книги из ГПНТБ / Гроднев, И. И. Линейные сооружения связи учебник

К о э ф ф и ц и е н т ф а з ы к о а к с и а л ь н о й ц е п и опреде­

ß = -T^— , рад/км.

где с — скорость света, равная 300 000 км/с.

дена в табл. 2.16. Из приведенных формул и данных видно, что коэффициент фазы возрастает с увеличением частоты прямоли­ нейно. Это обусловливает почти полное постоянство скорости пе­ редачи энергии по коаксиальному кабелю во всем рассматривае­ мом спектре частот.

Скорость передачи уменьшается с увеличением диэлектричес­

аксиальным кабелям выше, чем по кабелям других типов, и при­ ближается к скорости распространения электромагнитных волн в воздухе, т. е. к с=300 000 км/с.

— 142 —

3.25.НАИВЫГОДНЕЙШЕЕ СООТНОШЕНИЕ ДИАМЕТРОВ ПРОВОДНИКОВ КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ

Конструирование коаксиального кабеля подчинено задаче со­ здания оптимальной конструкции кабеля, требующей минималь­ ных затрат материалов и средств на изготовление, и технологич­ ной в производстве. При конструировании коаксиальных кабелей необходимо, в первую очередь, выбрать диаметры внутреннего и внешнего проводников кабеля и установить их соотношение при использовании различных материалов (медь, алюминий, свинец).

Затухание коаксиального кабеля с современным высококаче­ ственным диэлектриком в практически используемом спектре ча­ стот (до 8 -т-17 МГц) может быть определено по следующей фор­ муле (без учета потерь в диэлектрике):

Выразим соотношение Djd через x. Из данного выражения сле­ дует, что с увеличением х его числитель растет линейно, а знаме­ натель — по логарифмическому закону. Исследовав данную фор­ мулу на минимум затухания (в зависимости от х), да/дх=0, получим, что а минимальная три соотношении \n(D/d) = 1+ djD.

Таким образом, оптимальная конструкция кабеля будет при х=3,6. Это соотношение справедливо для кабелей с одинаковыми (медными) проводниками. Если же'проводники изготовлены из раз­ личных металлов, то минимальное затухание определяется из вы­ ражения

где ап и оа — соответственно проводимости металлов внешнего и внутреннего проводников.

Оптимальные соотношения Djd для различных материалов внешнего проводника приведены в табл. 3.9, причем во всех случаях принято, что внутренний проводник изготовлен из меди, а внеш­ ний — из материала, указанного в таблице.

Т а б л и ц а 3.9

-143

Из рис. 3.39 видно, что нарушение оптимального соотношения в меньшую сторону связано е довольно резким возрастанием зату­ хания. Поэтому в ряде случаев целесообразно принять соотноше­ ние Djd несколько больше оптимального.

Рис. 3.39. Зависимость затухания кабелей с внеш­ ним проводником из различных металлов от изме­ нения Djd

При конструировании коаксиального кабеля приходится также отступать от оптимального соотношения Djd, если величина вол­ нового сопротивления кабеля строго нормирована (например, ZB=j75 Ом). В этом случае соотношение Djd определяется по фор-

водниками при оптимальном соотношении D/d затухание опреде­

— 144 —

из которой следует, что затухание увеличивается с ростом f и е и резко уменьшается с увеличением диаметра кабеля.

Если по кабелю необходимо обеспечить передачу большой мощ­ ности или создать кабель на максимальное напряжение, то опти­ мум конструкции будет при другом соотношении D и d.

В табл. 3.10 приведены оптимальные соотношения внешнего и внутреннего проводников коаксиальных кабелей, определяющие преимущества различных конструкций. Тут же даны значения вол­ нового сопротивления.

3.26.КОНСТРУКТИВНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ

ВКОАКСИАЛЬНЫХ КАБЕЛЯХ

При изготовлении кабеля может возникнуть деформация в ви­ де эксцентриситета в расположении проводников, нарушаются их форма, постоянство взаимного расположения и т. д. В результате изменяются параметры и кабель перестает быть однородным по длине.

