3.5 Коаксиальные кабели связи

3.5.1 Электрические процессы в коаксиальных кабелях связи

Коаксиальные кабели относятся к закрытым направляющим системам.

Закрытыми–называются направляющие системы поля, которых не выходят за пределы геометрических размеров этой системы.

По сравнению с другими кабелями коаксиальные кабели наи­более полно отвечают требованиям высокочастотной связи и между­городного телевизионного вещания. По коаксиальному кабелю можно передавать очень широкий спектр частот при сравнительно малых потерях энергии; кабель этот хорошо защищен от влияния соседних цепей и внешних помех, и также система связи в целом бо­лее экономична.

В металлической толще проводника магнитное поле возрас­тает, а вне его оно уменьшается по закону:

Внутри полого цилин­дра магнитное поле отсутствует, а вне его оно выражается таким же уравнением, как и для сплошного проводника:

Рис.1 Электромагнитное поле коаксиального кабеля

Токи в проводниках а и b равны по значению и противоположны по знаку, поэтому маг­нитные поля внутреннего и внешнего проводников в любой точке пространства вне кабеля также равны по значению и направлены в противоположные стороны, следовательно результирующее магнит­ное поле вне кабеля равно:

Таким образом, линии магнитной ин­дукции поля коаксиального кабеля располагаются в виде концен­трических окружностей внутри него. Вне кабеля магнитное поле от­сутствует.

Рис.2 Электромагнитное поле

в коаксиальном кабеля

Электрическое поле также замыкается внутри коаксиального кабеля по радиальным направлениям между проводниками а и b, и поэтому вне кабеля это поле равно нулю. В коаксиальном кабеле из-за отсутствия внешнего поля потерь в окружающих его металличе­ских массах нет, все энергия распространяется только внутри кабеля и более эффективно передается к цепи.

• Рассмотрим действие поверхностного эффекта и эффекта бли­зости в коаксиальных кабелях и определим характер распределения плотности токов в проводниках при различных частотах.

Распределение плотности тока в проводнике, а определяется действием поверхностного эффекта. Перераспределение плотности тока по сечению проводника обусловлено эффектом близости к нему другого проводника.

Н

Рис.3 Переменное электромагнитное поле коаксиального кабеля

а рис.3 показано переменное магнитное поле, создаваемое током проводника а, которое наводит в самом провод­нике а и в металлической толще полого проводника b вихревые токи , влияние которых приводит к перераспределению плотности тока по сечению проводников. Токи в проводниках а и b коаксиальной цепи как бы смещаются и концентрируются на взаимно–обращенных поверхностях проводников. Чем выше частота тока, тем сильнее эффект смещения тока на внешнюю поверхность проводника а и внутреннюю поверхность проводника b. Энергия как бы вытесня­ется из металлической толщи проводников и сосредотачивается внутри коаксиального кабеля, в изоляции, а проводники задают лишь направление распространения волн электромагнитной энергии.

Мешающее электромагнитное поле высокой частоты, созда­ваемой соседними цепями передачи или другими источниками по­мех, действуя на внутренний 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.

И

Рис.4 Распределение тока

в коаксиальном кабеле

з рис. 4 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 отделяются друг от друга указанные токи и, следова­тельно, кабель лучше защищен от действия посторонних помех. Та­ким образом, в отличие от всех других топов кабелей, требующих для защиты от помех специальных мер в коаксиальных кабелях на высоких частотах это обеспечивается самой их конструкцией. Из из­ложенного следует, что основные преимущества коаксиального ка­беля (малое затухание и высокая помехозащищенность) особенно ярко проявляются в высокочастотном диапазоне. При 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 b различны) в низком диапазоне частот по защищенности от помех уступает симметричным кабелям.