Типы коаксиальных кабелей
Выбор типа кабеля для конкретного проекта сети основывается на оценке преимуществ от его использования с точки зрения всех его качественных характеристик. Перечислим те критерии, которыми должен руководствоваться разработчик кабельной сети при выборе кабеля:
- механические характеристики;
- электрические характеристики;
- стабильность параметров;
- стоимость.
Механические характеристики кабеля связаны с его структурой, конструктивными особенностями и определяют такие важнейшие его качества как гибкость, прочность и долговечность. Электрические характеристики также зависят от механической структуры кабеля и материалов, использованных при его изготовлении, и определяют качество передачи сигнала в системе. К электрическим характеристикам относится множество параметров, среди которых сопротивление проводников кабеля, затухание сигнала в кабеле, степень экранирования и другие.
Механические и электрические характеристики составляют технические характеристики кабеля. Немаловажное значение для выбора кабеля имеет и его стоимость. Стоимость строительства сети из качественного кабеля будет выше, но обычно увеличение стоимости строительства оправдано и даже необходимо для того, чтобы затраты на последующую в процессе эксплуатации замену поврежденных участков проводки не оказались слишком высоки и обременительны. Повреждение кабеля может быть как чисто механическим, возникшим вследствие неправильного обращения с ним (разрыв, изгиб, деформация), так и появившимся вследствие естественного старения и ухудшения характеристик (под действием климатических условий). В том и другом случае потребуется замена кабеля, поэтому затраты на строительство следует соизмерять с возможными будущими затратами на ремонт и техническое обслуживание сети. Более дорогие кабели обычно имеют более высокую прочность и длительную стабильность параметров, хотя это не является гарантированным правилом. Техническое обслуживание является серьезнейшей статьей расхода для оператора сети. Согласно статистическим данным на абонентских отводах производится около 70 % ремонтных работ в кабельных сетях. В целом выбор кабеля делается на основе компромисса между его стоимостью и техническими характеристиками. Найти оптимальное соотношение того и другого при соблюдении требований технического задания является целью разработчика.
Технические характеристики кабелей должны соответствовать общепринятым стандартам. Существует несколько стандартов качества кабельной продукции. Стандарт ISO 9001 устанавливает нормы на все технические характеристики кабеля. Кроме этого, кабели должны быть протестированы на соответствие экологическим стандартам, таким как европейские стандарты пожаробезопасности IEC 332-1, IEC 332-3 и IEC 754-1, определяющим огнестойкость кабеля, нормы выделения дыма и токсичных газов при возгорании. Фирма-производитель в процессе производства должна тщательно тестировать кабель на соответствие всем этим стандартам. Среди наиболее известных фирм, специализирующихся на изготовлении кабельной продукции можно назвать Cavel, Commscope, Belden, TVBS. Разнообразие марок кабеля очень велико и каждый производитель имеет собственную систему обозначений выпускаемых серий кабеля (CATV 11, RG-6, SAT 703, 27/115 FC, F660BV, F1160BVM и многие другие).
Совокупность механических и электрических характеристик относит данный кабель к какому-либо типу. Тип кабеля не устанавливает строго фиксированные значения его механических и электрических характеристик, но предполагает, что они находятся в допустимых, соответствующих данному типу границах. Кабель одного и того же типа от разных производителей может иметь несколько различающиеся характеристики. Тип кабеля, как правило, однозначно определяет только его размер, который зависит от диаметра внешнего проводника. Размер кабель кабеля измеряется по наружному диаметру внешнего проводника без защитных кожухов и армирующих элементов. Тип кабеля характеризует в целом его назначение или рекомендуемую область применения, т.е. показывает, для какого иерархического уровня системы он предназначен — транспортного, магистрального, домового или абонентского. В соответствии с этим коаксиальные кабели можно классифицировать по следующим типам:
- магистральные (транковые);
- распределительные (домовые);
- абонентские.
Магистральный кабель играет важнейшую роль в передаче сигнала на большие расстояния. Само название говорит, что кабель этого типа используется для строительства участков магистральной линии. Магистральный кабель должен обладать улучшенными техническими характеристиками. Конструкция магистрального кабеля должна обеспечивать практически полную гидроизоляцию, что особенно важно при прокладке подземных магистралей. Эти качества должны совмещаться с высокой механической прочностью и защищенностью от повреждений. Существует множество марок магистрального кабеля с различными обозначениями. Наиболее удобна стандартная номенклатура кабелей, в которой номер серии соответствует размеру (диаметру внешнего проводника) кабеля в дюймах от 0,412 до 1 дюйма. Заметим, что полный размер кабеля будет несколько больше, так как он измеряется по диаметру внешней оболочки. Например, кабель серии 500 имеет внешний проводник диаметра 0,5 дюйма (около 1,27 см), а диаметр его оболочки составляет 0,56 дюйма (около 1,42 см). Для магистральных кабелей действует следующее правило: чем выше номер серии, тем больше размер кабеля и, следовательно, тем меньше потери в нем. Наиболее часто используются серии 500, 565, 625, 750. Кабели большего размера применяются редко. Кроме размера и веса серии могут различаться типом диэлектрика и наличием дополнительных конструктивных элементов — различных экранов, защитных покрытий и несущих тросов для прокладки подвесных магистралей. При этом гибкость кабеля ухудшается, но как раз этот параметр не слишком важен для магистральных кабелей, так как магистральная линия обычно строится по прямой или, во всяком случае, без сильных изгибов. Для магистрального кабеля гораздо более существенны надежность и стабильность электрических характеристик, гарантирующая высокое качество передачи.
