальна робоча частота до 13 00 кГц (можл до 34мГц).		МКТС-4, МКТСБ-4, МКТСК-4, МКТАШп-4, МКТАБп-4,   Ємність кабелю 4 малогабаритні коаксіальні пари 1,2/4,6
ВКПА-1	Однокоаксіальний кабель для організації зонового зв’язку, внутрішній провідник, мідь –2,1мм, зовнішній, алюміній – 9,7мм, ізоляція – пористий поліетилен, максимальна робоча частота до 1320 (можлива - 4584 кГц)		ВКПАШп, ВКПАШпт, ВКПАКпШп Приклад маркування ВКПАШп-2,1/9,7 Або ВКПАШп-1

1. Природа взаємних електромагнітних впливів та параметри впливів між симетричними ланцюгами

Взаємні впливи

Розглянемо вплив між симетричними колами кабелю на прикладі двох кіл, поперечний переріз яких показаний на рисунку 5.1 та 5.2. Припустимо, що по колу, яке утворене провідниками 1-2 протікає змінний струм. Під дією цього струму довкола провідників 1-2 утворюється змінне електромагнітне поле, що має дві складові – електричне та магнітне поле. Під дією електричного поля кола 1-2 на жилах 3-4 утворюється електричні заряди, які завдяки різним віддалям між провідниками не будуть однаковими. Індуковані заряди утворюють між жилами 3-4 різницю потенціалів, під дією якої буде протікати в колі 3-4 струм І₂. Наведений струм досягає приймача, що включений в кінці кола і створює заважаючий вплив. Вплив обумовлений дією електричного поля, називають електричним впливом.

Одночасно з електричним впливом між колами діє і магнітний вплив. При проходженні змінного струму в колі 1-2 довкола нього утворюється змінне магнітне поле, в якому розташовані жили кола 3-4. В результаті магнітної індукції в жилах 3 та 4 наводиться ЕРС, яка і утворює струм колі 3-4. Цей струм,, досягаючи приймача, що включений в кінці кола і створює заважаючу дію. Вплив, обумовлений дією магнітного поля, називають магнітним впливом.

З зростанням частоти буде швидше змінюватись електричні та магнітні поля і тим більше буде значення наведених ЕРС і струмів у сусідніх колах.

Коло, що є джерелом електромагнітного поля, називається колом, що впливає, а коло, в якому виникають струми та напруги завад – колом на яке відбувається вплив.

Первинні параметри впливу.

Електричний зв'язок на ділянці (рис 4.2) позначається

К₁₂ = g₁₂ +jωC₁₂

Де: g₁₂ – активна складова електричного зв’язку (См/км), C₁₂ – ємнісний зв'язок (Ф/км)

Магнітний зв'язок визначається:

М₁₂ = r₁₂ + jωm₁₂

Де: r₁₂ – активна складова магнітного зв’язку (Ом/км)

m₁₂ – індуктивний зв'язок (Гн/км)

З наведених виразів випливає, що електричний зв'язок має розмірність См/км, а магнітний зв'язок – Ом/км.

Величини g, C, r, m називають первинними параметрами впливу.

Ємнісний зв'язок між колами однієї четвірки визначається величинами часткових ємностей між жилами 1 та 2 першого кола та жилами 3 та 4 другого кола, як це показано на рисунку 4.3. Часткові ємності С13, С23, С14, С24 утворюють мостову схему, де коло 1-2 є колом, що впливає, а коло 3-4 – це коло на яке відбувається вплив. Якщо С13+С24=С14+С23, то міст знаходиться у врівноваженому стані і ємнісний вплив між цими колами буде відсутній. Якщо ж за рахунок змін в діелектрику ізоляції по довжині лінії (діелектрична проникність, товщина) а також відстань між провідниками та їх взаємного розташування, не буде досягнута рівність, то буде існувати ємнісний зв'язок, величину якого визначається:

К = (С13-С24)-(С14-С23)

Активна складова електричного зв’язку обумовлена асиметрією втрат енергії в діелектрику, що охоплює жили кабелю.

g = (g13+g24)-(g14+g23)

Індуктивний зв'язок m і активна складова магнітного зв’язку r також можуть бути представлені мостом часткових взаємних індуктивностей m14, m23, m13, m24 і опорами r14, r23, r13, r24 (схема 4.3б)

Коефіцієнт індуктивного зв’язку характеризує асиметрію мосту і визначається

m = (m13+m24)-(m14-m23)

Активна складова магнітного зв’язку r обумовлена асиметрією втрат на вихрові струми у сусідніх жилах, екрані, оболонці з-за несиметричного розташування жил кола відносно інших кіл і оболонки, а також відмінністю діаметру жил:

r = (r13+r24)-(r14+r23)

Таким чином, активна складова магнітного зв’язку обумовлена асиметрією втрат на вихрові струми в металі, а активна складова електричного зв’язку – асиметрією втрат в діелектрику.

