Основні висновки теми.

1. Для передавання світлових хвиль діапазону 10¹⁴-10¹⁵ Гц використовуються волокносвітловоди (двошарові одномодові і багатомодові, градієнтні).

2. Основними параметрами світловодів є ослаблення та дисперсія сигналу.

3. Волоконнооптичні лінії зв'язку вміщують у собі оптичний кабель, ретранслятори, перетворювачі електричного сигналу в оптичний на передавальній стороні та оптичного в електричний на приймальній.

4. Волоконнооптичні лінії зв'язку мають ряд переваг порівняно з електричними кабелями (малогабаритність, широкосмуговість, відсутність міді та свинцю, висока захищеність від електромагнітних завад тощо), і тому за ними майбутнє техніки зв'язку.

Задачі

1. Знайти ослаблення сигналу у світловоді завдовжки l = 5 км для таких параметрів осердя: робоча довжина хвилі λ_р=1,18 мкм, тангенс кута діелектричних втрат tgδ₁=10^-10, показник заломлення п₁ = 1,48. Відповідь: 13,8 дБ.

2. Обчислити смугу частот, що можна передати багатомодовим світловодом завдовжки l =25 км із дисперсією сигналу в ньому σ₀ = 20 нс/км. Відповідь: Пв= 10МГц.

Тема 9. Електричні характеристики ліній зв’язку

1. ПОШИРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ЕНЕРГІЇ ПО ЛІНІЇ ЗВ'ЯЗКУ.

2. ЕЛЕКТРИЧНІ ПРОЦЕСИ В СИМЕТРИЧНИХ ЛАНЦЮГАХ.

3. ПРОЦЕСИ В ІЗОЛЯЦІЇ

4. ЕЛЕКТРИЧНІ ПРОЦЕСИ В КОАКСІАЛЬНИХ КАБЕЛЯХ.

1. ПОШИРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ЕНЕРГІЇ ПО ЛІНІЇ ЗВ'ЯЗКУ.

Розглянемо фізичну сутність процесу поширення електромагнітної енергії уздовж лінії зв'язку.

В момент підключення генератора до початку ланцюга на найближчих до нього відрізках проводів з'являються електричні заряди різних знаків, тобто на одному проводі - позитивні, а на іншому - негативні. Між проводами виникає різниця потенціалів, завдяки чому в поділяючому їх шарі повітря утворюється електричне поле (напруженість Е). З часом ці заряди і зв'язане з ним електричне поле переміщаються з деякою кінцевою швидкістю уздовж проводів. Рух зарядів створює електричний струм у проводах, що у свою чергу утворює навколо проводів магнітне поле (напруженість Н), яке переміщається разом зі струмом від початку до кінця ланцюга. Отже, завдяки наявності зарядів і їхньому переміщенню в проводах одночасно виникають електричне і магнітне поля, що поширюються від початку лінії до її кінця.

Загальна картина розподілу електромагнітного поля двохпровідного ланцюга показана на мал. 9.1. Силові електричні і магнітні лінії розташовуються взаємно перпендикулярно, причому перші замикаються в просторі між проводами, а другі (у вигляді зміщених щодо центра окружностей) - довкола кожного проводу.

Сукупність електричних і магнітних полів, що поширюються уздовж лінії з визначеною швидкістю, називається електромагнітною хвилею.

На всьому шляху проходження електромагнітної хвилі енергія електричного поля (Wе) дорівнює енергії магнітного поля (Wм): Wе= Wм.

Відомо, що Wе=іWм= , деU i I - напруга і струм ланцюга, С і L - ємність і індуктивність ланцюга.

Енергія магнітного поля може переходити в енергію електричного поля, і навпаки.

Рис. 9.1. Електромагнітне поле симетричного ланцюга.

При передачі по ланцюгу енергії високочастотних коливань щільність струму збільшується до поверхні проводів, причому чим вище частота, тим сильніше ефект зсуву струму на поверхню проводів.

