Тема13. Неоднорідні і складені лінії.

1.ВЛАСТИВОСТІ НЕОДНОРІДНИХ ЛІНІЙ.

2.КОНСТРУКТИВНІ НЕОДНОРІДНОСТІ В

КОАКСІАЛЬНИХ І СИМЕТРИЧНИХ КАБЕЛЯХ.

3.КАБЕЛЬНІ ВСТАВКИ В ПОВІТРЯНІ ЛІНІЇ.

.

1.ВЛАСТИВОСТІ НЕОДНОРІДНИХ ЛІНІЙ.

Розроблені вище явища відносилися до лінії, однорідної по своїх електричних характеристиках на всій довжині і навантаженій по кінцях апаратурою з опором, рівним хвильовому (Zо=Zl=Zxв). У цьому випадку відбитих электромагнітних хвиль немає і вся передана енергія цілком поглинається приймачем, електричні процеси в лінії описуються спрощеними рівняннями, а згасання лінії визначається її власним згасанням. Оскільки кабельна лінія однорідна і навантаження погоджені, опір у будь-якій її точці однаковий і дорівнює хвильовому. Такий стан лінії найбільше сприятливий для проходження сигналів зв'язку, і його прагнуть створити в практиці при будівництві магістралей далекого зв'язку.

Значно більш складні електромагнітні процеси виникають у неоднорідних лініях і при неузгоджених навантаженнях. В місцях електричних невідповідностей виникають відбиті хвилі, деяка частка енергії повертається до початку ланцюга. Отже, у приймач надходить лише частина енергії, по абсолютній величині менша, чим при погодженому навантаженні.

У неоднорідній лінії відбиті хвилі спотворюють частотну характеристику власного хвильового опору кабелю. Підключений до входу ланцюга вимірювальний прилад покаже вже не хвильовий, а вхідний опір Zвх, що характеризує новий електричний стан лінії. Згасання неоднорідної лінії являє собою сумарну величину, що включає, крім власного згасання кабелю, також згасання за рахунок неоднорідності електричних характеристик ланцюга. Дальність зв'язку по такій кабельній лінії буде обумовлюватися не власним згасанням лінії а=α1, а її робочим згасанням α_р.

Кількісне співвідношення між енергією, що надійшла до приймача і відбитої, залежить від співвідношення опорів приймача Z_l і хвильового Zхв і характеризується коефіцієнтом відображення р=. При погодженому навантаженні (Z_l=Zхв) коефіцієнт відображення перетворюється в нуль і енергія цілком поглинається приймачем. При замиканні кінця ланцюга накоротко (Z_l=0) і при холостому ході (Z_l = ∞) коефіцієнт відображення відповідно дорівнює -1 і +1.

Вхідним опором Zвх називається опір, що вимірюється на вході лінії при будь-якому навантажувальному опорі на її кінці. Величина Zвх виражається відношенням напруги U₀ до струму I₀ на початку лінії:

Zвx==Z_вth(γ1+n)

де n==

р - коэффициент відображення.

Якщо лінія має погоджене навантаження (Z_l=Zхв), то Zвx=Zхв і коефіцієнт відображення р=0. Для електричної довгої лінії при будь-якім навантаженні на її кінці Zвx=Zхв.

На відміну від хвильового опору вхідний опір лінії залежить від довжини лінії й опору навантаження. Це пояснюється тим, що при неузгодженому навантаженні (тобто при Z_вx≠Z_в) у лінії виникають відбиті хвилі, що, взаємодіючи з падаючими, змінюють співвідношення напруги і струму на початку лінії (Zвх=). Аналогічні, але ще більш складні процеси відбуваються в складених лініях, у кабелях з конструктивними неоднорідностями й в інших випадках наявності неоднорідності електричних характеристик кабельної магістралі.

Вхідний опір лінії можна також виразити через величину еквівалентного коефіцієнта відображення р, віднесене до початку лінії у виді

Zвх=≈Zхв(1+2р).

Залежність вхідного опору кабелю від частоти при навантажувальному опорі Z_l=2Z_в показана на мал. 13.1.

Рис. 13.1. Частотна залежність вхідного опору ланцюга Zвх.

Робоче згасання α_р є згасанням кабельного ланцюга в робочих умовах, тобто при будь-яких навантажувальних опорах (Z₀ і Z₁) на кінцях (мал. 13.2). Воно представляє більш загальний параметр, тому що крім власного згасання кабелю а=α1 враховує також вплив непогодженості на стиках кабелю (Zхв) з навантаженням (Z_о і Z_l).

Рис. 13.2. До розрахунку робочого загасання.

