Характеристика коаксиального кабеля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Характеристика коаксиального кабеля

1.1 Строение коаксиального кабеля

1.2 Типы и классификация коаксиальных кабелей

2. Основные параметры коаксиальных кабелей

2.1 Электрические показатели коаксиальных кабелей

2.1.1 Полоса частот и потери передачи

2.1.2 Волновое сопротивление

2.1.3 Показатель возвратных потерь

2.1.4 Сопротивление по постоянному току

2.1.5 Коэффициент экранирования

Список использованной литературы

1. Характеристика коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель - это кабель, в котором оба проводника тока, образующие электрическую цепь, представляют собой два соосных цилиндра. Применяется для передачи электрических сигналов в линиях дальней связи, в антенно-фидерных устройствах радиоэлектронной и телевизионной аппаратуры, между блоками радиотехнической аппаратуры и т.д.

Электромагнитное поле коаксиального кабеля сосредоточено в пространстве между проводниками тока, то есть внешнего поля нет, и поэтому потери на излучение в окружающее коаксиального кабеля пространство практически отсутствуют. Так как внешний проводник одновременно служит электромагнитным экраном, защищающим электрическую цепь тока от влияний извне, коаксиальный кабель обладает высокой помехозащищенностью.

Коаксиальный кабель имеет относительно малые потери энергии передаваемых сигналов. Коаксиальные кабели связи характеризуются диаметрами внутренних и внешних проводников, которые, как правило, отражены в их марке, например, КПК-5/18 (коаксиальный подводный кабель с диаметрами внутреннего проводника 5 мм и внутренним диаметром внешнего 18 мм).

В отличие от них, в марках радиочастотных кабелей коаксиального типа отражён только внутренний диаметр внешнего проводника тока.

1.1 Строение коаксиального кабеля

Основной показатель, формирующий параметры коаксиального кабеля -- его конструкция. Ответственные производители уделяют немало внимания электрическим параметрам используемых проводников и изоляционных материалов. Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника, внутреннего диэлектрика, экрана и внешней оболочки (рис. 1).

Рисунок 1 - Структура коаксиального кабеля

Проводник: Центральный проводник кабеля предназначен для передачи сигнала из одной точки в другую. Его делают из материалов, хорошо проводящих электрический ток. Обычно используется медь, которая подходит для этих целей по своим электрическим, механическим и стоимостным параметрам. Другие материалы также могут применяться в каких-то специальных целях. К ним можно отнести алюминий, серебро и золото. Центральный проводник может быть, как одножильным (рис. 2), так и многожильным (рис. 3).

Рисунок 2 - Коаксиальный кабель с центральным одножильным проводником и двойным экраном.

Рисунок 3 - Коаксиальный кабель с центральным многожильным проводником и экраном-оплеткой

Одножильный -- это центральный проводник, выполненный в виде одного прямого провода (рис. 2). Одножильный проводник хорошо формуется, но не отличается хорошей гибкостью. Поэтому кабели с одножильным проводником обычно используются в стационарных инсталляциях.

Витой многожильный -- представляет собой проводник, состоящий из множества тонких проводов, свитых вместе (рис. 3). Эти кабели гибкие, они легче и применяются в основном в мобильных инсталляциях. Однако по своим характеристикам такой кабель несколько уступает кабелю с одножильным проводником такого же типоразмера.

На российском рынке широко используются кабели американских производителей, которые производятся в соответствии с американским стандартом проводов AWG (American Wire Gauge). Поэтому было бы полезно привести данные этого стандарта по нормированию центрального проводника коаксиальных кабелей (табл. 1).

Таблица 1. Перевод американских обозначений AWG диаметра жил кабеля в метрические единицы

Внутренний диэлектрик: Внутренний диэлектрик, называемый также внутренней изоляцией кабеля, выполняет в коаксиальных кабелях важную роль. Прежде всего, это материал, который изолирует центральный проводник от экрана. Но, кроме того, он определяет импеданс и емкость кабеля.

