4. Влияние между коаксиальными целями

Ток, проходящий по коаксиальной цепи, не создает внешнего поперечного электромагнитного поля, и, казалось бы, влияние меж­ду такими цепями невозможно. Однако в действительности при сравнительно низких частотах расположенные рядом коаксиаль­ные цепи оказывают некоторое влияние друг на друга из-за про­дольной составляющей электрического поля, направленной вдоль оси цепей.

При прохождении тока по цепи 1 (рис. 3) на поверхности внеш­него провода создается падение напряжения и действует продоль­ная составляющая электрического поля E_Z , которая вызывает ток на поверхности внешнего провода цепи 2, подверженной влиянию. Возникает промежуточная цепь 3, которая становится влияющей по отношению к цепи 2. Ток влияния во внешнем проводе цепи 2 вызы­вает падение напряжения, создающее помехи в этой цепи на ближ­нем и дальнем концах.

Рис. 3

Частотная зависимость влияния между коаксиальными цепями иная, чем при влиянии между симметричными цепями. С увеличе­нием частоты тока влияние между симметричными цепями возрастает, а между коаксиальными уменьшается. Объясняется это тем, что из-за эффекта близости плотность тока во внешнем проводе с ростом частоты увеличивается в направлении внутренней поверхности, а на внешней поверхности уменьшается. Поэтому с ростом частоты уменьшается напряженность поля вне цепи. Происходит самоэкранирование цепи, при этом эффект самоэкранирования будет тем больше, чем выше частота тока. При очень высоких частотах, когда весь ток сконцентрирован внутри кабеля, напряженность E_Z кабеля приближается к нулю. Экранирующий эффект достигает максимума, и влияние между цепями теоретически отсутствует.

В отличие от симметричных кабелей, у коаксиальных кабелей| электромагнитные связи влияния на ближний и дальний концы одинаковы, поскольку отсутствуют поперечные электрические магнитные связи; переходное затухание между коаксиальные цепями возрастает с увеличением частоты. Для передачи по коаксиальным цепям используют спектр частот от 60 кГц и выше, причем для уменьшения влияния в диапазоне частот до 100 кГц коаксиальные пары экранируют стальными лентами, накладываемыми в два слоя.

5. Влияния между симметричными цепями при передаче импульсов

Ранее при рассмотрении вопросов влияния предполагалось, что возбуждаемые источниками влияния напряжения и токи изменяются по гармоническому закону. Это характерно для применяемых на железнодорожном транспорте аналоговых систем автоматики и связи с частотным разделением каналов. В связи с внедрением цифровых систем передачи (ЦСП) актуальны вопросы влияний между цепями при передаче по ним импульсов, чаще всего прямоугольной формы.

При взаимных влияниях между системами ЦСП возбуждаемые в цепях помехи характеризуются мгновенными значениями напряжений U (х, t) или токов I (х, t) в цепи, подверженной влиянию. Эти помехи могут быть определены через временные характеристики влияния, к которым относятся переходная g(t) и импульсная h(t) характеристики влияния, отражающие соответственно реакцию в цепи, подверженной влиянию, на скачок напряжения и единичный импульс во влияющей цепи. Зная эти характеристики, можно рассчитать временные характеристики помех при любой длительности и форме влияющих импульсов в случае произвольного их следования во времени.

При рассмотрении непосредственных влияний между цепями систему из двух взаимовлияющих цепей удобно рассматривать как восьмиполюсник (рис. 4,а). В этом случае задача анализа вли­яния между цепями сводится к определению в частотной или времен­ной области передаточной функции (К) эквивалентного четырехполюс­ника на ближний (рис. 4,б) и дальний (рис. 4,в) концы.

Временные характеристики влияния между цепями в импульсном режиме и частотные характеристики, определенные для установив­шегося режима гармонических колебаний, однозначно связаны, и по известным одним характеристикам могут быть определены другие.

При известной передаточной функции четырехполюсника

(1)

где и - комплексная амплитуда напряжения соответственно во влияющей и подвержен­ной влиянию цепи; и q(w), - соответственно амплитудно и фазочастотная характе­ристики четырехполюсника.

Импульсная характеристика g(t) четырехполюсника и переход­ная h(t) могут быть определены обратным преобразованием Фурье

(2)

(3)

Между граничными значениями временных характеристик це­пей при t = 0 и их амплитудно-частотных характеристик при w = ¥ существует следующая связь:

(4)

Следовательно, отклик в цепи, подверженной влиянию на ступенча­тое воздействие, как и любое иное «разрывное» воздействие, будет скачком достигать некоторого отличного от нуля значения тогда, когда при значение не стремится к нулю.

Учитывая сказанное и принимая во внимание известные частотные зависимости и зависимости характеристик от длины взаимовлияющих цепей при влияниях на ближний и дальний концы цепей (см. п.3 лекц.20 и рис. 6), можно сделать вывод, что при ступенчатом| воздействии во влияющей цепи на ближнем конце цепи при любой длине взаимовлияющих цепей и на дальнем конце при коротких цепях будет ступенчатый отклик, в то время как на дальнем конце при длинных цепях будет наблюдаться плавное нарастание напряжения.

