НС Экзамен, первые билеты
.pdf
7.Первичные параметры электрических кабелей. Зависимость от частоты.
R,L,C,G
Активное сопротивление.
Проводимость изоляции жил кабеля и электромагнитные потери. Емкость токопроводящих жил.
Индуктивность кабеля.
R - активное сопротивление линии на единице длины, Ом/км; L - индуктивность линии, Г/км;
С - емкость между двумя жилами цепи, Ф/км;
G - проводимость утечки изоляции между двумя жилами, Сим/км.
Параметры R и L образуют продольное сопротивление Z = R + jωL, а С и G - поперечную проводимость Y = G + jωC. Величины R, L, С и G обуславливают потери энергии в металлических частях кабеля (проводах, жилах, оболочке, броне) и в изоляции (потери на поляризацию).
Сопротивление зависит пропорционально квадратному корню из частоты; проводимость изоляции практически пропорциональна первой степени частоты; ёмкость от частоты не зависит.
Что касается индуктивности, то здесь следует иметь в виду, что индуктивность может быть внутренней и внешней. Внутренняя индуктивность определяется магнитным потоком через сечение самого проводника. И поскольку эффективное сечение проводника с ростом частоты уменьшается, то уменьшается и внутренняя индуктивность Li. Внешняя индуктивность Lе определяется магнитным потоком через пространство между проводниками. И поскольку его сечение никак не меняется, то остается постоянной и внешняя индуктивность. Общая индуктивность цепи складывается из Li и Lе.
8.Вторичные параметры электрических кабелей. Зависимость от частоты. Волновое сопротивление. Zв
Волновое сопротивление - это сопротивление, которые электромагнитная волна встречает при распространении вдоль однородной линии без отражения.
Волновое сопротивление зависит лишь от первичных параметров линии и частоты передаваемого тока. Электромагнитную волну можно представить в виде двух волн: волны напряжения, или электрической энергии, и волны тока, или магнитной энергии. Соотношение между волной напряжения и волной тока, или между электрической и магнитной энергией, есть волновое сопротивление.
Волновое сопротивление при однородной линии не зависит от длины линии и постоянно в каждой точке цепи.
Коэф. Распространения γ
Затухание.
9.Взаимные влияния в электрических кабелях. Электрическое и магнитное влияния. Первичные параметры влияния.
По мере накопления многочисленных источников электромагнитных волн и средств связи возникли проблемы электромагнитной совместимости их друг с другом и уменьшения возникающих помех. Помехи, а подчас и опасные влияния создают высоковольтные линии передачи постоянного и переменного тока, электрические железные дороги, процессы электросварки, зажигание автомобилей, радио и телевидение, многочисленные производства с участием электричества и т.д.
Внутри линий связи возникают взаимные влияния цепей друг на друга, в результате чего возникают шум и переходные разговоры. При передаче сигнала на большое расстояние основная часть энергии рассеивается на нагрев металла и поляризацию диэлектрика, а также переходные цепи или рассеивается в пространстве. До приемника доходит только 0,1 ÷ 0,2 % всей передаваемой энергии.
Электрические влияния.
Магнитные влияния.
При протекании тока по цепи 1-2 (рис. 19 и 20) возникает электрическое и магнитное поле.
Под действием этих полей оказывается соседняя цепь 3-4. При действии электрического поля проводники 3 и 4 могут оказаться на разных эквипотенциальных поверхностях и получить разные потенциалы, в результате в цепи 3-4 возникает ток I2.Отношение тока I2 в цепи, подверженной влиянию, к разности потенциалов между проводами влияющей цепи называется коэффициентом электрической связи:
Ток I1, протекающий во влияющей цепи, создает вокруг проводника концентрическое магнит-
ное поле. Силовые линии этого поля пересекают проводник, подверженный влиянию и вызывают появление в нем вихревых токов, стремящихся компенсировать внешнее поле. Отношение ЭДС (-Е2), на веденной в проводнике, подверженному влиянию, к току во влияющем проводнике, называется магнитной связью:
где r12сопротивление вихревым током, а m12магнитная связь между цепями («коэффициент трансформации»).