Обычно в кабелях общего назначения используется полиэтилен, а для производства негорючих кабелей -- фторсодержащие полимеры. Вообще, материал диэлектрика играет огромную роль, влияя на электрические и эксплуатационные свойства кабеля. Дешевые кабели имеют диэлектрик из твердого полиэтилена. Более серьезный производитель использует вспененный полиэтилен, который обеспечивает более низкое погонное затухание сигнала в кабеле на высоких частотах.

Стоит заметить, что некоторые производители вспенивают диэлектрик химическим способом. В результате получается низкоплотный полиэтиленовый компаунд, подверженный механическим повреждениям и нестабильный к воздействию окружающей среды в виде температуры и влажности. Наивысшее качество кабеля получается с физически вспененным диэлектриком (gas injected foam polyethylene). Он содержит до 60% воздушных пузырьков, за счет чего уменьшается затухание высоких частот сигнала. По прочности физически вспененный полиэтилен не отличается от обычного твердого невспененного полиэтилена, обеспечивая необходимую гибкость и устойчивость к механическим воздействиям. И, наконец, обладая высокой стойкостью к температурным колебаниям и влажности, физически вспененный диэлектрик обеспечит стабильность параметров и длительную эксплуатацию кабеля.

Экран: Экран выполняет две важные роли. Он работает как второй проводник, подключенный к общему «земляному» проводу оборудования. В то же время он экранирует сигнальный проводник от посторонних излучений. Существуют различные методы экранировки для кабелей, выполняющих различные задачи. Это экран из фольги, плетеный экран и комбинации из фольги и оплетки.

Оплетка -- экран, который изготавливается из множества тонких проводников, сплетенных в виде сетки, охватывающей центральный проводник с внутренним диэлектриком (см. рис. 3). Оплетка обычно обладает меньшим сопротивлением, чем фольга, и отличается лучшей устойчивостью к постороннему электромагнитному полю и электромагнитным наводкам. Наводки имеют различный характер и происхождение. Это могут быть как низкочастотные наводки (например, от промышленной сети питания), так и высокочастотные (ВЧ-шум от работы электронных приборов и при искрении электрических машин). Оплетка может сочетаться с другими видами экранов, например, с алюминиевой или медной фольгой для обеспечения необходимого процента экранировки. Фольга позволяет обеспечить до 100% экранировки в сочетании с оплеткой (см. рис. 2). Учитывая, что оплетка может обеспечить эффективность экранировки до 90%, чтобы получить 100%, необходимы две оплетки, что существенно увеличивает стоимость кабеля, его вес и ухудшает гибкость. Гораздо легче добиться 100% эффективности экранировки можно сочетанием оплетки и фольги.

Оболочка: Необходимую защиту внутренних компонентов кабеля обеспечивает внешняя оболочка. Оболочка защищает кабель от климатического, химического воздействия и предохраняет от солнечного света. По типу оболочки кабели можно разделить на стандартные и специального исполнения. Стандартный кабель -- имеет обычную, чаще всего поливинилхлоридную оболочку, которая защищает кабель (в том числе и многожильный) от механических воздействий и влаги, а также играет роль электрической изоляции. Заполненный (Plenum) -- стандартная инсталляция предполагает прокладку кабеля через стены и потолки. Возможное возгорание внутри здания предъявляет особые требования к оболочке кабелей. Кабели типа Plenum имеют огнестойкую оболочку, в составе которой используются специальные компаунды. Это обеспечивает низкую горючесть и дымовыделение в случае, если кабель будет подвергнут воздействию огнем. Такой кабель может быть проложен без трубопровода, что снижает затраты на инсталляцию.

Галогенонесодержащий -- низкое выделение дыма и паров, отсутствие галогенов в материале оболочки кабеля -- такие требования предъявляют европейские правила техники безопасности (IEC33203 -- тест на горючесть, IEC61034 -- тест на дымовыделение, IEC754-1 -- коррозионная стойкость).