Електромагнітна енергія при передачі по ланцюгу зосереджується в основному в навколишньому середовищі провода - діелектрику. Тому при передачі сигналів зв'язку по проводах носієм високочастотної електромагнітної енергії є не проводи, а їхнє навколишнє середовище. Проводи лише задають напрямок руху енергії. Завдяки їм електромагнітна енергія не розсіюється в усі сторони, а рухається уздовж лінії.

Електромагнітну хвилю можна представити у вигляді двох хвиль: хвилі напруги (що відповідає електричному полю) і хвилі струму (що відповідає магнітному полю). Між цими хвилями в будь-якій точці ланцюга існує визначене співвідношення, що залежить від властивостей ланцюга і має розмірність опору (Ом). Це співвідношення прийнято називати хвильовим опором, Ом:

Zхв==

При поширенні по ланцюзі електромагнітна енергія зменшується (загасає) по амплітуді і змінюється по фазі.

2. ЕЛЕКТРИЧНІ ПРОЦЕСИ В СИМЕТРИЧНИХ ЛАНЦЮГАХ.

Поширення електромагнітної енергії по кабельному ланцюгу є єдиним процесом, що охоплює струмопровідні жили й ізоляцію. Однак для наочності доцільно показати, як цей процес протікає окремо в жилах (металі) і в ізоляції (діелектрику).

Частина електромагнітної енергії, що проходить уздовж кабельного ланцюга, поглинається струмопровідними жилами і розсіюється у вигляді теплових втрат на вихрові струми, викликаючи згасання в металі α_м. Це явище враховується двома первинними параметрами передачі ланцюга: опором R і індуктивністю L.

В ізоляції, що знаходиться в перемінному електромагнітному полі, відбувається явище поляризації, виникають діелектричні втрати, що обумовлює загасання в діелектрику α_д. Ці явища характеризуються другою парою первинних параметрів передачі ланцюга: ємністю С и провідністю ізоляції G.

Поширення електромагнітної енергії по кабельних ланцюгах зв'язку (направляючим системам), так само як і всі інші електромагнітні процеси (випромінювання, поглинання, поширення у вільному просторі і т.д.), підкоряється основним законам електромагнітного поля, математично вираженими рівняннями Максвелла.

Під дією перемінного поля відбувається перерозподіл електромагнітної енергії по перетину жили; при цьому мають місце наступні явища: поверхневий ефект, ефект близькості і вплив на параметри ланцюга навколишніх металевих мас (сусідніх струмопровідних жил, екрана, оболонки, броні). Ці явища викликають зміни електромагнітного поля і параметрів ланцюгів. Активний опір R і ємність С зростають, а індуктивність L зменшується. Найбільш істотно зростає опір ланцюга: R=R₀+Rп.е+Rбл+Rм, де R₀ — опір постійному струму; Rп.е. — опір за рахунок поверхневого ефекту; Rбл—опір за рахунок ефекту близькості; Rм — опір, обумовлений втратами в навколишніх металевих масах.

Поверхневий ефект обумовлений дією електромагнітної хвилі, що поширюється по струмопровідній жилі. Силові лінії внутрішнього магнітного поля Н (мал. 9.2), перетинаючи товщу жили, наводять у ній вихрові струми Iв.cт., спрямовані за законом Ленца, тобто проти обертання рукоятки при поступальному русі буравчика. Вихрові струми Iв.cт. у центрі жили мають напрямок, зворотний руху основного струму, що протікає по ній, а на периферії їхнього напрямку збігаються.

Рис. 9.2. Явище поверхневого ефекту.

У результаті взаємодії вихрових струмів з основним відбувається такий перерозподіл струму по перетину жили, при якому щільність його зростає до поверхні жили. Це явище зветься явищем поверхневого ефекту. Останній зростає зі збільшенням частоти струму, магнітної проникності, провідності і діаметра жили. При досить високій частоті струм протікає лише по поверхні жили, що викликає збільшення її активного опору. Таким чином, завдяки явищу поверхневого ефекту перемінний струм проникає в жилу лише на невелику глибину, що називається еквівалентною глибиною проникнення.