Ранее для создания транспортных линий передачи также применялся толстый коаксиальный кабель диаметром более 1 дюйма. В настоящее время на транспортном уровне коаксиальный кабель уже практически не применяется, а вместо него используется оптическое волокно с гораздо лучшими показателями скорости передачи, качества передачи и экономичности. Низкие потери в оптическом волокне позволяют отказаться от усилителей в транспортных линиях и еще более повысить тем самым качество передачи. Однако, система небольшого масштаба может и вовсе не иметь транспортного уровня. На других уровнях — магистральном уровне и уровне домовых и абонентских ответвлений -коаксиальные кабели по-прежнему широко применяются, и будут применяться, вероятно, еще довольно долго.
Среди электрических характеристик наиболее существенными являются низкие потери передачи на высоких частотах, высокая степень экранирования и хорошая электропроводимость по току питания. Если требуется повысить коэффициент экранирования, применяется трехкратное (tri-shield) или четырехкратное (quad-shield) экранирование в виде дополнительных металлических оплеток. Пример магистрального кабеля приведен на рис. 8.2. Здесь показана структура магистрального кабеля для подземной прокладки, в которой применен специальный силиконовый компаунд, предотвращающий коррозию при повреждении внешней изоляции. Кабель для прокладки подвесных линий может иметь вспененный диэлектрик или, реже, воздушный, а в случае прокладки в грунт, где кабель более подвержен проникновению влаги, применяется вспененный диэлектрик. Кабели с твердым диэлектриком не применяются на магистралях из-за высоких потерь передачи. В настоящее время кабели ячеистой структуры «бамбук» с воздухом в качестве диэлектрика практически полностью вытеснены кабелем с вспененным диэлектриком. Большую популярность получили магистральные кабели с цельнотянутым внешним алюминиевым проводником и алюминиевым, плакированным медью, центральным проводником. Заметим, однако, что ведущие операторы крупных систем кабельного телевидения в Европе все-таки чаще используют на магистрали более качественные медные кабели, несмотря на их высокую стоимость. Для России такой выбор также актуален в связи со сложными климатическими условиями.
Распределительные кабели применяются для создания магистральных ответвлений, через которые сигнал подается от магистрали на домовые распределительные сети, а также кабели разводки внутри домовой распределительной сети по стояковым ветвям. Магистральные ответвления обычно строятся на основе коаксиального кабеля серии RG-11, в домовые распределительные сети строятся на основе коаксиального кабеля серии RG-6 или RG-11. Эти кабели имеют разные качественные показатели и конструктивные особенности. Серия кабеля строго не определяет, на каком участке распределительной сети он должен использоваться. Разработчик сам делает этот выбор исходя из стоимости строительства. Кабели каждой серии лишь рекомендуются как наиболее подходящие для строительства того или иного участка сети. Распределительные кабели должны иметь хорошую гибкость для возможности прокладки внутри зданий, а также высокую стабильность параметров, в частности коэффициента экранирования. Учитывая, что для создания гибкой структуры кабеля, невозможно использовать жесткий внешний проводник здесь часто применяется лента из полистирола, покрытая с двух сторон алюминием. Такой проводник обеспечивает хорошую эластичность, но плохое экранирование, поэтому в качестве дополнительного экрана поверх проводника накладывают оплетку из стальной или алюминиевой проволоки. Как и в магистральных кабелях, для обеспечения низкого затухания сигнала диэлектрик изготавливается из физически вспененного полимера. На рис. 8.2 приведены примеры распределительных кабелей. Здесь показан кабель RG-6 с алюминиевым экраном, состоящим из комбинации алюминиевой фольги с оплеткой, и внешней оболочкой из PVC, а также кабель для прокладки подвесных ответвлений магистрали RG-11 с собственным несущим тросом, центральным алюминиевым проводником с медным покрытием и экраном из алюминиевой фольги с оплеткой, которую окружает PVC оболочка.