Различают неоднородности внутренние — в пределах строи­ тельной длины (кабеля и стыковые— обусловленные (различием ха­ рактеристик сопрягаемых строительных длин. Стыковые неоднород­ ности, как правило, превышают внутренние. Неоднородность кабе­ ля сказывается, главным образом, на волновом сопротивлении ка­ беля, величина которого на участках неоднородности отличается от номинальной. Неоднородности цепи учитываются через коэффи­ циент отражения

где ZB и ZB' — волновые сопротивления соседних неоднородных участков кабеля.

Соответственно величина отклонения волнового сопротивления определится как AZ=QpZB.

Волновое сопротивление кабеля равно ZB= -7 =^ ln — , Ом, и

У е d

зависит от трех факторов: е, d, D. Имея в виду, что неоднородность величин Ad, AD и Де сравнительно невелика, отклонение волнового сопротивления от среднего значения (волнистость) может быть вы­ ражено уравнением

Наибольшее влияние на колебания волнового сопротивления оказывают отклонения размеров внешнего проводника и неодно­ родность изолирующих материалов, вызывающая колебания вели­ чины диэлектрической проницаемости. Внутренний проводник, пред­ ставляющий собой сплошную проволоку, может быть изготовлен с большой точностью.

— 145 —

обусловленное отражениями, не превышало ±0,45 Ом, что соот­ ветствует коэффициенту отражения в 3 %0.

На рис. 3.41 приведена зависимость входного сопротивления ZBX неоднородного кабеля от его длины, измеренная импульсным методом. Здесь же показана допустимая норма неоднородности AZB= ± 0 ,4 5 О м . И з рисунка видно, что величина ZBX сложно ме-

Рис. 3.41. Изменение .входного сопротивления неоднородной коаксиальной дени в зависимости от ее длины

няется относительно ZB= 75 Ом и в четырех точках колебания ZBX выше нормы. Частотная зависимость входного сопротивления неод­ нородного коаксиального кабеля также будет иметь сложный ко­ лебательный характер вокруг величины ZB= 7 5 Ом.

Расчет попутного потока на длине усилительного участка ко­ аксиального кабеля ведется следующим образом:

за счет внутренних неоднородностей

где Р — коэффициент отражения; А/ — расстояние между неоднородностями;

ZB — волновое сопротивление кабеля; a — коэффициент затухания;

I — строительная длина кабеля;

— 147 —

L — длина усилительного участка;

п — число строительных длин кабеля на усилительном уча­ стке.

Здесь учтено, что коэффициент отражения в любой точке стро­ ительной длины по теории вероятности р = 3а, где о — среднеква­ дратическое значение отклонений АZB.

Из уравнений следует, что попутный поток обусловлен, в пер­ вую очередь, величиной отклонения волнового сопротивления ка­ беля, причем попутный поток за счет внутренних неоднородностей прямо пропорционален длине кабельной линии, а за счет стыковых неоднородностей — числу строительных длин кабеля. Изменение допустимой величины коэффициента отражения (р) в зависимости

Рис. 3.42. Допустимая величина коэффициента отражения (р) при различных длинах коаксиальной магистрали (L) и различных расстояниях между неоднородностями (М)

Из рисунка следует, что с увеличением длины магистрали нор­ ма на однородность кабеля становится жестче. Так, при 200 км

ражения возрастает. Это обусловлено тем, что с увеличением ча­ стоты растет затухание кабеля и уменьшается действие отражен­ ных волн.

Анализ процентного соотношения стыковых и внутренних неод­ нородностей (рис. 3.44) ікоаімаиального кабеля показывает, что, как правило, превалируют стыковые неоднородности. Так, для кабеля КМБ-4 (2,6/9,4) при системе уплотнения К-1920 стыковые неодно­ родности составляют 70—80%; а внутренние — 20—30%. С уве­ личением строительных длин кабеля, естественно, возрастает роль внутренних неоднородностей.

— 148 —

С целью 'повышения однородности электрических характерис­ тик коаксиальных магистралей производится специальное группи­ рование строительных длин кабелей перед прокладкой с таким расчетом, чтобы отклонения волнового сопротивления двух смеж­ ных строительных длин не превышали 0,3 Ом. При этом строитель­ ные длины располагают так, чтобы величины волнового сопротив-

тельных длинах кабеля

ления постепенно нарастали от начала усилительного участка к. его середине и спадали от середины к его концу.