Робоче згасання розраховується по формулі:

а=αl+ln │ +ln│ +ln│1-p₁p₂e ^-2γl│ (*)

де р₁ р₂ - коефіцієнти відображення на стиках «генератор - кабель» і «приймач - кабель»:

р₁= р₂=

Вираз (*) складається з чотирьох доданків: перший доданок виражає власне згасання кабелю α1; другий і третій - додаткові згасання внаслідок непогодженості опорів генератора і кабелю Zо≠Zхв, а також приймача і кабелю Z_l ≠Z; четвертий доданок дорівнює додатковому загасанню від взаємодії непогодженостей на початку і наприкінці лінії. Якщо забезпечити узгодження навантажувальних опорів на початку і наприкінці лінії (Z₀=Z₁=Z_в), то в цьому випадку в (*) залишиться лише перший доданок і робоче згасання виявиться рівним власному (а_р=α1).

Як випливає з (*) і фізичної природи явищ, робоче згасання у загальному випадку завжди більше власного згасання (а_р>α1). Однак у деяких випадках може виявитися, що додаткові доданки: другий, третій, четвертий негативні і відповідно величина робочого згасання може виявитися менше власного згасання (а_р<α1). Це відбудеться тоді, коли опір навантаження (Z₀ чи Z_l) і хвильовий опір кабелю будуть мати фази різних знаків, тобто у випадку сполучення опорів ємнісного та індуктивного характеру.

2. КОНСТРУКТИВНІ НЕОДНОРІДНОСТІ В КОАКСІАЛЬНИХ

І СИМЕТРИЧНИХ КАБЕЛЯХ.

При виготовленні коаксіального кабелю може виникнути деформація у вигляді ексцентриситету в розташуванні провідників, порушується їх форма, сталість взаємного розташування і т.п. У результаті змінюються параметри кабелю і він перестає бути однорідним по довжині.

Розрізняють неоднорідності внутрішні - у межах будівельної довжини кабелю і стикові, обумовлені розходженням характеристик будівельних довжин, що сполучаються. Стикові неоднорідності, як правило, перевищують внутрішні. Неоднорідність кабелю позначається, головним чином, на хвильовому опорі кабелю, величина якого на ділянках неоднорідності відрізняється від номінальної.

Неоднорідності ланцюга враховуються через коефіцієнт відображення

р = =

де Z^/хв і Zхв - хвильові опори сусідніх неоднорідних ділянок кабелів; ∆Zхв - величина відхилення хвильового опору ∆Zхв=2рZхв.

Хвильовий опір кабелю (коаксильного)

Zхв= Ом, і залежить від трьох параметрів: ε, d, D. Маючи на увазі, що неоднорідність величин ∆d, ∆D, ∆ε порівняно невелика, відхилення хвильового опору від середнього значення може бути виражено рівнянням:

∆Zхв=

Найбільший вплив на коливання хвильового опору здійснюють відхилення розмірів зовнішнього провідника і неоднорідність ізолюючих матеріалів, що викликає коливання величини діелектричної проникності. Внутрішній провідник, що представляє собою суцільний дріт, може бути виготовлений з великою точністю.

Реальний коаксіальний кабель можна розглядати як неоднорідний ланцюг, складений з окремих ділянок. Електромагнітна хвиля, поширюючи по такому кабелі і зустрічаючи на своєму шляху неоднорідність, частково відбивається від неї і повертається до початку лінії. При наявності декількох неоднорідних ділянок хвиля перетерплює серію часткових відображень і, циркулюючи по лінії, викликає додаткове згасання і перекручування характеристик ланцюга.

Неоднорідності в кабелі приводять до появи в ланцюзі двох додаткових потоків енергії: зворотного, що складається із суми елементарних відбитих хвиль у місцях неоднородностей і, що рухається до початку ланцюга, і супутного, виникаючого за законом подвійних відображень, унаслідок того, що спочатку відбиті хвилі, що рухаються до початку ланцюга, зустрічаючи місця неоднородностей, частково відбиваються і направляються до кінця лінії (мал. 13.3).

Зворотний потік приводить до коливань величини вхідного опору кабелю Zвх, тобто характеристика Zвх стає хвилеподібною. Це ускладнює узгодження кабелю з апаратурою на кінцях ліній і призводить до перекручувань у ланцюзі передачі.

Рис. 13.3. Схема утворення зворотного і побіжного потоків у неоднорідному ланцюзі.

Побіжний потік спотворює форму переданого сигналу і також створює перешкоди в передачі. Особливо страждає через це якість телевізійної передачі, для якої фазове співвідношення переданих і прийнятих сигналів є вирішальним чинником. Для нормальної передачі телевізійних сигналів величина побіжного потоку повинна складати не більш 1 % основного.

Високоякісний телефонний зв'язок вимагає відсутності амплітудних перекручувань у ланцюзі передачі й у першу чергу сталості Zхв.