Абонентские кабели применяются для создания отводов от стояковых фидерных ветвей домовой сети, заканчивающихся терминальными точками в квартирах абонентов. Кабели абонентских отводов должны быть еще более гибкими, так как на этом уровне сети часто бывает необходимо обходить множество резких поворотов и углов помещений. По этой причине внешний проводник обычно выполняется в виде гибкой проволочной оплетки или тонкой металлической фольги. Для абонентских отводов, как правило, используется кабель серии RG-59. Кабель серии RG-6 может применяться на домовом и на абонентском уровне. Существуют также абонентские кабели для структурированных кабельных систем, которые совмещены с телефонными проводами, что значительно снижает стоимость монтажа при совместной проводке сети кабельного телевидения и телефонной сети. Для обеспечения высокого качества передачи в абонентских точках сети проектированию абонентского отвода следует уделять особое внимание. Например, нужно учитывать, что в обратном канале на абонентских отводах возникает от 70% до 90 %-шума, в зависимости от уровня электромагнитных помех в месте прокладки кабеля. Следовательно, на первый план здесь выходит коэффициент экранирования. Другой проблемой абонентских кабелей является ухудшение их электрических характеристик вследствие чрезмерного натяжения при монтаже. Для предотвращения этого явления внутренний проводник изготавливается из высокопрочного металлического провода, имеющего повышенную сопротивляемость к растяжению, который надежно скреплен со слоем диэлектрика.
На любом уровне сети можно использовать кабель более качественной серии (это зависит только от финансовых возможностей), но не наоборот. Например, категорически нельзя использовать кабель RG-59 для прокладки магистральных ответвлений, поскольку это сведет показатели качества обслуживания на недопустимо низкий уровень. Но, в то же время, никто не запрещает использовать кабель RG-6 для прокладки абонентских отводов, хотя это и нецелесообразно с точки зрения стоимости. Поскольку в финансовом отношении разработчик всегда находится в жестких рамках выделяемой на строительство суммы, его задача при выборе кабеля состоит в минимизации общей стоимости кабеля. При этом используется следующий подход. Сначала выбирается кабель той минимальной серии, которую можно использовать на данном участке сети, а если затем в ходе расчетов выясняется, что при использовании кабеля с такими характеристиками показатели сети неудовлетворительны, выбирается более дорогой кабель и расчет повторяется.
Источник
Тип магистрального коаксиального кабеля
Известны также конструкции микрокоаксиальных кабелей, которые содержат 4, 7, 19 и более тонких коаксиальных пар (0,7/2,9) и используются для организации 300 аналоговых каналов до 1,3 МГц или 30—120 цифровых каналов в диапазонах 2. 8,5 Мбит/с. Микрокабели предназначены для городской и пригородной связи.
Большие коаксиальные пары представляют собой, как правило, одну пару большого размера (7/27 11/40 и др.). Они используются по двухкабельной системе и предназначаются для организации большого числа каналов на главных направлениях связи. Кабели предполагается использовать для систем передачи на 50000 или 100000 телефонных каналов в диапазоне 300 и 600 МГц соответственно.
Подводные коаксиальные кабели предназначены для устройства связи через моря и океаны. Кабели, как правило, имеют однокоаксиальную конструкцию большого размера—5/18; 8,4/25,4 и др. и рассчитаны на передачу по 48, 60, 120, 300 и 2700 и больше каналов связи.Рассмотрим более подробно коаксиальные кабели среднего типа (2,6/9,5 мм), малогабаритные кабели (1,2/4,6 мм), а также комбинированные коаксиальные кабели (2,6/9,5 и 1,2/4,6 мм).
Магистральный коаксиальный кабель КМ-4 типа 2,6/9,5 содержит четыре коаксиальные пары и пять звездных четверок (рис.7). Каждая коаксиальная пара состоит из внутреннего медного проводника диаметром 2,6 мм и внешнего проводника в виде медной трубки диаметром 9,5 мм с одним продольным швом. Коаксиальная пара имеет изоляцию из полиэтиленовых шайб толщиной 2,2 мм с расстоянием между ними 25 мм. Поверх внешнего проводника расположен дополнительный экран в виде двух мягких стальных лент толщиной 0,15. 0,2 мм, который покрывается одним-двумя; слоями кабельной бумаги. Кабель имеет свинцовую оболочку и обычные броневые покровы и маркируется КМБ, КМГ, КМК. Кабель типа 2,6/9,4 используется в основном по однокабельной системе.
По кабелю КМ-4 можно организовать две системы К-1920 с расстоянием между усилителями 6 км или две системы К-3600 или К-5400 с расстоянием между усилителями 3 км. Возможно также применение цифровых систем передачи ИКМ-480 и ИКМ-1920.
