3.5 Коаксиальные кабели связи

3.5.1 Электрические процессы в коаксиальных кабелях связи

Коаксиальные кабели относятся к закрытым направляющим системам.

Закрытыми – называются направляющие системы поля, которых не выходят за пределы геометрических размеров этой системы.

По сравнению с другими кабелями коаксиальные кабели наи­более полно отвечают требованиям высокочастотной связи и между­городного телевизионного вещания. По коаксиальному кабелю можно передавать очень широкий спектр частот при сравнительно малых потерях энергии; кабель этот хорошо защищен от влияния соседних цепей и внешних помех, и также система связи в целом бо­лее экономична.

Взаимодействие электромагнитных полей внутреннего (прямого) и внешнего (обратного) проводов коаксиальной цепи таково, что его внешнее поле равно нулю. Рассмотрим распределения магнитного и электрического полей по радиусу коаксиальной цепи.

Распределение магнитное поля определяется из закона полного тока. Изменение магнитного поля по радиусу при протекании тока по внутреннему проводнику () определяется по формулам (см. рис. 3.23):

при ;

при .

Изменение магнитного поля по радиусу при протекании тока по внешнему проводнику () определяется по формулам (см. рис. 3.23):

при ;

при ;

при .

Таким образом, результирующее магнитное поле за пределами коаксиальной цепи равно нулю

.

Силовые линии напряженности магнитного поля коаксиального кабеля располагаются в виде концен­трических окружностей внутри него (см. рис. 3.25).

Электрическое поле также сконцентрировано внутри коаксиальной цепи и определяется по формуле (см. рис. 3.24)

.

Электрическое поле также замыкается внутри коаксиального кабеля по радиальным направлениям между проводниками (см. рис. 3.25).

Рис. 3.23. Магнитное поле коаксиальной цепи

Рис. 3.24. Магнитное поле коаксиальной цепи

Рис. 3.25. Электромагнитное поле коаксиального кабеля

В коаксиальном кабеле из-за отсутствия внешнего поля нет потерь в окружающих его металлических массах, вся энергия распространяется только внутри кабеля и более эффективно передается по цепи.

Рассмотрим действие поверхностного эффекта и эффекта бли­зости в коаксиальных кабелях и определим характер распределения плотности токов в проводниках при различных частотах.

Результирующее распределение плотности тока в проводнике определяется действием поверхностного эффекта (см. рис. 3.26). Перераспределение плотности тока по сечению проводника обусловлено эффектом близости к нему проводника .

Рис.3.26. Распределение плотности тока во внешнем и внутреннем проводниках коаксиальной цепи

На рис. 3.26 показано переменное магнитное поле, создаваемое током проводника а, которое наводит в самом провод­нике а и в металлической толще полого проводника b вихревые токи , влияние которых приводит к перераспределению плотности тока по сечению проводников. Токи в проводниках а и b коаксиальной цепи смещаются и концентрируются на взаимно-обращенных поверхностях проводников. Чем выше частота тока, тем сильнее эффект смещения тока на внешнюю поверхность проводника а и внутреннюю поверхность проводника b. Энергия как бы вытесня­ется из металлической толщи проводников и сосредотачивается внутри коаксиального кабеля, в изоляции, а проводники задают лишь направление распространения волн электромагнитной энергии.

Мешающее электромагнитное поле высокой частоты, созда­ваемой соседними цепями передачи или другими источниками по­мех, действуя на внешний проводник коаксиальной пары, также будет распространяться не по всему сечению кабеля, а лишь по его наружной поверхности. Таким образом, внешний проводник коакси­альной пары выполняет две функции: является обратным провод­ником цепи передачи; защищает (экранирует) передачу, веду­щуюся по кабелю от мешающих влияний.

Из рис. 3.27 видно, что основной ток передачи концентрируется на внутренней поверхности внешнего проводника, а ток помех – на на­ружной стороне внешнего проводника. Как основной ток, так и ток помех проникают в толщу проводника лишь на глубину, опреде­ляемую коэффициентом вихревых токов. Причем чем выше частота, тем больше отделяются друг от друга указанные токи и, следова­тельно, кабель лучше защищен от действия посторонних помех.

Рис. 3.27. Рабочий ток и ток помех в коаксиальной цепи

Та­ким образом, в отличие от всех других типов кабелей, требующих для защиты от помех специальных мер в коаксиальных кабелях на высоких частотах это обеспечивается самой их конструкцией. Из из­ложенного следует, что основные преимущества коаксиального ка­беля (малое затухание и высокая помехозащищенность) особенно ярко проявляются в высокочастотном диапазоне. При низких часто­тах, когда ток практически проходит по всему сечению проводника, достоинства этого кабеля пропадают. Больше того, коаксиальная цепь как несимметричная относительно других цепей и земли (па­раметры ее проводников а и b различны) в низком диапазоне частот по защищенности от помех уступает симметричным кабелям.