Для забезпечення необхідної якості зв'язку і телевізійної передачі по коаксіальному кабелі необхідно, щоб відхилення хвильового опору ∆Zхв, обумовлене відображеннями, не перевищувало ±0,45 Ом, що відповідає коефіцієнту відображення 3%.

Рис. 13.4. Зміна вхідного опору неоднорідної коакціальной ланцюга в залежності від її довжини.

На мал. 13.4 показана зміна вхідного опору неоднорідного кабелю в залежності від його довжини, обмірюване імпульсним методом. Тут же зазначена припустима норма неоднородностей ∆Zхв=±0,45 Ом. З малюнка видно, що величина Zвх складно міняється відносно Zхв=75 Ом і в чотирьох крапках значення Zвх вище норми. Частотна залежність вхідного опору неоднорідного коаксіального кабелю також буде мати складний коливальний характер навколо величини Zхв=75 Ом. Супутний потік за рахунок внутрішніх неоднородностей прямо пропорційний довжині кабельної лінії, а за рахунок стикових неоднородностей - числу будівельних довжин кабелю.

Варто мати на увазі, що в аналогових системах передачі з частотним поділом каналів супутний потік треба враховувати по всій довжині лінії. У цифрових системах передачі з тимчасовим поділом каналів супутний потік лімітується довжиною регенераційної ділянки.

З метою підвищення однорідності електричних характеристик коаксіальних магістралей здійснюється спеціальне групування будівельних довжин кабелів перед прокладкою з таким розрахунком, щоб відхилення хвильового опору двох суміжних будівельних довжин не перевищувало 0,3 Ом. При цьому будівельні довжини розташовують так, щоб величини хвильового опору поступово наростали від початку підсилювальної ділянки до його середини і спадали від середини до кінця. На вході в підсилювальний пункт прокладають будівельні довжини з номінальним хвильовим опором (75 Ом) (табл. 13.1).

Таблиця 13.1.

Група кабелю	Пари 2,6/9,5	Пари 1,2/4,6
I	74,35—74,65	73,5 —74,1
II	74,66—74,90	74,11—74,7
III	74,91—75,15	74,71—75,3
IV	75,16—75,40	75,31—75,9
V	75,41—75,65	75,91—76,5

Неоднорідності коаксіальних кабелів у даний час досліджуються і вимірюються переважно імпульсним методом за допомогою імпульсних приладів великої чутливості, що дозволяють спостерігати на екрані ступінь однорідності хвильового опору кабелю по його довжині і встановлювати місце і характер ушкодження.

Симетричні ВЧ кабелі з метою підвищення однорідності ВЧ лінії групуються за значеннями робочих ємностей, тобто встановлюється послідовність прокладки будівельних довжин кабелів відповідно до даних, зазначених в заводських паспортах кабельних барабанів.

Для ВЧ симетричних кабелів передбачається вісім груп по середніх величинах робочих ємностей у межах 25 ±0,8 нФ/км, тобто через кожні 0,2 нФ/км. Таким чином, будівельні довжини кабелів повинні укладатися в такій послідовності, щоб середні робочі ємності (за даними паспортів на будівельні довжини як средньоарифметичне для всіх ланцюгів) суміжних будівельних довжин відрізнялися не більш 0,2 нФ/км.

Для зменшення внутрішніх неоднородностей ВЧ симетричних кабелів технічними умовами нормується величина максимального відхилення робочої ємності ланцюга (С не більш 3%).

Поруч розташовані будівельні довжини кабелів повинні мати однакові чи суміжні групи. На підставі проведеного групування складається укладальна відомість, що фіксує послідовність прокладки будівельних довжин кабелів на кожній підсилювальній ділянці.

3. КАБЕЛЬНІ ВСТАВКИ В ПОВІТРЯНІ ЛІНІЇ.

У ланцюгах повітряних ліній зв'язку кабельні вставки влаштовують при:

- перетинанні водяних і гірських перешкод у тих випадках, коли будівля повітряного переходу скрутна чи економічно невигідна;

- необхідності дотримання вимог благоустрою міста, що не допускає будівлі в межах міста повітряних ліній;

- перетинання електрофікованих залізних доріг, високовольтних ліній електропередач і т.п.

Хвильовий опір повітряних ланцюгів по модулю більше хвильового опору кабельних ланцюгів Zхп>Zхк. Кут хвильового опору повітряного ланцюга менше, ніж кут хвильового опору кабельного ланцюга Zхп<Zкх, тому в місці стику повітряної лінії і кабельної вставки відбувається відображення електромагнітних хвиль, що приводить до хвилеподібної зміни вхідного опору ланцюга в залежності від частоти. Це обумовлює хвилеподібний характер частотної залежності вторинних параметрів ліній і приводить до збільшення робочого згасання ланцюга і взаємних впливів між ланцюгами. При цьому знижується стійкість зв'язку, особливо на високих частотах. Для зменшення відображень енергії в місцях стику повітряної лінії і кабельної вставки погоджуються хвильові опори цих ланцюгів у всьому діапазоні переданих частот. Пристрої, що погоджують, у місцях стику кабельних і повітряних ланцюгів необхідно встановлювати в тих випадках, коли результуючий коефіцієнт відображення більше 0,1 для ланцюгів 12 - канальної системи і більш 0,2 для ланцюгів 3 - канальної системи.