Расстояние между усилительными пунктами равно 6 км при передаче в диапазоне до 8,5 МГц и 3 км при передаче до 18МГц. Усилительные пункты получают электропитание дистанционно от обслуживаемых пунктов, расположенных через 120. 240 км на кабельной магистрали. Аппаратура дает усиление до 48,4 дБ. Максимальная дальность связи 12 500 км. Основные электрические характеристики коаксиальной пары 2,6/9,4; номинальное волновое сопротивление — 75 Ом; переходное затухание =122 дБ при частоте 300 кГц; коэффициент затухания а на частоте 1 МГц равен 2,48 дБ/км; испытательное напряжение u=3,7 кВ постоянного тока.
Рис.7. Коаксиальный кабель типа КМ-4:
а—поперечный разрез: 1—свинцовая оболочка; 2—поясная изоляция; 3—бронепроволока; 4—наружный покров (джут); 5—подушка; 6—две бронеленты;
б—коаксиальная пара 2,6/9,5; 1—внутренний проводник; 2—шайба; 3—внешний проводник; 4 — экран; 5 — бумажные ленты
Коаксиальные кабели в алюминиевых оболочках КМА-4 и КМЭ-4 отличаются от кабелей КМ-4 только типом оболочки. В кабелях КМА-4 применяется алюминиевая оболочка толщиной 1,5 мм, а в кабелях КМЭ-4—комбинированная двойная оболочка, состоящая из алюминиевой толщиной 1 мм и свинцовой толщиной 1,3 мм, наложенной непосредственно поверх алюминиевой оболочки. Эти кабели имеют повышенные экранирующие свойства и предназначены для прокладки в районах высокой грозодеятельности и на участках сближения с ЛЭП эл. ж. д. Коэффициент защитного действия этих кабелей составляет 0,1. . 0,14 мм.
Малогабаритные коаксиальные кабели 1,2/4,6 предназначены для строительства кабельных магистралей ограниченной протяженности, рокадных линий между магистралями, устройства глубоких вводов радиорелейных линий и обеспечения областных связей. Достоинствами этих кабелей являются простота конструкции, дешевизна и технологичность их изготовления.Наибольшее применение получил четырехкоаксиальный малогабаритный кабель. Он может изготавливаться в свинцовой (МКТС-4) и алюминиевой (МКТА-4) оболочках. Сердечник кабеля во всех случаях идентичный.
На рис.8 показан малогабаритный кабель типа МКТС-4. Внутренний проводник этого кабеля—медный, диаметром 1,2 мм. Изоляция—воздушно-полиэтиленовая, баллонного типа. Внешний проводник—медный, с продольным швом, толщиной 0,1 мм. Экран—из двух стальных лент толщиной по 0,1 мм. Четыре коаксиальные пары скручивают вместе с пятью сигнальными парами диаметром 0,5 мм и покрывают поясной изоляцией. Снаружи располагаются свинцовая оболочка и соответствующий броневой покров. Строительная длина 500 м. Волновое сопротивление кабеля 75 Ом. Коэффициент затухания на частоте 1 МГц равен 5,33 дБ/км.
Рис.8. Малогабаритный коаксиальный кабель МКТС-4 — поперечный разрез.
1—свинцовая оболочка; 2—поясная изоляция; 3—бронепроволока; 4—подушка; 5 — две бронеленты;
Переходное затухание на ближнем и дальнем концах строительной длины на частоте 60 кГц не менее 104 дБ. Электрическая прочность изоляции переменному току 2000 В. Кабель МКТ-4 применяется для 300-канальной системы высокочастотной связи (К-300) в диапазоне 60. 1300 кГц. Система питания—дистанционная. Необслуживаемые пункты устанавливаются через 6 км, обслуживаемые—через 120 км. Система связи — четырехпроводная, однополосная. Энергетический потенциал аппаратуры К-300 до 44 дБ. Применяются также цифровые системы ИКМ-480. Известны конструкции малогабаритных коаксиальных кабелей, имеющих одну, четыре, шесть, восемь, двенадцать пар.
Комбинированные коаксиальные кабели содержат средние пары 2,6/9,5 мм, малогабаритные коаксиальные пары 1,2/4,6 мм и симметричные группы. Комбинированные кабели позволяют:
— организовывать мощные пучки телефонных каналов и телевизионную передачу на большие расстояния по коаксиальным парам 2,6/9,5 мм с помощью систем передачи К-1920 и К-3600;
— обеспечивать распределительные каналы для связи между городами и промежуточными пунктами, расположенными по магистрали, по коаксиальным парам 1,2/4,6 мм с помощью системы К-300 и системы ИКМ-480;
— обеспечивать выделение необходимого числа каналов в любом пункте трассы с помощью систем передачи К-300 и К-24;
— организовывать служебную связь и телесигнализацию по симметричным парам и четверкам.
