Передающие среды на основе витой пары проводников

В идеальном случае линия передачи представляет собой, как минимум, два проводника, разделенных диэлектрическим материалом и имеющих равномерный зазор на всем своем протяжении. К двум проводникам прикладывается сбалансированное напряжение V - равное по амплитуде и противоположное по фазе. В каждом проводнике текут равные по величине и противоположные по направлению токи /. Токи производят концентрические магнитные поля В, окружающие каждый из проводников (рис. 5).

Напряженность магнитного по­ля усиливается в промежутке между проводниками и уменьшается в про­странстве, где концентрические по­ля находятся за пределами обоих проводников. Токи в каждом из про­водников равны по величине и про­тивоположны по направлению, что ведет к уменьшению общей энергии, накапливаемой в результирующем магнитном поле. Любое изменение токов генерирует напряжение на ка­ждом проводнике с результирующим электрическим полем с направлени­ем вектора, ограничивающим маг­нитное поле и поддерживающим по­стоянный ток. ЭДС самоиндукции V пропорциональна скорости измене­ния тока в соответствии с законом Фарадея:

V = Ldl/dt,

где L - индуктивность, Гн.

Диэлектрические материалы обладают собственными электрическими потерями в при­сутствии электрических полей вследствие токов утечки или диэлектрического разогрева (движения поляризованных молекул в приложенном поле). Первый эффект весьма незначите­лен. Второй может быть значительным при частотах свыше 1 МГц. Ток /, вызываемый диэлек­трическими потерями, пропорционален приложенному напряжению:

I=GV,

где G - проводимость, Сименс.

Описанная линия передачи может быть представлена в виде электрической це держащей только пассивные компоненты. Схема строится из каскада секций, состоя цепочек сопротивлений и индуктивностей, соединенных параллельно взаимной емк взаимной проводимости. Эти рапределенные компоненты носят название первичны) метров линии передачи (рис. 6).

Первичные параметры R, L, G, С могут быть рассчитаны на основании данных о физической конструкции кабеля. Зависимость от конструкции кабеля может быть довольно сильной и свой вклад могут вносить следующие факторы - геометрия кабеля, свойства материала кабеля, частота передаваемого сигнала.

Вторичные параметры линии передачи рассчитываются на основе первичных или получаются с помощью непосредственных измерений. Вторичные параметры определяют по ние электрического сигнала при прохождении его по кабелю. Для рассмотрения этих пр сов кабель можно представить в виде "черного ящика". Сигнал на выходе может быть рассмотрен как функция сигнала, поданного на вход для различных схем подключения. Следующая иллюстрация отображает обобщенную модель передачи сигнала по двухпроводной (рис. 7).

Характеристический импеданс Z_u соответствует входному импедансу Z^ oднopo^ линии передачи бесконечной длины /, то есть:

Z_in - у!/It = Z₀ при / -> оо.

Это значение соответствует входному импедансу линии передачи предельной ДЛ1 терминированной нагрузкой со значением ее собственного характеристического импеда Максимальная мощность передается от источника к нагрузке при условии равенства ил дансов источника Zs и нагрузки Zt, характеристическому импедансу линии Z0. Другими словами, в этом случае энергия передается по линии и отсутствует отражение от точки терминирования кабеля.

В общем случае, характеристический импеданс - это комплексное число с резистивной и реактивной компонентами. Он является функцией частоты передаваемого сигнала и не за­висит от длины линии. При очень высоких частотах характеристический импеданс асимптоти­чески стремится к фиксированному резистивному сопротивлению. Например, коаксиальные кабели обладают импедансом 50 или 75 Ом на высоких частотах. Типичное значение импе­данса для кабелей "витая пара" - 100 Ом при частотах свыше 1 МГц.

Затухание сигнала - это отношение в децибелах (дБ) мощности входного сигнала к мощности сигнала на выходе при соответствии импедансов источника Z_s и нагрузки Z, харак­теристическому импедансу кабеля Z₀, то есть Z_s = Z, = Z_a. Значение входной мощности может быть получено путем измерения мощности при непосредственном подключении нагрузки к источнику без прохождения сигнала по кабелю. В случаях, когда в местах терминирования импедансы не идеально соответствуют друг другу, отношение входной мощности к выходной носит название вносимых потерь или вносимого затухания. Практические измерения вноси­мого затухания дают значения более высокие, чем обычное затухание, и их величина зависит от степени несоответствия импедансов.

А = 20 Ig (У,/ У,} при Z_S=Z,= Z_0i

где у! - входное напряжение, У₀- выходное напряжение.

Переходное затухание на ближнем конце (Near End Crosstalk, NEXT) - параметр, характеризующий затухание сигнала помехи, наведенного сигналом, проходящим по одной па­ре проводников, на другую, расположенную поблизости. Измеряется в дБ. Чем выше значе­ние NEXT, тем лучше изоляция помехам между двумя парами проводников.

Коэффициент отражения. Рассмотрим случай, когда импеданс в точке терминирова­ния Z, # Z₀. Сигнал, распространяющийся по кабелю, частично будет отражаться в точке ин­терфейса кабель-нагрузка. Степень отражения характеризуется коэффициентом отражения р.

p = (Z,-Z_a)/(Z,+Z_a).

Если Z, <Z₀, отраженная волна имеет отрицательную амплитуду; если Z,>Z₀, отраженная волна имеет положительную амплитуду.

Обратные потери (потери при отражении). Мощность отраженного сигнала R носит название потерь при отражении или обратных потерь (Return Loss, R), выражается в дБ и рас­читывается на основе коэффициента отражения р :

R = W\g(p²).

Чем лучше совместимость импедансов, тем меньше отражаемая мощность и тем ниже обратные потери.

Потери рассогласования М (Mismatch Loss, M) - ослабление мощности передаваемо­го сигнала, выражаемое в дБ и расчитываемое на основании коэффициента отражения:

M=lQ\g(l-f?).

Для кабеля любой длины потери рассогласования могут быть расчитаны на основе зату­хания кабеля и многократных отражений от каждого конца кабеля.

Временная задержка распространения сигнала. Сигнал, распространяющийся от входной точки к выходной, приходит с временной задержкой, величина которой является от­ношением длины кабеля к скорости распространения сигнала V в передающей среде. В слу­чае идеальной линии передачи, состоящей из двух проводников в вакууме, скорость распро­странения сигнала равна скорости распространения света в вакууме с. На практике скорость распространения сигнала в кабеле зависит от свойств диэлектрических материалов, окру­жающих проводники. При очень высоких частотах К асимптотически стремится к фиксирован­ному значению:

У=с/1ле,

где ц - относительная магнитная проницаемость диэлектрика, £ - относительная элек­трическая проницаемость диэлектрика.