Співвідношення між електричними і магнітними зв’язками, їх активними і реактивними складовими залежіть від типу кола, діапазону частот та інших факторів. В області низьких частот (нижче 10 кГц) визначальними є ємнісні зв’язки. На високих частотах (вище 100 кГц) вплив між колами обумовлюється як ємнісними так і магнітними складовими. При чому між магнітними і ємнісними зв’язками в кабелі існує приблизне співвідношення:

m12/C12 ≈ Z²_хв де: m12-, С12- магнітний та ємнісний зв'язок на ділянці між колами 1 та 2.

Струми завад у другому колі на ближньому кінці за рахунок електричних зв’язків (К₁₂) та магнітних зв’язків (М₁₂) складаються, а на дальньому віднімаються (рисунок 5,7)

Результуючі електромагнітні зв’язки на ближньому (N₁₂) та дальньому кінці (F₁₂) визначаються за формулами:

N₁₂ = K₁₂Z_хв + M₁₂/Z_хв = (g +jωk)Z_хв + (r + jωm)/Z_хв

F₁₂ = K₁₂Z_хв - M₁₂/Z_хв = (g +jωk)Z_хв - (r + jωm)/Z_хв

Вторинні параметри впливу

Електромагнітний вплив між колами прийнято визначати величиною перехідних загасань. За теорією прийнято кінець лінії в колі, що впливає, на якому включений генератор (джерело сигналу) називати ближнім кінцем. Протилежний кінець лінії прийнято називати дальнім кінцем.

Відповідно розглядають два види впливу: на ближньому та дальньому кінцях.

Перехідне затухання по потужності на ближньому кінці А₀ та дальньому кінці А_l визначаються в дБ:

Де Р потужності сигналів та завад в точках, що вказані на схемі.

Якщо використати, що P= U²/Z, то можна визначити перехідні затухання через напруги

Якщо виразити через рівні по потужності та напрузі, які дорівнюють:

Р_п=10lg(P_x/P₀) P_H=20lg(U_x/U₀) де Р₀=1мВА (мВт) U₀ = 0.775B (абсолютні значення при нульовому рівні)

Тоді:

А₀ = Р_{п 10} – Р_{п 20} А_l = Р_{п 10} – Р_{п 2l}

А₀ = Р_{Н 10} – Р_{Н 20} - А_l = Р_{Н 10} – Р_{Н 2l} -

Якщо Z_в1=Z_в2 тоді:

А₀ = Р_{Н 10} – Р_{Н 20} А_l = Р_{Н 10} – Р_{Н 2l}

Для забезпечення доброї якості передачі сигналів необхідно, щоб рівень сигналу у точці його прийому набагато був більшим за рівень завад. Параметр, який характеризує завадостійкість називають захищеністю.

A₃=10 lg (P_c/P₃) = P_п.с - Р_п.з

З малюнку 4,5 (для однакового напряму передачі сигналів) коли

Р_С2l = P₂₀ – α₂l, P_зl = P₁₀ – A_{l 12}

Захищеність на дальньому кінці:

А_{з l 12} = P₂₀ – P₁₀ – αl + A_{l 12}

А так як Р₂₀=Р₁₀ і α₁ = α ₂ = α

Тоді:

А_{з l 12} = A_{l 12} - αl

Захищеність на ближньому кінці визначається таким самим чином

А_{з 0 12} = A_{0 12} – αl

Параметри А₀, А_l, А_з називають вторинними параметрами впливу.

для ВЧ кіл високочастотних симетричних кабелів нормуються:

Захищеність на довжині підсилювальної ділянки, дБ 73,8 (допускається 10% значеня 71 дБ)

Перехідне загасання на дальньому кінці, дБ. 73,8+ ?l

Перехідне загасання на ближньому кінці для двокабельної системи, дБ.... 60,8

Перехідне загасання на ближньому кінці при однокабельній системі, дБ.........73,8

5. Порожнинні металеві хвилеводи круглого перерізу. Структура поля основних типів хвиль, характеристика загасання.