Рисунок 4 - Многожильный кабель 5BNC с двумя симметричными аудиопарами

Для передачи сигналов RGBHV, S-Video и компонентных несколько коаксиальных кабелей могут объединяться в многожильный (multicore) с общей оболочкой. Количество коаксиальных кабелей в многожильном кабеле может быть от двух до шести, кроме того, в многожильные кабели могут добавляться симметричные аудиопары и силовые проводники, что делает их еще более универсальными (рис. 4).

1.2 Типы и классификация коаксиальных кабелей

Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий коаксиальный кабель и толстый коаксиальный кабель. Выбор того или иного типа кабеля зависит от потребностей конкретной сети.

Тонкий коаксиальный кабель - гибкий кабель диаметром около 0,5 см (около 0.25 дюймов). Он прост в применении и годится практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к платам сетевого адаптера компьютеров. Тонкий (thin) коаксиальный кабель способен передавать сигнал на расстояние до 185 м (около 607 футов) без его заметного искажения, вызванного затуханием.

Производители оборудования выработали специальную маркировку для различных типов кабелей. Тонкий коаксиальный кабель относится к группе, которая называется семейством RG-58, его волновое сопротивление равно 500 м. Волновое сопротивление (impedance) - это сопротивление переменному току, выраженное в омах. Основная отличительная особенность этого семейства - медная жила. Она может быть сплошной или состоять из нескольких переплетенных проводов.

Таблица 1 - Виды и характеристики тонких кабелей

Толстый (thick) коаксиальный кабель - относительно жесткий кабель с диаметром около 1 см (около 0,5 дюймов). Иногда его называют «стандартный Ethernet», поскольку он был первым типом кабеля, применяемым в Ethernet - популярной сетевой архитектуре. Медная жила толстого коаксиального кабеля больше в сечении, чем тонкого. Чем толще жила у кабеля, тем большее расстояние способен преодолеть сигнал. Следовательно, толстый коаксиальный кабель передает сигналы дальше, чем тонкий, - до 500 м (около 1 640 футов). Поэтому толстый коаксиальный кабель иногда используют в качестве основного кабеля [магистрали (backbone)], который соединяет несколько небольших сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле. Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяют специальное устройство - трансивер (transceiver).

Трансивер снабжен специальным коннектором, который назван весьма впечатляюще - «зуб вампира» (vampire tap) или «пронзающий ответвитель» (piercing tap). Этот «зуб» проникает через изоляционный слой и вступает в непосредственный физический контакт с проводящей жилой. Чтобы подключить трансивер к сетевому адаптеру, надо кабель трансивера подключить к коннектору AUI-порта сетевой платы. Этот коннектор известен также как DIX-коннектор (Digital Intel Xerox), в соответствии с названиями фирм-разработчиков, или коннектор DB-15.

Сравнение двух типов коаксиальных кабелей:

Как правило, чем толще кабель, тем сложнее с ним работать. Тонкий коаксиальный кабель гибок, прост в установке и относительно недорог. Толстый кабель трудно гнуть, и, следовательно, его сложнее устанавливать. Это очень существенный недостаток, особенно если необходимо проложить кабель по трубам или желобам. Толстый коаксиальный кабель дороже тонкого, но при этом он передает сигналы на большие расстояния.

Классификация коаксиальных кабелей:

1) По назначению кабель подразделяют на следующие группы:

· для систем связи;

· компьютерных сетей;

· космической техники;

· бытовой техники;

· для систем кабельного телевидения;

· авиационный

2) По волновому сопротивлению:

Волновое сопротивление кабеля может быть различным. Однако же некоторые его величины стандартизированы. Это три значения международных стандартов и пять российских:

50 Ом -- самый распространённый тип кабеля, используется в различных областях радиоэлектроники. Выбор данной величины волнового сопротивления обусловлен способностью такого кабеля, передавать радиосигналы, близкие к предельно достижимым показаниям передаваемой мощности и электрической прочности с минимальными потерями.

75 Ом -- также является очень распространённым типом коаксиального кабеля. Традиционно применяется в телевизионных системах передачи сигнала. Выбран, благодаря хорошему соотношению механической прочности и небольшой себестоимости. Распространён в сферах, где не используются высокие мощности, и требуется большой метраж кабеля. Потери сигнала немногим больше, чем в кабеле с волновым номинальным сопротивлением 50 Ом.