Кабель КМ-8/6 содержит: восемь коаксиальных пар 2,6/ 9,5 мм; шесть коаксиальных пар 1,2/4,6 мм; одну четверку; восемь симметричных пар и шесть отдельных жил. Сечение кабеля КМ-8/6 показано на рис.9 . Все симметричные пары, четверки и отдельные проводники имеют медные жилы диаметром 0,9 мм с трубчато-полиэтиленовой изоляцией. Строительные длины комбинированных коаксиальных кабелей 490 м.
Электрические характеристики коаксиальных пар комбинированных кабелей аналогичны характеристикам кабеля КМБ-4 для пар 2,6/9,5 и кабеля МКТ-4 для пар 1,2/4,6.
На рис.10 показана конструкция коаксиального кабеля КМ-12.
 |  |
| Рис.9. Комбинированный коаксиальный кабель КМ-8/6: 1 — свинцовая оболочка; 2 — поясная изоляция; 3—бронепроволока; 4—наружный покров (джут); 5—подушка; | Рис.10. Комбинированный коаксиальный кабель КМ-12. |
3.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОАКСИАЛЬНЫХ ЦЕПЯХ [в начало] Способность коаксиальной цепи (пары) пропускать широкий спектр частот конструктивно обеспечивается коаксиальным расположением внутреннего и внешнего проводников. Особенности распространения электромагнитной энергии по коаксиальной паре обусловливают возможность передачи широкого спектра частот и ставят высокочастотные связи в преимущественное положение по сравнению с низкочастотными. Как будет показано ниже, взаимодействие электромагнитных полей внутреннего и внешнего проводников коаксиальной пары таково, что внешнее поле равно нулю. Рассмотрим раздельно электрическое и магнитное поля коаксиальной пары.
Результирующее магнитное поле коаксиальной пары представлено на рис.11, где показаны также напряженности магнитного поля 
и 
каждого проводника (а и б) в отдельности. В металлической толще проводника а магнитное поле возрастает, а вне его—уменьшается по закону =I/2 p r, где r— расстояние от центра проводника. Поле проводника б вне его выражается таким же уравнением, как и для сплошного проводника: =I/2 p r, где r—расстояние от центра полого проводника. Поэтому при определении внешних магнитных полей коаксиального кабеля параметр r для проводников а и б принимается одинаковым и исчисляется от центра проводников (нулевой точки).
Учитывая, что токи в проводниках а и б равны по величине и обратны по знаку, магнитные поля внутреннего и внешнего проводников и в любой точке пространства вне коаксиальной пары также будут равны по величине и направлены в разные стороны. Следовательно, результирующее магнитное поле вне коаксиальной пары равно нулю:
Таким образом, силовые линии магнитного поля располагаются внутри коаксиальной пары в виде концентрических окружностей; вне коаксиальной пары магнитное поле отсутствует. Электрическое поле внутри коаксиальной пары также замыкается по радиальным направлениям между проводниками а и б, а за ее пределами равно нулю.
Рис.11. Магнитное поле коаксиальной цепи: I— поле проводника а; II — поле проводника б; III — поле кабеля.
На рис.12 изображены электромагнитные поля коаксиальной и симметричной цепей. Как видно из рисунка, электромагнитное поле коаксиальной пары полностью замыкается внутри нее, а силовые линии электрического поля симметричной пары действуют на довольно значительном от нее расстоянии. Отсутствие внешнего электромагнитного поля обусловливает основные достоинства коаксиальных кабелей: широкий диапазон частот, большое число каналов, защищенность от помех и возможность организации однокабельной связи. В симметричных цепях из-за наличия внешнего электромагнитного поля возникают вихревые токи в соседних цепях и окружающих металлических массах (свинцовой или алюминиевой оболочке, экране и т. д.) и часть энергии рассеивается в виде потерь на тепло.
Рис.12. Электромагнитное поле симметричной (а) и коаксиальной (б) цепей.
Рассмотрим действие поверхностного эффекта и эффекта близости в коаксиальных парах и определим характер распределения плотности токов в проводниках при различных частотах.
Распределение плотности тока во внутреннем проводнике определяется лишь действием поверхностного эффекта (рис.13). Силовые линии внутреннего магнитного поля, пересекая толщу проводника, наводят в нем вихревые токи, направленные по закону Ленца против вращения рукоятки буравчика. Как показано на рис.13, вихревые токи Iв.т в центре проводника имеют направление, обратное движению основного тока, протекающего по проводнику, а на периферии их направления совпадают.
В результате взаимодействия вихревых токов с основным происходит такое перераспределение тока по сечению проводника, при котором плотность его возрастает к поверхности проводника. Данное явление, носящее название поверхностного эффекта, увеличивается с возрастанием частоты тока, магнитной проницаемости, проводимости и диаметра проводника. При достаточно высокой частоте ток протекает лишь по поверхности проводника, что вызывает увеличение его активного сопротивления.