Неоднородности коаксиальных кабелей в настоящее время ис­ следуются преимущественно импульсным методом при помощи им­ пульсного прибора большой чувствительности, который позволяет' наблюдать на экране степень однородности волнового сопротивле­ ния кабеля по его длине и устанавливать место и характер по­ вреждения.

КАБЕЛИ С ИСКУССТВЕННО УВЕЛИЧЕННОЙ. ИНДУКТИВНОСТЬЮ

3.27. НЕОБХОДИМОСТЬ ИСКУССТВЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ КАБЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ

Одной из актуальных проблем кабельной техники является уве­ личение дальности связи без дополнительного расхода цветных металлов. Для разрешения этой проблемы совершенствуют аппара­ туру связи и уменьшают затухание кабельной цепи. Электричес­ кие свойства кабеля связи любого типа полностью характеризу­ ются четырьмя первичными параметрами (R, L, С, G).

Коэффициент затухания связан с этими параметрами выраже­ нием

— 149 —

где ом — коэффициент затухания в металле; ад — коэффициент затухания в диэлектрике.

Создать такую линию, в которой R — G= 0, невозможно, так как любая реальная кабельная цепь обладает активным сопро­ тивлением R и проводимостью изоляции G. Можно лишь подо­ брать такое соотношение между параметрами цепи, чтобы зату­ хание ее было наименьшим.

Условно вводя в приведенное выражение величину

где а0= У RG.

Отсюда нетрудно доказать, что затухание цепи имеет мини­ мальное значение ( а = « Мин) при Х = 1 , т. е. когда ее первичные па­ раметры находятся в соотношении

Такое соотношение является оптимальным, и к нему следует стремиться при конструировании кабелей связи. Наименьшее за­ тухание цепи при этом равно

Рис. 3.45. Затухание в металле а м и в диэлектрике ад при различных соотношениях первичных парамет­ ров линии

Таким образом, затухание может быть снижено либо уменьше­ нием R и G, что крайне затруднительно, так как величины R и G регламентированы допустимым расходом меди (диаметром жилы)

икачеством диэлектриков, либо уменьшением емкости цепи С, ли­

—150 —

бо увеличением ее индуктивности L, Для снижения емкости не­ обходимо увеличить расстояние между жилами кабеля, т. е. уве­ личить его габариты, что явно нецелесообразно.

Единственным реальным путем уменьшения затухания кабель­ ных линий связи является искусственное увеличение индуктивности цепи. Из ур-ния (3.81) видно, что оптимальная величина индук­ тивности, которой должна обладать кабельная цепь для обеспече­ ния минимального затухания, составляет Lo=)RC/G.

С возрастанием частоты степень несоответствия кабелей ур-нию (3.81) существенно уменьшается. Это объясняется увеличением проводимости изоляции с возрастанием частоты, в результате чего условие (3.81) выполняется на определенной частоте без ис­

Для симметричных кабелей связи частота fx= кох/2п лежит в пределах 200-Г-600 кГц, и для снижения затухания в спектре прак­ тически используемых частот приходится прибегать к искусствен­ ному увеличению индуктивности. Иногда это мероприятие оказы­ вается экономически невыгодным даже при относительно низких частотах.

Известно несколько различных способов искусственного увели­ чения индуктивности кабельных цепей связи: пупинизация, крарупизация, биметаллизация жил и, наконец, использование магнито­ диэлектрика.

3.28. ПУПИНИЗАЦИЯ КАБЕЛЕЙ

Способ пупинизации кабельных цепей получил сравнительно большое применение в кабельной технике.

Для увеличения индуктивности в кабель через определенные расстояния, называемые шагом пупинизации s, в цепь включаются катушки индуктивности Ls (рис. 3.46 а), называемые в честь их автора (Пупина) пупиновскими.

Рис. 3.46. Эквивалентная схема пупинизированного кабеля:

а) пупіияизировэнная цепь; б) звено пупвнизацин; в) фильтр нижних частот

— 151 —