Коефіцієнт вихрових струмів визначається по формулі:

k=

де ω-кругова частка; μ -магнітна проникність матеріалу жили; σ - провідність цього матеріалу.

Еквівалентна глибина проникнення

θ==

У практичних одиницях σ=10⁶σ, Ом м/мм²; μ_α=μ₀μ_r= 4π 10^-7μ_r, Гн/м. Тоді коефіцієнт вихрових струмів

k==2, 1/м.

Відповідно глибина проникнення

θ==

Зі збільшенням частоти переданого струму глибина проникнення різних металів різко зменшується (табл. 9.1). Порівняно з іншими застосовуваними металами найбільшою глибиною проникнення струму володіє свинець.

f, Гц	Мідь		Алюміній		Свинець		Сталь
	k, 1/мм	θ, мм	k, 1/мм	θ, мм	k, 1/мм	θ, мм	k, 1/мм	θ, мм
1х104 6х104 1х105 2х105 5х105 1х106 1х107 1х108	2,121 5,196 6,709 9,487 15,0 21,21 67,09 212,1	0,667 0,272 0,211 0,149 0,094 0,067 0,021 0,0067	1,635 4,006 5,172 7,135 11,56 16,35 51,72 163,5	0,864 0,353 0,274 0,193 0,122 0,086 0,027 0,0086	0,597 1,453 1,889 2,671 4,224 5,972 18,89 59,72	2,367 0,966 0,747 0,529 0,334 0,237 0,075 0,0237	7,561 18,52 23,92 33,82 53,47 75,61 239,2 751,1	0,187 0,076 0,059 0,042 0,026 0,019 0,006 0,0019
Розрахункова формула	21,2х10-3	66,68	16,35х10-3	86,4	5,97х10-3	23,67	75,6х10-3	18,7

Ефект близькості виникає через взаємодію зовнішніх полів. Як видно з мал. 9.3, зовнішнє магнітне поле Н провідника а, перетинаючи товщу провідника б, наводить у ній вихрові струми. На поверхні провідника б, зверненої до провідника а, вихрові струми збігаються по напрямку, що протікає по ній основним струмам (I+Iв.т), а на протилежній поверхні жили б вони спрямовані назустріч основному струму (І-Ів.т). Аналогічний перерозподіл струмів відбувається в провіднику а.

При взаємодії вихрових струмів з основним щільність результуючого струму на звернених один до одного поверхнях струмопровідних провідників а і б збільшується, а на окремих - зменшується. Це явище («зближення» струмів у провідниках а і б) зветься ефектом близькості. Через цей нерівномірний розподіл щільності струму збільшується активний опір ланцюга перемінного струму.

Ефект близькості також прямо пропорційний частоті, магнітній проникності, провідності і діаметру провідника і, крім того, залежить від відстані між провідниками ланцюга. З наближенням провідників один до одного дія ефекту близькості зростає пропорційно квадрату відстані.

Рис. 9.3. Ефект близькості провідників.

Рис. 9.4. Розподіл щільності струмів пари.

Якщо по двох сусідніх жилах струми проходять в одному напрямку, то перерозподіл їхньої щільності через взаємодію зовнішніх електромагнітних полів приводить до збільшення щільності струмів на взаємно віддалених поверхнях провідників а і б.

На мал. 9.4 показаний розподіл щільності струмів у провідниках симетричного ланцюга, коли струми в них спрямовані протилежно (а) і коли вони збігаються по напрямку (б).

Навколишні металеві маси за рахунок відображення від них електромагнітного поля також впливають на параметри ланцюга. Магнітне поле Н, створюване струмом, що протікає по жилах ланцюга, наводить вихрові струми Iв.т. у сусідніх ланцюгах кабелю, у навколишньому екрані, металевій оболонці, броні і т.д. Вихрові струми нагрівають металеві елементи кабелю і створюють додаткові теплові втрати енергії, що виражається як би в «відсмоктуванні» деякої частки переданої енергії. При цьому найбільш впливають близько розташовані до розглянутого ланцюга металеві елементи кабелю. Крім того, вихрові струми створюють поле зворотної дії, що впливає на провідники ланцюга і також змінює їхні параметри.

