Тема 16. Влив в коаксіальних кабелях

1. ПРИРОДА ВПЛИВУ В КОАКСІАЛЬНИХ ЛАНЦЮГАХ.

2. ОПІР ЗВ'ЯЗКУ

1. ПРИРОДА ВПЛИВУ В КОАКСІАЛЬНИХ ЛАНЦЮГАХ.

У симетричних кабельних ланцюгах взаємний вплив обумовлений наявністю поперечного електромагнітного поля, що наводить у поруч розташованому ланцюзі заважаючі струми. Як видно з мал. 16.1, навколо симетричного ланцюга 1-2 є поперечне електричне Еr, Еφ і магнітне Нr, Нφ поля. Якщо в сферу дії цих полів попадає ланцюг 3-4, то в ній індукуються струми, що виявляються у вигляді струмів перешкод.

Рис.16.1. Електромагнітне поле ланцюгів: а) симетричного; б) коаксіального.

Коаксіальний ланцюг не має зовнішніх поперечних електромагнітних полей типів Еr, Еφ і Нr, Нφ. Радіальне електричне Еr і тангенціальне магнітне Нφ поля коаксіального ланцюга замикаються всередині кабелю між внутрішнім і зовнішнім провідниками; поля Еφ і Нr відсутні внаслідок осьової симетрії кабелю. Тому коаксіальний ланцюг 3-4, розташований поруч з коаксіальним ланцюгом 1-2, по якому передається енергія, при ідеальній конструкції не випробує впливу поперечних електромагнітних полів радіального і тангенціального напрямків. У дійсності розташовані поруч коаксіальні ланцюги усетаки впливають один на одного і сприймають сторонні перешкоди (від радіостанцій, ліній електропередач і т.д.). Схильність коаксіальних кабелів до взаємних і зовнішніх перешкод обумовлена подовжньою складовою електричного поля Еr, спрямованої уздовж осі коаксіального кабелю.

Вплив між двома коаксіальними ланцюгами I і II здійснюється через третій, проміжний ланцюг, утворений із зовнішніх провідників цих ланцюгів.

Фізичну сутність впливу між двома коаксіальними кабелями можна пояснити в таким способом. На мал. 16.2:

І - впливаючий ланцюг;

II - ланцюг, підданий впливу;

ІII - проміжний ланцюг, що складається з зовнішніх провідників ланцюгів I і II. По зовнішньому провіднику (ланцюг I) впливаючого коаксіального кабелю, тече струм, у зв'язку з чим на його зовнішній поверхні створюється спадання напруги і діє подовжня складова електричного поля Еr. Вона викликає струм на поверхні зовнішнього провідника (ланцюг II) кабелю, підданого впливу. У результаті з двох зовнішніх провідників кабелів створюється проміжний ланцюг струму, у якій діє ЕРС, що дорівнює Еr на зовнішній поверхні зовнішнього провідника кабелю, що впливає. Струм, що протікає в зовнішньому провіднику підданого впливу кабелю, викликає спадання напруги, що створює перешкоди в його ланцюзі.

Таким чином, у коаксіальних кабелях ланцюг, що впливає, I створює напругу і струм у ланцюзі III, що, у свою чергу, стає ланцюгом, що впливає, стосовно ланцюга II і викликає в ньому струми перешкод.

Інтенсивність впливу між ланцюгами обумовлюється напруженістю подовжньої складової електричного поля Еr на зовнішній поверхні зовнішнього провідника впливаючого коаксіального ланцюга. Чим більше величина Еr, тим більші напруга і струм у проміжному ланцюзі III і відповідно струм перешкод у ланцюзі, підданому впливу.

Рис.16.2. Схема впливу в коаксіальних ланцюгах.

Частотна залежність впливу в коаксіальних ланцюгах має інший характер, ніж у симетричних. У симетричних ланцюгах з ростом частоти зростає швидкість зміни електромагнітних силових ліній (Е і Н) і тому зростає взаємний заважаючий вплив між ланцюгами. У коаксіальних ланцюгах, на відміну від симетричних, з ростом частоти взаємний вплив зменшується і поліпшується захищеність від зовнішніх перешкод (мал. 16.3). Через ефект близькості щільність струму в зовнішньому провіднику коаксіального кабелю збільшується в напрямку до внутрішньої його поверхні, причому з ростом частоти струм концентрується на внутрішній поверхні зовнішнього провідника, а на зовнішній поверхні щільність зменшується. Тому зі збільшенням частоти зменшується напруженість поля Еz на зовнішній поверхні зовнішнього провідника і зростає ефект самоекранування коаксіального кабелю. При дуже високих частотах, коли весь струм сконцентрований усередині коаксіального кабелю, напруженість поля Еz поза кабелем наближається до нуля, екрануючий ефект досягає максимуму і вплив між ланцюгами теоретично відсутній.

Рис.16.3. Частотні залежності струмів перешкод у кабелях: 1 - симетричному; 2 – коаксіальному.