Хвилевод – це засіб зосередження електромагнітної енергії в певному просторі (обмеженому фізичними розмірами направляючої системи) і передачі її в певному напряму. Хвилеводи мають різну будову. До них можна віднести хвилеводи порожнинні, в яких ЕМ хвиля розповсюджується у порожнині (повітря), що знаходиться всередині металевої конструкції прямокутного чи круглого перетину або у вигляді спіралі (спіральні хвилеводи). Окрім того можливо розповсюдження ЕМ хвиль і стержньовому діелектрику (діелектричні хвилеводи – мало використовуються). Найбільш поширеним з хвилеводів є світловод чи оптичне волокно. Але розглянемо більш докладно порожниний хвилевод. По такому хвилеводу ЕМ хвиля розповсюджується як у атмосфері, але має чітко визначений напрям і обмежена по частоті. В конструктивному відношенні хвилевод відрізняється від коаксіального кабелю лише тим, що у хвилеводу відсутній центральний провідник. При збудженні в коаксіальному великих струмів зміщення (а це має місце на високих частотах коли λ<D) внутрішній провідник стає непотрібним і енергія розповсюджується по законам хвиле водної передачі. Розглядається хвиля як серія плоских хвиль. На високих частотах кут (а) падіння-відбиття максимально великий (прямує до 90⁰) кількість відбиттів мінімальна. А при відбитті, коли хвиля торкається стінок хвилеводу і в них відбуваються втрати енергії. При зменшенні частоти (зростанні λ) цей кут зменшується, кількість відбиттів зростає (б), розповсюдження відбувається за менший час, зменшуються поздовжні електричні та магнітної складові поля. При дуже низький частоті наступає такий режим, при якому θ =0. У хвилеводі встановлюється режим стоячих хвиль і енергія вздовж хвилеводу не переміщається (в). Частота та довжина хвилі при яких наступає режим стоячої хвилі називають критичною частотою f₀ та критичною довжиною хвилі λ.₀ =с/f₀ Ці два параметри зв’язані з конструкцією хвилеводу. З рисунку (трикутник АВС) можна отримати: cosθ = λ/D. Зі збільшенням кута θ довжина хвилі зменшується від λ=D (при θ=0) до λ=0 (при θ=90⁰), при чому при θ = 0 cosθ = λ/D=1 тобто довжина хвилі дорівнює діаметру хвилеводу λ₀ = D f₀= C/D

Більш точніше для широкого класу хвиль це співвідношення може бути записано:

cosθ = λ p_nm/(πD) для циліндричних хвилеводів

cosθ = λ n/(2a) для прямокутних хвилеводів

Де: D – діаметр хвилеводу; а – ширина хвилеводу; p_nm –корені циліндричних функцій, що мають значення від 1,5-3 для різних видів хвиль; n – порядок хвилі (цілі числа)

Тоді критичні значення f₀ та λ₀ будуть:

λ₀ = π D/p_nm f₀ = cp_nm/(πD) для циліндричних хвилеводів

λ₀ = 2a/n f₀ = cn/(2a) для прямокутних хвилеводів.

Таким чином критична довжина хвилі (θ = 0) відповідає діаметру циліндричного хвилеводу та подвійній ширині стінки прямокутного хвилеводу.

Затухання в хвилеводах представлено на графіку.

Затухання в хвилеводі обумовлено втратами енергії в стінках хвилеводу, відбиттям хвиль від стінок хвилеводу. Чим більше буде кількість відбиттів тим більше буде затухання. В зоні 1 при частотах нижче критичної хвилевод буде аналогом фільтру високих частот і не пропускає енергії. По мірі зростання частоти зменшується кількість відбиттів від стінок хвилеводу, скорочується довжина зигзагоподібної лінії і внаслідок чого затухання зменшується (зона 2). При переході до частот набагато вищих (зона 3) кількість відбиттів зменшується, зигзагоподібна лінія прямує до прямої лінії, але тут починають домінувати втрати в металічних стінках хвилеводу, які пропорційні . Між зонами 2 та 3 буде існувати частотний проміжок, в якому будуть мінімальні втрати.

Дата добавления: 2015-05-26