Как видно из формул, влияние зависит от частоты. На низкой частоте (в случае городских кабелей) определяющей является электрическая связь. На высокой частоте электрические и магнитные связи примерно одинаковы. Величины g ≈ 10÷15% от ωk, a r ≈ 20% от ωm.
Иногда различают виды влияний:
•регулярные (при идеальной симметрии цепей);
•нерегулярные (при неоднородностях конструкции);
•систематические (из-за систематических погрешностей в технологии изготовления);
•непосредственные (между двумя соседними однородными цепями);
•косвенные (через третьи цепи, вследствие несогласованности нагрузок).
Влияние через третьи цепи особенно велико при высокой частоте на дальнем конце, где оно мо-
жет превышать непосредственное влияние между соседними цепями.
10.Вторичные параметры взаимного влияния. Зависимость от частоты.
Пользуясь тем же методом, что мы использовали при получении уравнения длинной линии (телеграфные уравнения), можно получить решения уравнений влияния и вычислить значения А1, А2
и
А3. На рис. 23 показано, как изменяется АО и А3 для симметричных (СК) и коаксиальных (КК) кабелей в зависимости от частоты. У симметричных кабелей защищенность с частотой падает, а у коаксиальных возрастает.
11.Электрическое и магнитное экранирование. Режимы экранирования. Затухание экранирования.
Наиболее радикальным средством защиты коаксиальных и симметричных цепей от помех является их экранирование. По конструкции и принципу действия различают экраны, защищающие от внешних и внутренних (взаимных) помех. Для защиты от внешних помех кабель поверх сердечника покрывается металлическими оболочками. Они, как правило, имеют сплошную цилиндрическую конструкцию и выполняются из свинца, алюминия или стали. Так же есть двуслойные (Al-Fe, Al-Pb). Так же есть экраны ленточного типа, оплёточные.
Сильные магнитные поля, как правило, присущи цепям с низким Zв, большим током и малым перепадом напряжений. Интенсивные электрические поля создаются в цепях с большим сопротивлением, высоким напряжением и малым током.
Затухание экранирования обусловлено:
затуханием поглощения — затуханием, связанным с тепловыми потерями на вихревые токи в металле экрана. Чем больше частота и толщина — тем вышеAп;
затуханием отражения — обусловленным несоответствием волновых характеристик экрана (металла) и диэлектрика, окружающего кабель. Zм и Zд. Чем больше различие между Zм и Zд — тем сильнее Aо. Ад зависит от режимов экранирования.
Различают несколько режимов экранирования.
Электромагнитностатический режим характеризует статические и стационарные поля и распространяется на диапазон до 4кГц. В этой области экраны действуют на принципе замыкания соответствующих полей вследствие повышенной электро и магнитопроводности металлов. Электростатическое экранирование обеспечивает экранирующий эффект, равный бесконечности при постоянном поле f=0, который с ростом частоты уменьшается в связи с зависимостью волнового сопротивления диэлектрика относительно электрического поля Zв^(е) = 1/i*w*e*r и природой экранирования электрического поля. Электростатическое экранирование состоит в замыкании электрического поля на поверхности металлической массы экрана и передачи электрических зарядов на землю или корпус прибора. Для этой цели подходит экран из любого металла (Cu, Fe, Al).
Относительно магнитостатических полей стальной и медный экраны ведут себя совершенно поразному.
Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толще экрана, происх.