3. ПРОЦЕСИ В ІЗОЛЯЦІЇ.

На відміну від струмопровідних жил, де маються вільні електрони і діє струм провідності Iпр, в ізоляційному матеріалі немає вільних електронів, а маються іони і зв'язані диполі. Під дією перемінного електромагнітного поля в ізоляції відбувається зсув диполів, їхня переорієнтація і поляризація (мал. 9.5). Поляризацією називається зсув позитивних і негативних зарядів в ізоляції під дією електричного поля.

Перемінна поляризація обумовлює виникнення і дію струмів зсуву (ємнісних струмів) Ізс і викликає витрати енергії на переорієнтацію диполів (втрати в ізоляційному матеріалі - діелектрику). Чим вище частота коливань, тим сильніші струми зсуву і більші втрати. При постійному струмі ці явища відсутні.

Явища в ізоляції цілком характеризуються двома параметрами: ємністю С, що визначає здатність поляризації і величину струмів зсуву, і провідністю ізоляції G, що визначає величину втрат в ізоляційному матеріалі.

Рис. 9.5. Процес поляризації: а) хаотичне розташування диполів; б) поляризація під дією електричного поля.

4. ЕЛЕКТРИЧНІ ПРОЦЕСИ В КОАКСІАЛЬНИХ КАБЕЛЯХ.

Прагнення до розширення використовуваного спектра частот, викликане необхідністю створювати на найважливіших напрямках могутні пучки каналів зв'язку, привело до того, що в останнє десятиліття на магістралях широко використовуються коаксіальні кабелі. У порівнянні з лініями інших типів коаксіальні магістралі найбільш повно відповідають вимогам здійснення високочастотного зв'язку і міжміської телевізійної передачі.

По коаксіальному кабелю можна передавати дуже широкий спектр частот при малих втратах; цей кабель добре захищений від впливу сусідніх ланцюгів і зовнішніх завад. Крім того, така система зв'язку в цілому більш економічна.

Взаємодія електромагнітних полів внутрішнього і зовнішнього провідників коаксіального кабелю така, що його зовнішнє поле дорівнює нулю. Це наочно ілюструється на мал. 9.6, де показаний характер зміни напруженості магнітного поля Н^α_φ і Н⁶_φ, кожного провідника (α і б) окремо. У металевій товщі внутрішнього провідника (α) магнітне поле Н^α_φ зростає, а поза ним - зменшується за законом Н^α_φ =, деr - відстань від центра проводу до точки, в якій визначається напруженість поля. Поле Н⁶_φ зовнішнього провідника (б) зображено відповідно до закону електротехніки: всередині порожнього циліндра магнітне поле відсутнє, а поза ним виражається таким же рівнянням, як і для суцільного провідника

Н⁶_φ=-, деr - також відстань від центра порожнього провідника. Тому при визначенні зовнішніх магнітних полів коаксіального кабелю параметр r для проводів приймається однаковим і обчислюється від їхнього загального центра (нульової точки).

Рис. 9.6. Результуюче магнітне поле коаксіального ланцюга і його складові.

Струми в провідниках αі б рівні по величині й зворотні за знаком, тому магнітні поля внутрішнього і зовнішнього провідників Н^α_φ і Н⁶_φ у будь-якій точці простору поза кабелем також рівні по величині і спрямовані в різні сторони. Отже, результуюче магнітне поле поза кабелем:

Н_φ=Н^α_φ+Н⁶_φ=+(-)=0.

Таким чином, лінії магнітного поля коаксіального кабелю розташовуються у виді концентричних окружностей всередині нього.