Во внешнем проводнике плотность тока увеличивается в направлении к ее внутренней поверхности. Это объясняется воздействием поля внутреннего проводника. Если бы внутреннего проводника не было, то переменный ток, проходя по внешнему проводнику, вследствие поверхностного эффекта вытеснялся бы на внешнюю поверхность. При наличии внутреннего проводника плотность тока увеличивается на внутренней поверхности внешнего проводника.
Рассмотрим процесс перераспределения плотности тока во внешнем проводнике б за счет воздействия поля внутреннего проводника а. Как показано на рис.13, переменное магнитное поле, создаваемое током проводника a, наводит в металлической толще полого проводника б вихревые токи Iв-т. На внутренней поверхности проводника б вихревые токи совпадают по направлению с основным током (I+Iв.т), а на наружной поверхности движутся против него (I—Iв.т). В результате ток в проводнике перераспределяется таким образом, что его плотность возрастает в направлении к внутренней поверхности. Следовательно, токи в проводниках а и б как бы смещаются и концентрируются на взаимно обращенных поверхностях проводников .
Рис.13. Распределение плотности тока во внутреннем проводнике (поверхностный эффект) и распределение плотности тока во внешнем проводнике.
Чем выше частота тока, тем сильнее эффект смещения тока на внешнюю поверхность проводника а и внутреннюю поверхность проводника б. По-другому поверхностный эффект можно объяснить как проникновение электромагнитного поля в толщу проводника. Причем чем выше частота, тем меньше глубина проникновения поля в металл. В результате энергия сосредоточивается внутри коаксиального кабеля в диэлектрике, а проводники задают лишь направление распространению волн электромагнитной энергии. Мешающее электромагнитное поле высокой частоты, создаваемой соседними цепями передачи или другими источниками помех, действуя на внешний проводник коаксиальной пары, также будет распространяться не по всему сечению кабеля, а лишь по его наружной поверхности. Таким образом, внешний проводник коаксиальной пары выполняет две функции:
1) является обратным проводником цепи передачи;
2) защищает (экранирует) передачу, ведущуюся по кабелю, от мешающих влияний.
Из рис.14 и рис.15 видно, что основной ток передачи концентрируется на внутренней поверхности внешнего проводника, а ток помех — на наружной стороне внешнего проводника. Как основной ток, так и ток помех проникают в толщу проводника лишь на глубину, определяемую коэффициентом вихревых токов. Причем чем выше частота, тем больше отдаляются друг от друга указанные токи и, следовательно, тем лучше защищен кабель от действия посторонних помех. Таким образом, в отличие от всех других типов кабелей, требующих для защиты от помех специальных мер (симметрирования, экранирования и т. д.), в коаксиальных кабелях на высоких частотах это обеспечивается самой их конструкцией.
 Рис.14. Концентрация токов на взаимно обращенных друг к другу поверхностях проводников а и б |  Рис.15. Рабочий ток и ток помех в коаксиальной цепи |
Из изложенного следует, что основные преимущества коаксиального кабеля (малое затухание и высокая помехозащищенность) особенно ярко проявляются в высокочастотной части передаваемого спектра частот. При постоянном токе и на низких частотах, когда ток практически проходит по всему сечению проводника, достоинства этого кабеля пропадают. Больше того, коаксиальная цепь как несимметричная относительно других цепей и земли (параметры ее проводников а и б различны) в низком диапазоне частот по защищенности от помех уступает симметричным кабелям. 3.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ КОАКСИАЛЬНОЙ ЦЕПИ [в начало]
Если коаксиальную пару расположить так, чтобы ее ось совпадала с осью z, то электромагнитное поле вследствие цилиндрической симметрии не будет зависеть от координаты j . Кроме того, по физическим соображениям будет отсутствовать составляющая Нz—напряженность магнитного поля по оси z. Также отсутствуют тангенциальная составляющая напряженности электрического поля Е, и радиальная составляющая напряженности магнитного поля Нr.
Таким образом, применительно к коаксиальной паре идеальной конструкции действуют лишь три составляющие электромагнитного поля: Еr, Еz, Н (рис.16). В результате электромагнитное поле коаксиальной пары определится следующими уравнениями:
(1)
В этих уравнениях составляющие напряженности электромагнитного поля зависят от двух переменных: r и z. Напряженность магнитного поля коаксиальной пары содержит только одну составляющую H j . Это означает, что линии магнитной индукции располагаются концентрически вокруг оси z.
Электрическое поле характеризуется двумя составляющими: радиальной Еr и продольной Еz. Радиальная составляющая oбуслaвливается наличием тока смещения в диэлектрике Iсм и совпадает по направлению с вектором плотности последнего. Продольная составляющая Еz характеризует ток проводимости Iпp в проводниках, направленных вдоль кабеля.