Вплив між коаксіальними ланцюгами залежить від конструкції зовнішніх провідників, їхнього розташування і матеріалу. Чим більша товщина зовнішніх провідників, тим менший вплив. Екрануючий ефект сталі кращий ніж міді. Найкращий ефект дають багатошарові сталемідні екрани.

Для захисту від перешкод у низькочастотному діапазоні (до 60-100 кГц) коаксіальний кабель екранується сталевими стрічками товщиною 0,15-0,20 мм, що накладаються в два шари. Наявність екранів збільшує перехідне загасання на 25-40 дБ. Як і в симетричних ланцюгах вплив у коаксіальних ланцюгах виражається і нормується за допомогою перехідних загасань Ао і Al і захищеності Аз. Як первинний параметр впливу оперують опором зв'язку Z₁₂.

16.2. ОПІР ЗВ'ЯЗКУ.

Опір зв'язку, чи взаємний опір Z₁₂, являє собою відношення напруги Uс, порушуваної на зовнішній поверхні зовнішнього провідника коаксіального кабелю, до струму I, що протікає в коаксіальному ланцюзі. Напруга Uс відповідає подовжній складовій електричного поля Е^с_z на цій поверхні, тому:

Z₁₂==

При проходженні струму по коаксіальному ланцюгу (мал. 16.4) у зовнішньому провіднику створюється спадання напруги і діє подовжня складова електричного поля Еz. Відношення величини Еz до струму I у ланцюзі дає кількісну оцінку опору зв'язку в омах. Чим більше Z₁₂, тим більше Е^с_z на зовнішній поверхні зовнішнього провідника коаксіального кабелю і поза ним і більший заважаючий вплив даного ланцюга на сусідні. З ростом частоти переданого струму і товщини зовнішнього провідника величина Z₁₂ зменшується, отже, зменшується складова Е^с_z на зовнішній поверхні кабелю і відповідно зменшується вплив.

Рис.16.4. Характер зміни Е_z в коаксіальному кабелі.

Характер частотної залежності опору Z₁₂ показаний на мал. 16.5. Тут же показаний характер зміни повного опору зовнішнього провідника Zб.

Рис.16.5. Частотні залежності опору зв'язку Z₁₂ і повного опору зовнішнього провідника коаксіального кабелю Zб.

З малюнка видно, що при частоті f=0 значення Z₁₂=Zб і чисельно дорівнює опору постійному струму зовнішнього провідника Rо. З ростом частоти Z₁₂ падає, а Zб росте. Зменшення Z₁₂ обумовлене зменшенням величини Е^с_z на зовнішній поверхні кабелю.

Вищенаведені розуміння справедливі, якщо коаксіальний ланцюг є джерелом перешкод. Але вони можуть бути поширені також на випадок, коли коаксіальний ланцюг піддається впливу (джерело перешкод розташоване поза ланцюгом). В останньому випадку струм концентрується на зовнішній поверхні зовнішнього провідника коаксіального кабелю (мал. 16.6).

Рис.16.6. Розподіл Еz і відповідно щільності струму в зовнішньому провіднику коаксіального кабелю: а) джерело енергії всередині ланцюга; б) джерело енергії поза ланцюгом.

Опір зв'язку Z₁₂, Ом/км, визначається так само, як і опір зовнішнього провідника коаксіального кабелю, тільки напруженість поля Zz приймається не на внутрішній (r=r_b), а на зовнішній поверхні зовнішнього провідника (r=r_c):

Z₁₂==

де k=- коефіцієнт вихрових струмів; r_b і r_c - внутрішній і зовнішній радіуси зовнішнього провідника, мм; ∆ - товшина зовнішнього провідника, мм; σ – провідність.

N=

Значення , необхідні для розрахунку опору зв'язкуZ₁₂ зовнішнього мідного й алюмінієвого провідників коаксіального кабелю, приведені в табл. 16.1.

Таблиця 16.1

Частота f, КГц	Значення │N│, ОМ/км, при товшині зовнішнього провідника ∆, мм
	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,5
Мідь
10 60 100 200 300 500	181 177 276 175 174 168	120 116 115 114 110 99	87 86 85 81 73 59	69 68 66 56 50 35	56 55 53 44 34 19	40 27 21 11 6 2
Алюміній
10 60 100 200 300 500	296,7 295 294,4 293,9 293,5 292,2	197 196,5 196,4 194,3 193,2 187,5	147,5 147 146,6 144,7 139,8 128,1	117,9 117,3 116,1 11,4 104,1 87,4	98,2 97,2 95,2 87,5 77,7 58,6	58,8 54,3 47,9 33,7 22,3 11,44

У реальних умовах коаксіальний кабель має найчастіше зовнішній провідник у вигляді мідної трубки і сталевого экрану спірально накладеної стрічки, тому:

Z^е₁₂=Z₁₂

де Lz - подовжня индуктивність, обумовлена спіральними стальними стрічками, Lz= х10^-4 Гн/км; Lвт - внутрішня індуктивність сталевих стрічок, Lвт=х10^-4, Гн/км. Величина для сталевого екрана дорівнює 100-20С.