Електричне поле також замикається всередині коаксіального кабелю по радіальних напрямках між провідниками α і б. Тому в коаксіальному кабелі через відсутність зовнішнього поля немає втрат у навколишніх його металевих масах. Вся енергія поширюється тільки всередині кабелю і більш ефективно передається по ланцюгу.

На мал. 9.7 зображені електромагнітні поля коаксіального і симетричного ланцюгів. Як видно з малюнку, електромагнітне поле коаксіального ланцюга цілком замикається всередині нього, а силові лінії електромагнітного поля симетричного ланцюга діють на досить значній від нього відстані.

Рис. 9.7. Електромагнітне поле ланцюга : а) симетричного; б) коаксіального.

Відсутність зовнішнього електромагнітного поля обумовлює основні достоїнства коаксіальних кабелів: широкий діапазон частот, велике число каналів, захищеність від перешкод і можливість організації однокабельного зв'язку. У симетричних ланцюгах через наявність зовнішнього електромагнітного поля виникають вихрові струми в сусідніх ланцюгах і навколишніх металевих масах (оболонка, екран), частина енергії розсіюється у вигляді втрат на тепло і збільшується згасання. Крім того, у симетричних кабелях за рахунок зовнішнього поля наводяться завади в сусідніх ланцюгах.

Розглянемо дію поверхневого ефекту й ефекту близькості в коаксіальних кабелях і визначимо характер розподілу щільності струмів у проводах при різних частотах.

Розподіл щільності струму в проводі визначається дією поверхневого ефекту. Перерозподіл щільності струму по перетині провідника б обумовлено ефектом близькості до нього провідника α.

На мал. 9.8 показане перемінне магнітне поле, створюване струмом провідника α, що наводить у металевій товщі порожнього провідника б вихрові струми (Ів.ст). На внутрішній поверхні провідника б напрямку вихрових і основних струмів збігаються (I+Ів.ст), а на зовнішній поверхні вони протилежні (І-Ів.ст.). В результаті струм у провіднику б перерозподіляється так, що його щільність зростає в напрямку до внутрішньої поверхні.

Рис. 9.8. Розподіл щільності струму в зовнішньому провіднику.

Отже, струми в провідниках α і б коаксіального ланцюга якби зміщаються і концентруються на взаємно звернених поверхнях провідників (мал. 9.9). Чим вище частота струму, тим сильніше ефект зсуву струму на зовнішню поверхню провідника α і внутрішню поверхню провідника б.

Енергія якби витісняється з металевої товщі провідників і зосереджується всередині коаксіального кабелю, в ізоляції, а провідники задають лише напрямок поширенню хвиль електромагнітної енергії.

Електромагнітне поле високої частоти, що заважає, створюване сусідніми ланцюгами чи передачі іншими джерелами перешкод, діючи на зовнішній провідник б (оболонку) коаксіального ланцюга, поширюється не по всьому перетину кабелю, а лише по зовнішній його поверхні. Таким чином, зовнішній провідник б коаксіального кабелю захищає (екранує) передачу, що ведеться по кабелю, від впливів, що заважають.

Рис. 9.9. Концентрація струмів на взаємно звернених один до одного поверхнях внутрішнього (α) і зовнішнього (б) провідників коаксіального ланцюга.

Рис. 9.10. Робочий струм і струм перешкод у зовнішньому провіднику коаксіального кабелю.

З мал 9.10 видно, що основний струм передачі (робочий струм) концентрується на внутрішній поверхні малюнку провідника б коаксіального кабелю, а струм перешкод - на зовнішній стороні цього провідника. Основний струм і струм перешкод проникають у товщу провідника лише на глибину, обумовлену коефіцієнтом вихрових струмів. При цьому чим вище частота, тим більше віддаляються один від одного основний струм і струм перешкод, і, отже, кабель краще захищений від дії сторонніх перешкод. Таким чином, на відміну від всіх інших типів кабелів у коаксіальних кабелях на високих частотах захист від завад забезпечується їхньою конструкцією.