в следствие его повышенной магнитопроводности. Магнитный поток, создаваемый несущим помехи проводом замывается в толще магнитного экрана и лишь частично проникает в экранированное пространство. Эффективность магнитного экранирования тем лучше, чем выше магнитная проницаемость μ и толщина экрана. Чем больше радиус экрана, тем хуже магн. Экранирование. Медь, алюминий, свинец — плохие для магн. изоляции, сталь — ок. При увеличении частоты происходит втеснение поля из толщи экрана и его повышенная магниторпроводность теряет своё нзачение. В области ВЧ стальной экран меняет режим на электромагнитный, действующий по принципу возникновения вихревых токов в толще экрана. Медный экран действует во всём диапазоне как электромагнитный → не очень хорош в области НЧ.
Электромагнитное экранирование заключается в многократном отражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухание ВЧ энергии в металлической толще экрана. Затухание энергии в экране обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи в металле. Отражение энергии связанно с несоответствием волновых характеристик диэлектрика и металла, из которого изготовлен экран.
ЭМ экранирование работает в диапазоне от 10^3 до 10^9
Волновой режим экранирования.
Распространяется на диапазон СВЧ — от 10^9 и выше. Пределом является соизменримость длины волны с диаметром экрана, при λ<=Dэ наступает волновой режим экранирования. В этом случае наряду с токами проводимости надлежит учитывать также токи смещения и исходить из полных уравнений электродинамики. Особенностью волнового режима является колебательный волновой характер изменения экранного затухания от частоты. Это связанно с припродой ЭМП СВЧ. связи, которые не используются на столь высоких частотах, этот режим практически не представляет интереса.
И ещё раз :)
Экраны в кабелях связи используются как для защиты цепей связи от влияния внешних электромагнитных полей, так и для уменьшения взаимных влияния между цепями. По своей конструкции в кабелях связи применяются преимущественно цилиндрические сплошные экраны (металлические оболочки) и экраны из алюминиевых и стальных лент, наложенных спирально.
По принципу работы экраны могут быть электростатические, магнитостатические и электромагнитные.
Электростатические экраны основаны на принципе разделения зарядов вследствие электростатической индукции. Обычно они изготовляются из металлизированной бумаги и предназначены для экранирования низкочастотных цепей с высоким уровнем передачи с целью уменьшения их влияния на соседние цепи.
Магнитостатические экраны выполняются из металла с большим значением относительной магнитной проницаемости материала экрана.
Применяются они для экранирования аппаратуры или её блоков от воздействия внешних магнитных полей и основаны на том, что магнитный поток вследствие повышенной магнитопроводности экрана проходит в его толще и не попадает в заэкранированное пространство. Эти экраны, как и электростатические, пригодны только для низкочастотного диапазона.
С увеличением частоты в экране будут наводиться вихревые токи и магнитостатический режим переходит в электромагнитный, при котором воздействие экрана на-электромагнитную волну проявляется в её частичном отражении от границ раздела двух сред: "диэлектрик - металл" и "металл - диэлектрик", а также в затухании волны в толще экрана. В области сверхвысоких частот, при которых длина волны становится соизмеримой с поперечными размерами экрана, наступает волновой режим экранирования. Для экранов кабелей связи, которые не используются на столь высоких частотах, этот режим практически не представляет интереса.
Эффективность экранирования учитывают коэффициентом экранирования Э, представляющим собой отношение напряженностей электромагнитного поля в какой-либо точке экранированного
пространства при наличии экрана (Е э и Н э ) к напряженности поля в этой же точке без экрана (Е и Н):
Коэффициент экранирования Э изменяется в пределах 1-10. Эффективность экрана можно выражать через затухание экранирования А э :
12.Физические процессы в оптическом волокне. Апертура волокна.
Как известно, видимый свет представляет собой электромагнитные колебания с частотой от 3,8 10^14 до 7,6 10^14 Гц, передача в оптическом кабеле ведется в красном и инфракрасном диапазоне от 1,9 10^14 до 3,5 10^14 Гц.