Рис.16. Составляющие электромагнитного поля коаксиальной цепи.
Для изучения явлений, происходящих в коаксиальной паре, необходимо рассмотреть два процесса: распространение энергии вдоль пары и поглощение ее проводниками (внутренним и внешним). В первом случае энергия направлена вдоль оси z, а во втором — внутрь проводников по составляющей r. Оба процесса оцениваются и характеризуются с помощью теоремы Умова—Пойнтинга. 3.4. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПО ИДЕАЛЬНОЙ КОАКСИАЛЬНОЙ ЦЕПИ [в начало] В данном параграфе рассматривается передача энергии по коаксиальной паре идеальной конструкции, т. е. без учета потерь в проводниках. Движение энергии вдоль цепи подчинено закону Умова—Пойнтинга, по которому вектор распространения энергии образует с составляющими электрического Еr и магнитного H j , полей правовинтовую систему.
Энергия на пути своего движения встречает сопротивление среды Zв, которое математически выражается через отношение составляющих полей, образующих с вектором Пойнтинга правовинтовую систему Zв=Еr/Н j . Таким образом, при рассмотрении процесса распространения электромагнитной энергии вдоль коаксиальной пары надлежит оперировать составляющими полей Еr и Н j , которые связаны между собой следующими соотношениями:
—(dН j /dz)= s+ i we Er ; (dЕr/dz)= — i wm H j (2)
Здесь принято, что dЕz/dz=0, так как не учитываются продольная составляющая поля и соответственно потери в проводниках.
Для установления распределения напряжения и тока вдоль проводников необходимо найти величины Еr и Н j как функции переменной z. Причем для составляющих полей в направлении оси z действует экспоненциальный закон изменения, выражающийся равенствами:
(3)
где g —коэффициент распространения; Еrо и H jo —начальные составляющие векторов. Тогда взяв первую производную и подставив эти значения в (2), найдем
gHj=(s+ i we)E r ; gE r = — i wmHj; (4)
Определим интересующие нас значения g и Zz. Перемножив выражения
и поделив эти выражения, получим , что Zв= 
(5)
где Zв—волновое сопротивление среды; g —коэффициент распространения; m,e,s —соответственно магнитная, диэлектрическая проницаемости и проводимость среды.
Ранее было получено следующее выражение для волнового сопротивления окружающей среды: Zв=Er/H j Для волнового сопротивления коаксиальной пары необходимо оперировать величинами напряжения и между проводниками и тока I в проводниках:
Zв=U/ I (6)
Напряжение между проводниками может быть определено как линейный интеграл радиальной составляющей электрического поля между проводниками:
(7)
Из (4) имеем Еr= (i wm/g) H j . Подставив сюда значение g и имея в виду, что по закону полного тока H j = I/2 p r, получим, что тогда:
(8)
Соответственно волновое сопротивление кабеля будет выражаться следующей формулой:
(9)
Сопротивление вдоль цепи R=0, так как не учитывались потери в проводниках кабеля, и внешняя межпроводниковая индуктивность коаксиального кабеля L=( m/2p )ln(rb/ra) Соответственно проводимость G=2 ps /ln(rb/ra) ,емкость С=2 pe /ln(rb/ra). 3.5.ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ В КОАКСИАЛЬНОЙ ЦЕПИ С УЧЕТОМ ПОТЕРИ В ПРОВОДНИКАХ [в начало] Выше рассматривался процесс распространения энергии по коаксиальному кабелю идеальной конструкции без учета потерь в проводниках. В реальных условиях проводники имеют конечную проводимость и создают дополнительные потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть учтены по закону Умова—Пойнтинга, характеризующему радиальный поток энергии, направленный внутрь коаксиального кабеля.
Сопротивление внутреннего проводника может быть определено как сопротивление одиночного проводника, так как электрическое поле внешнего проводника никакого действия на внутренний проводник не оказывает.
Для определения Ra и Lа обычно пользуются заранее рассчитанными таблицами функций F, Q, Н и G для различных значений Io и I’ (табл.1). Сопротивление, Ом/км:
Ra=Ro(1+F(kr)); (10)
внутренняя индуктивность, Гн/км:
La=(1/2) m Q(kr)0.0001, (11)
где Ro –сопротивление постоянному току 1 км проводника, Ом/км.
