6.5. Экранирование кабелей связи

Для уменьшения взаимных влияний между цепями и защиты от внешних помех широко используют экранирование кабелей связи. Для защиты от внешних злектромагнитных влияний на кабельный сердечник накладывают металлическую оболочку (эк­ран), которая, как правило, имеет сплошную цилиндрическую конструкцию и выполняется из свинца, алюминия или стали.

Стальные оболочки ддя повышения гибкости гофрируют. В кабе­лях ГТС в качестве экранов широко используют алюминиевые экраны ленточного типа в виде спиральных лент или в виде труб­ки с продольным швом. В радиочастотных кабелях находят при­менение оплеточные экраны из плоских и круглых проволок.

Для защиты от взаимных влияний используют разделительные экраны, которые являются составной частью конструкции ка­бельного сердечника. Такие экраны разделяют цепи прямого и обратного направлений передачи и обеспечивают тем самым су­щественное снижение взаимных влияний между экранированны­ми цепями.

В настоящее время находят применение симметричные кабели для цифровых систем передачи, разделительные экраны которых изготовлены из тонкой алюминиевой фольги. Такие конструкции кабелей позволяют организовать связь по однокабельной системе, которая по сравнению с двухкабельной имеет более высокие тех­нико-экономические показатели.

На кабели связи оказывают влияние как электрические, так и магнитные поля. Однако в зависимости от режима работы источ­ников помех может преобладать либо магнитная, либо электриче­ская составляющая поля. Сильные магнитные поля создаются цепями с большими токами и малыми напряжениями, а сильные электрические поля характерны для источников с большими на­пряжениями и малыми токами. Поэтому можно отдельно рас­сматривать действие магнитных и электрических полей. При этом следует отметить, что наибольшее влияние на кабели связи ока­зывают магнитные поля.

По принципу пействия экраны подразделяют на электростати­ческие, магнитостатические и электромагнитные.

Электростатическое экранирование основано на замыкании электрического поля на поверхности металлического экрана и отводе электрических зарядов в землю.

Как показано на рис. 6.7, в цепь влияющего провода А вклю­чен источник ЭДС помех Е, а провод Б подвержен влиянию. Если экран не заземлен (рис. 6.7, а), то электрические силовые линии, созданные положительно заряженным проводом А, будут замы­каться на внутренней поверхности экрана и индуцировать на ней отрицательные заряды, а на внешней поверхности экрана будут индуцироваться положительные заряды. Эти заряды создадут в свою очередь электрические силовые линии, замыкающиеся на поверхности провода Б, индуцируя на нем отрицательные заряды.

В итоге никакого экранирующего действия замкнутый экран не оказывает. Чтобы полностью устранить влияние провода А на провод Б, необходимо замкнутый экран хорошо заземлить (обеспечить ма­лое сопротивление заземления). В этом случае положительные заряды, сконцентрированные на внешней поверхности экрана; отведутся в землю и не будут оказывать влияние на провод Б (рис. 6.7, б). Аналогичный эффект экранирования будет иметь место и при влиянии внешнего электрического поля помех на провод А, помещенный внутри экрана. Эффект электростатического экранирования не зависит от ма­териала и толщины экрана. Поэтому экран из любого металла в одинаковой степени локализует электростатическое поле помех. Электростатические экраны эффективно работают только на низ­ких частотах. Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толще экрана из-за повышенной его магнито­проводности. Такие экраны изготавливают из материалов с большой магнитной проницаемостью..На рис. 6.8, а провод А является источником магнитного поля, провод Б помещен в магнитный экран. Магнитные силовые линии магнитного поля помех будут в основном замыкаться в толще стенок экрана, так как он имеет малое магнитное сопротивление по сравнению с пространством внутри экрана, в котором нахо­дится провод Б. В результате влияние провода А на провод Б рез­ко уменьшается. Экранирующее действие магнитных экранов улучшается с увеличением магнитной проницаемости µ и толщи­ны экрана l. Магнитостатическое экранирование, как и электро­статическое, эффективно лишь в диапазоне низких частот. В диа­пазоне высоких частот магнитостатический режим экранирования переходит в электромагнитный. Электромагнитное экранирование основано на принципах отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и по­глощения энергии в толще экрана. Электромагнитные зкраны наиболее эффективно работают на высоких частотах, при этом они защищают как от магнитного, так и от электрического ме­шающих полей. Электромагнитная волна с амплитудой W, падающая на экран (рис. 6.9), на границе диэлектрик-металл частично отражается, а частично проходит в зкран, затухая при этом в его толще. Дос­тигнув второй границы металл-диэлектрик, волна вторично от­ражается. В результате в экранирующее пространство проникает лишь оставшаяся часть энергии W_э. Амплитуда отраженных составляющих W₀₁ и W₀₂ зависит от соотношения волновых сопро­тивлений диэлектрика и металла. Чем 6ольше их различие, тем более интенсивно энергия мешающего поля отражается. Затуха­ние энергии в толще самого экрана обусловлено тепловыми поте­рями на вихревые токи. Экранирующее действие экранов количественно оценивается коэффициентом экранирования, который для однородных экранов равен отношению электрического Е_э (магнитного Н_э) поля в рас­сматриваемой тачке при наличии экрана к напряженности элек­трического Е (магнитного H) поля в этой же точке при отсутствии экрана. Коэффициент экранирования S изменяется от 0 до 1. Идеаль­ный экранирующий эффект характеризуется S=0. Для оценки экранирующих свойств экранов используется также затухание экранирования: Чем меньше коэффициент экранирования S и больше затуха­ние экранирования Аэ, тем лучше кабельные цепи защищены от помех. . . 6.6. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот Электромагнитный режим работы кабельных экранов охваты­вает достаточно широкий диапазон частот: от 10'...10 до 10^R..10⁹ Гц. Расчет экранирующих характеристик электромагнит­ных экранов осуществляется по следующим формулам: теризует тепловые потери энергии мешающего поля на вихревые токи в экране. Чем выше частота и толщина экрана, тем лучше экранирование. При этом магнитные экраны (µ>> 1) имеют луч­шее экранирование поглощения, чем немагнитные экраны (µ=1), так как в них более интенсивно действуют вихревые токи. Полу­чается так, что с ростом частоты S_п уменьшается, а А_п возрастает, поэтому экранирование поглощения на высоких частотах более