Узгодження хвильових опорів ланцюгів повітряних ліній і кабельних уставок досягається за допомогою встановлення перехідного перетворювача хвильового опору - трансформатора, що має з одного кінця вхідний опір, рівний хвильовому опору ланцюга повітряної лінії, а з іншого - ланцюга кабелю. Найпростішим пристроєм, що погоджує, є перехідний трансформатор, коефіцієнт трансформації якого n=. За допомогою трансформатора можна погодити тільки модулі хвильових опорів, кути залишаються неузгодженими. На високих частотах (понад 10 кГц) кути при хвильових опорах ланцюгів повітряних і кабельних ліній малі, тому їхнім розходженням зневажають.

При використанні трансформатора неможливо вимірювати ланцюг постійним струмом, тому на практиці для узгодження ущільнених ланцюгів повітряних ліній з кабельними вставками застосовують автотрансформатори (мал. 13.5). Для ланцюгів ЦМ застосовують автотрансформатори, що мають співвідношення вхідних опорів 550:140 Ом для кабелю типу ТЗ і 550:180 Ом для кабелів типів МК і МКС. Для сталевих ланцюгів застосовують автотрансформатори з вхідними опорами 800:140 Ом для кабелю типу ТЗ і 800:180 Ом для кабелю типів МК і МКС.

Рис. 13.5. Схема погоджуючого автотрансформатора.

Погоджуючі автотрансформатори, що погоджують, що установлюються на кабельних опорах, скорочено називають ПЛП (погоджуючий лінійний пристрій ). Для узгодження хвильового опору вступних кабелів із вхідним опором високочастотної апаратури застосовують автотрансформатори ПСП (погоджуючий станційний пристрій ).

Зазначені пристрої, що погоджують, мають однакові електричні характеристики і відрізняються лише конструктивним оформленням. У кожному з них містяться два автотрансформатори для включення двох ВЧ ланцюгів.

Для узгодження хвильових опорів повітряної і кабельної лінії можливе застосування пупінізації. За рахунок введення в кабель додаткової індуктивності підвищується модуль хвильового опору і зменшується його кут, у результаті чого досягається узгодження.

4. ЯКІСТЬ ПЕРЕДАЧІ І ДАЛЬНІСТЬ ЗВ’ЯЗКУ.

Дальність передачі по кабельній лінії обумовлена (затуханням) самого кабеля і властивостями апаратури : потужністю генератора (передатчика) і чутливістю приймача.

Якщо відомі, підсилююча властивість апаратури а і коефіцієнт згасання ά, то дальність зв’зку l визначається l = ,км.

Розрізняють дві системи зв’язку по кабельних лініях: НЧ і ВЧ.

При НЧ системі згасання, що перекривається обумовленою потужністю, яку розвиває мікрофон, як генератор (Р=10Вт) і чутливістю телефона як приймача (Р=10Вт), і дорівнює а=αl=10lg = 30 дБ.

Практично величина згасання лінії і апаратури між двома абонентами різних міст прийнята 27,8 дБ, а на міських мережах (МТМ) – 28,7 дБ.

Розподіл згасання в тракті телефонного зв’язку можна передавати слідуючим чином:

А) АТС МТС МТС АТС

А-1 1,3 0,9 0,9 1,3 А-2

4,3 3,9 7 3,9 4,3

міська мережа міжміська лінія міська мережа

Б) АТС АТС

А-1 1,3 1,3 А-2

4,3 17,4 4,3

Абон. лінія з’єднувальна лінія Абон. лінія

Рис. 13.6 Розподіл згасання в тракті телефонного зв’язку.

Затухання в 7,0 дБ облегшує дальність міжміського зв’язку (без підсилення) по кабелях лише декількома десятками кілометрів. При ВЧ системі перекриваєме згасання обумовлює допустимий рівень корисного сигналу підсилювача ( 0-8,7 дБ) і мінімальним рівне прийому, що складає 45-50 дБ. Тоді перекриваєме згасання складає 45-58 дБ. Дальність звЄязку при цьому також невелика 6-20 км.

Одним із методів збільшення дальності зв’язку по кабельних лініях є послідовне включення в лінію підсилювачів, які компенсують згасання ланцюга. Таким методом можна збільшити дальність зв’язку до 10 000 км.

l=; t-допустимий час проходження сигнала ( 100 м/с)

Т – час проходження сигнала на ланцюгу в один кілометр

Т==;