Таблица 1.
| kr | F(kr) | G(kr) | H(kr) | Q(kr) |
| 0,5 | 0,000326 | 0,000975 | 0,042 | 0,9998 |
| 1,0 | 0,00519 | 0,01519 | 0,053 | 0,997 |
| 1,5 | 0,0258 | 0,0691 | 0,092 | 0,937 |
| 2,0 | 0,0782 | 0,1724 | 0,169 | 0,961 |
| 2,5 | 0,1756 | 0,295 | 0,263 | 0,913 |
| 3,0 | 0,31:8 | 0,405 | 0,348 | 0,945 |
| 3,5 | 0,492 | 0,499 | 0,416 | 0,766 |
| 4,0 | 0,678 | 0,584 | 0,466 | 0,686 |
| 4,5 | 0,862 | 0,669 | 0,503 | 0,616 |
| 5,0 | 1,042 | 0,755 | 0,530 | 0,556 |
| 7,0 | 1,743 | 1,109 | 0,596 | 0,400 |
| 10,0 | 2,799 | 1,641 | 0,643 | 0,286 |
Значения коэффициентов kr для различных проводников следующие: для медных =0,0105d
, для остальных 0,0375d и для алюминиевых =0,0082d, где d-диаметр проводника, мм; f-частота, Гц. Проводя соответствующие вычисления, получим, что при применении обоих алюминиевых проводников вместо медных сопротивление возрастает на 29%, а при замене меди на алюминий только у внешнего проводника сопротивление возрастает всего на 6%. Последний вариант предпочтительнее. В области высоких частот внутренняя индуктивность проводников мала и индуктивность коаксиального кабеля обусловливается лишь внешней индуктивностью .
Волновое сопротивление Zв, Ом, коаксиальной пары –это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без искажения.
В коаксиальных парах со сплошным диэлектриком Zв=50 Ом, а при комбинированной изоляции величина волнового сопротивления составляет примерно 75 Ом.
3.6. КОНСТРУКТИВНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В КОАКСИАЛЬНЫХ КАБЕЛЯХ [в начало] При изготовлении кабеля возможно возникновение деформации в виде эксцентриситета в расположении проводников, нарушения их формы, постоянства взаимного расположения и т. д. В результате изменяются параметры кабеля, и он перестает быть однородным по длине.
Различают неоднородности внутренние — в пределах строительной длины кабеля — и стыковые, обусловленные различием характеристик сопрягаемых строительных длин. Стыковые неоднородности, как правило, превышают внутренние. Имеются также неоднородности за счет отражения от аппаратуры. Неоднородность кабеля сказывается главным образом на волновом сопротивлении кабеля, величина которого на участках неоднородности отличается от номинальной.Неоднородности цепи учитываются через коэффициент отражения.
Наибольшее влияние на колебания волнового сопротивления оказывают отклонения размеров внешнего проводника и неоднородность изолирующих материалов, вызывающая колебания величины диэлектрической проницаемости. Внутренний проводник, представляющий собой сплошную проволоку, может быть изготовлен с большой точностью.
Реальный коаксиальный кабель можно рассматривать как неоднородную цепь, составленную из отдельных участков. Электромагнитная волна, распространяясь по такому кабелю и встречая на своем пути неоднородность, частично отражается от нее и возвращается к началу линии. При наличии нескольких неоднородных участков волна претерпевает серию частичных отражений и, циркулируя по линии, вызывает дополнительное затухание и искажение характеристик цепи.
Неоднородности в кабеле приводят к появлению в цепи двух дополнительных потоков энергии: обратного, состоящего из суммы элементарных отраженных волн в местах неоднородностей и движущегося к началу цепи, и попутного, возникающего по закону двойных отражений, вследствие того, что первоначально отраженные волны, движущиеся к началу цепи, встречая места неоднородностей, частично отражаются и направляются к концу линии .
Обратный поток приводит к колебаниям величины входного сопротивления кабеля Rвх, т. е. характеристика Rвх становится волнообразной. Это затрудняет согласование кабеля с аппаратурой на концах линий и приводит к искажениям в цепи передачи. Попутный поток искажает форму передаваемого сигнала и также создает помехи в передаче. Особенно страдает из-за этого качество телевизионной передачи, для которой фазовое соотношение передаваемых и принимаемых сигналов является решающим фактором. Для нормальной передачи телевизионных сигналов величина попутного потока должна составлять не более 1 % основного.
Высококачественная телефонная связь требует отсутствия амплитудных искажений в цепи передачи. С целью повышения однородности электрических характеристик коаксиальных магистралей производится специальное группирование строительных длин кабелей перед прокладкой с таким расчетом, чтобы отклонение волнового сопротивления двух смежных строительных длин не превышало 0,3 Ом. При этом строительные длины располагают так, чтобы величины волнового сопротивления постепенно нарастали от начала усилительного участка к его середине и спадали от середины к концу. На входе в усилительный пункт прокладывают строительные длины с номинальным волновым сопротивлением (75 Ом).
Неоднородности коаксиальных кабелей в настоящее время исследуются и измеряются преимущественно импульсным методом с помощью импульсных приборов большой чувствительности, которые позволяют наблюдать на экране степень однородности волнового сопротивления кабеля по его длине и устанавливать место и характер повреждения. 
[на оглавление] [список сокращений] [в начало]
Источник