эффективно, чем на низких.

связано с различием волновых сопротивлений диэлектрика и ме­талла, из которого изготовлен экран. Чем больше различие между Z_д и Z_м, тем лучше экранирование отражения. При экранирова­нии электрического и магнитного полей имеется принципиальное различие, которое обусловлено различием частотных характери­стик волнового сопротивления диэлектрика (рис. 6.10).

Анализируя частотные характеристики волновых сопротивле­ний, можно сделать заключение о том, что Z_м немагнитных экра­нов больше отличается от Z_д, чем магнитных. Следовательно, экраны из немагнитных металлов работают на отражение лучше, чем из магнитных. При этом с ростом частоты S₀ уменьшается, т. е. экранирование отражения улучшается.

Из этих графиков видно, что экранное затухание магнитного поля А_эН с ростом частоты увеличивается, а экранное затухание электрического поля А_эЕ вначале падает, а на частотах выше 10⁶... 10⁷ Гц начинает возрастать. При этом электрическое поле экранируется значительно лучше, чем магнитное, так как А_эЕ > А_эН Особенно это различие заметно в диапазоне низких частот. Сле­довательно, как и отмечается выше, в практике применения ка­бельных экранов как мер защиты от взаимных и внешних помех необходимо в первую очередь учитывать магнитное поле. Поэто­му рассмотрим несколько подробнее характеристики экранирова­ния магнитных и немагнитных экранов при экранировании маг­нитного поля. На графиках, представленных на рис. 6.12, видны три характерные частотные области. В частотной области 1 (до 3... 10 кГц) магнитный экран имеет лучшие экранирующие свойства, чем немагнитный. Работает он в этой области в магнитостатическом режиме. В частотных облас­тях 2 и 3 оба экрана работают в электромагнитном режиме. При этом в частотной области 2 (от 3... 10 кГц до 1 МГц) лучше экра­нирует магнитное поле немагнитный экран по причине лучшего отражения энергии (А₀>А_п), а в частотной области 3(выше 1 МГц) - магнитный экран по причине лучшего поглощения энер­гии (А_п>А₀).

Из проведенного анализа вытекает вывод о том, что лучший экранирующий эффект имеют конструкции экранов с немагнит­ными и магнитными слоями. Такие экраны находят применение в реальных конструкциях кабелей связи. Например, в кабеле МКСАБп на сердечник накладывают алюминиевую оболочку (немагнитный экран) и две стальные бронеленты (магнитный эк­ран). Алюминиевая оболочка обеспечивает хорошее отражение, а стальные бронеленты, имеющие большую магнитную проницае­мость, обеспечивают хорошее поглощение энергии мешающего электромагнитного поля. Оценив эффективность работы электромагнитных экранов в целом, отметим, что магнитное поле весьма хорошо экранируется на высоких частотах и существенно хуже в области низких час­тот.