Наиболее подходящим для этого материалом оказалось кварцевое стекло. На рис. 25 показан процесс распространения светового луча по кварцевому волноводу. Луч света, входящий в торец световода, отражается от стенок и распространяется дальше. Чтобы происходило отражение, а не
преломление и выход света наружу, необходимо выполнение некоторых условий. Оптическое волокно состоит из двух слоев-сердцевины и оболочки, обладающими разными коэффициентами преломления, причем коэффициент преломления сердцевины n1 больше коэффициента преломления оболоч-
ки n2.
Луч света, войдя с торца волокна, достигает поверхности сердцевины и частично отражается, частично преломляется и выходит из сердцевины. По мере уменьшения угла θ между осью волокна и направлением луча угол преломления изменяется и при некотором угле θкр луч становится параллельным образующей цилиндра и не выходит за пределы сердцевины. Такое явление называется полным внутренним отражением, а угол θ кр- апертурным углом или просто числовой апертурой волокна NА (number aperture).
Если угол с осью волокна меньше апертурного, то распространение света происходит полностью в сердцевине волокна, и выхода света за пределы волокна не происходит. Определим величину числовой апертуры.
Согласно законам падения и отражения света (законы Снелля)
Если имеет место полное внутреннее отражение, то Ψ = 90° и sin Ψ = 1, откуда
тогда
откуда при полном внутреннем отражении:
Величину n0 можно принять n0≈ 1; и учитывая, что угол θ-величина малая, получим, что числовая апертура:
13.Затухание сигнала в оптическом волокне. Виды и причины затухания. Окна прозрачности.
При передаче по оптическому волокну сигнал испытывает затухание, которое обуславливается рядом причин: поглощением энергии на поляризацию молекул; поглощением энергии в примесях; поглощением и рассеянием на неоднородностях и изгибах, в результате чего меняется направление распространения лучей и происходит их высвечивание и т.д.
Затухание α(дБ/км) можно разделить на собственное затухание материала αс и кабельное затухание αк, которое обусловлено деформацией и изгибами волокна при скрутке и наложении покрытий. В свою очередь собственные потери αс складываются из потерь на поглощение (поляризацию молекул αn и поглощение в примесях αпр) и потерь на рассеивание αр.
Таким образом: α = αс+ αк= αn+ αпр+ αр+ αк
Нижний предел затухания определяется величиной затухания рассеяния αр, которое возникает вследствие неоднородности материала и тепловых флуктуации показателя преломления.
Небольшие взбросы в начале результирующей кривой при малых λ обусловлены поглощением
энергии тяжелыми ионами примесей металлов Сr, Fе, Сu и т.д. Два больших выброса в середине графика обязаны своим происхождением резонансным поглощением иона ОН-
Обращают внимание три больших минимума затухания на длинах волн 0,85; 1,3 и 1,55 мкм; они называются "окнами прозрачности". В этих окнах и осуществляется работа ВОЛС.
В последние годы разработан ряд новых типов волокон кривая затухания которых сильно отличается от приведённой на рис. 33. С помощью современных методов очистки удалось избавится от 2 го типа поглощения на волне 1,4 мкм. Эти волокны имеют ряд особенностей. Международный союз электросвязи разработал ряд рекомендаций по использованию этих волокон
При увеличении передаваемой мощности могут происходить изменения в самом материале волокна, связанные с вынужденным комбинационным рассеиванием. Бомбардировка молекул фотонами становится столь велика, что происходит переход колеблющихся электронов в молекулах на другие орбиты с последующим излучением на других длинах волн. Это явление называется рассеянием Мандельштама-Брюллиэна. Критическая мощность составляет величину 100 мВт для одномодовых волокон и 2,5 Вт для многомодовых. Обычно используется мощность до 50 мВт. При ещё большем увеличении мощности излучения (свыше 1 Вт) возникает захват фотонов молекулами и их обратное излучение на другой частоте. Часто энергии при этом выделяется в виде звуковых колебаний (фононов). Это явление носит название рассеяния Рамана
14.Дисперсия в оптическом волоке. Причины и виды дисперсии.
Импульс или сигнал, передаваемый по линии, по мере прохождения по волокну затухает по