Более подробные сведения об изменении во времени напряжение (токов) в цепи, подверженной влиянию, можно получить из анализа уравнений влияния.

Уравнения непосредственного влияния между цепями на ближний и дальний концы цепей при одинаковых волновых параметрах цепей и при произвольных изменениях значений электромагнитный связей по длине линии в операторной форме имеют вид

(5)

(6)

где N₁₂(x) и F₁₂(x) - электромагнитная связь соответственно при влиянии на ближний и дальний концы в точке х.

Для наглядного истолкования результатов при переходе от изображений решений (2) и (3) к их оригиналам делается ряд до­пущений. Будем считать, что линия не вносит искажений при передаче сигналов, т. е. ,

где u — скорость распространения энергии по линии; a = const , u = const.

Допустим дополнительно, что N₁₂ (х) равно нулю по всей длине линии, кроме одной точки на расстоянии x от начала цепи. Решение для ближнего конца в этом случае имеет вид

. (7)

Если к влияющей цепи приложено воздействие типа единичного скачка u₁₀(t)=1(t) , то формулу (7) можно преобразовать:

(8)

Выражение (8) определяет единичный импульс d, запаздывающий на время t₀=2x/u, амплитуда которого пропорциональна величине связи N₁₂ в точке х =ut/2 и который ослаблен в раз по сравнению с единичным скачком. Измерение влияний на ближний конец в этом режиме позволяет определить распределение электро­магнитных связей между цепями вдоль линии.

Если же к влияющей цепи приложен единичный импульс u₁₀(t)=d(t) , то

, (9)

где - разрывная функция, совершающая при t=2x/u по­следовательно два скачка - первый в + , а второй в - .

Решение для дальнего конца имеет вид:

. (10)

Выражение (10) показывает, что напряжение непосредствен­ного влияния на дальний конец в импульсном режиме определяет­ся суммой связей на измеряемом участке, имеет, форму производной зондирующего импульса, запаздывает по сравнению с ним на время t₀=l/u и ослаблено в е^al раз.

Временные зависимости u₂₀(t). полученные из уравнений (8) и (9), в полной мере справедливы только для указанных моделей сигналов и линии с учетом оговоренных допущений. Поэтому при сопоставлении экспериментальных зависимостей u₂₀(t) с расчет­ными необходимо учитывать практически реализованные влияющие импульсы и искажения в линии. Влияющие импульсы типа 1(t) и d(t) являются математическими абстракциями. Практически им­пульс 1(t) реализуется в виде переднего фронта прямоугольного импульса с длительностью, превышающей время распространения по линии и обратно. Единичный импульс d(t) реализуется в виде сравнительно короткого прямоугольного импульса, длительность которого устанавливается экспериментально (ориентировочно деся­тые доли микросекунды). Практически применяемые импульсы, а следовательно, и получаемые результаты могут лишь в той или иной степени приближаться к результатам, даваемым импульсами типа 1(t) и d(t). При воздействии во влияющей цепи имульса типа еди­ничного скачка на ближнем конце цепи можно наблюдать характер распределения связей и отчасти их значение (в линиях без потерь можно определить точное значение связей) в различных точках вдоль линии. При воздействии типа единичного импульса обнаруживаются места резкого изменения значения связей. Для практической ориентировки в чтении осциллограмм (рис. 5,а) показан ожидаемый характер изменения переходной и импульсной характеристик на ближнем конце цепи при равномерном распреде­лении связей, а на рис. 5,б— при знакопеременном распределе­нии: 1— распределение связей; 2 — переходная характеристика влияния; 3—импульсная характеристика влияния.

Рис. 5

Контрольные вопросы

1.Что понимается под косвенными влияниями между цепями?

2.Виды косвенных влияний?

3. По какому закону косвенные влияния между цепями действуют на ближнм и дальнем концах цепи?

4. На какой конец цепи (ближний или дальний) косвенное электро­магнитное влияние больше и почему?

5.Какова модель влияния через третьи цепи?

6. Каковы особенности влияний между коаксиальными цепями и зависи­мость величины влияний от частоты тока?

7. В чем суть временных характеристик влияния между цепями и их взаимосвязь с частотными характеристиками?

ЛЕКЦИЯ 16. МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИЙ ЦЕПЕЙ ВОЗДУШНЫХ И СИММЕТРИЧНЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Меры по уменьшению взаимных влияний между направляющими системами принимают: либо только на этапе изготовления изделия в за­водских условиях (волоконно-оптический кабель); либо только на этапе строительства (воздушные линии связи); либо на обоих этапах (симметричный и коаксиальный кабель). Основной мерой защиты от взаимных влияний цепей воздушных линий связи является скрещива­ние, а цепей симметричных кабелей - скрутка жил в группу и сим­метрирование (комплекс мероприятий, направленных на уменьше­ние влияний в процессе выполнения монтажных работ на кабель­ной магистрали).