100 Ом -- редко используемая группа. Применяется, в основном, в технике, использующей импульсы и в специальных целях.

150 Ом -- редко применяется, в основном, в технике, использующей импульсы, а также для специальных целей. В международных стандартах не предусмотрен.

200 Ом -- используется очень редко, предусмотрен только российскими стандартами.

Существуют коаксиальные кабели с ненормируемыми волновыми сопротивлениями: наиболее распространены в аналоговой звукотехнике.

3) По диаметру изоляции:

- крупногабаритный диаметр -- более 11,5 мм;

- среднегабаритный диаметр -- 3,7 ч 11,5 мм;

- миниатюрный диаметр -- 1,5 ч 2,95 мм;

- субминиатюрный диаметр -- до 1 мм.

4) По степени экранирования:

- излучающие кабели - имеют намеренно заниженную, но контролируемую степень экранирования;

- обычный экран;

- однослойная оплётка;

- двойная или многослойная оплётка, и также с дополнительным экранирующим слоем;

- экран с лужёной оплёткой;

- сплошной экран;

- экран из металлической трубки.

5) По гибкости (стойкость к частым перегибам кабеля и по механическому моменту изгиба кабеля):

· особо гибкий;

· гибкий;

· полужёсткий;

· жёсткий.

2. Основные параметры коаксиальных кабелей

Выбор типа кабеля для конкретного проекта сети основывается на оценке преимуществ от его использования с точки зрения всех его качественных характеристик. Перечислим те критерии, которыми должен руководствоваться разработчик кабельной сети при выборе кабеля:

* механические характеристики;

* электрические характеристики;

* стабильность параметров;

* стоимость.

Механические характеристики кабеля связаны с его структурой, конструктивными особенностями и определяют такие важнейшие его качества как гибкость, прочность и долговечность. Электрические характеристики также зависят от механической структуры кабеля и материалов, использованных при его изготовлении, и определяют качество передачи сигнала в системе. К электрическим характеристикам относится множество параметров, среди которых сопротивление проводников кабеля, затухание сигнала в кабеле, степень экранирования и другие. Механические и электрические характеристики составляют технические характеристики кабеля. Немаловажное значение для выбора кабеля имеет и его стоимость. Стоимость строительства сети из качественного кабеля будет выше, но обычно увеличение стоимости строительства оправдано и даже необходимо для того, чтобы затраты на последующую в процессе эксплуатации замену поврежденных участков проводки не оказались слишком высоки и обременительны. Повреждение кабеля может быть как чисто механическим, возникшим вследствие неправильного обращения с ним (разрыв, изгиб, деформация), так и появившимся вследствие естественного старения и ухудшения характеристик (под действием климатических условий).

В том и другом случае потребуется замена кабеля, поэтому затраты на строительство следует соизмерять с возможными будущими затратами на ремонт и техническое обслуживание сети. Более дорогие кабели обычно имеют более высокую прочность и длительную стабильность параметров, хотя это не является гарантированным правилом. Техническое обслуживание является серьезнейшей статьей расхода для оператора сети. Согласно статистическим данным на абонентских отводах производится около 70 % ремонтных работ в кабельных сетях. В целом выбор кабеля делается на основе компромисса между его стоимостью и техническими характеристиками. Найти оптимальное соотношение того и другого при соблюдении требований технического задания является целью разработчика.

Технические характеристики кабелей должны соответствовать общепринятым стандартам. Существует несколько стандартов качества кабельной продукции. Стандарт ISO 9001 устанавливает нормы на все технические характеристики кабеля. Кроме этого, кабели должны быть протестированы на соответствие экологическим стандартам, таким как европейские стандарты пожаробезопасное IEC 332-1, IEC 332-3 и IEC 754-1, определяющим огнестойкость кабеля, нормы выделения дыма и токсичных газов при возгорании. Фирма-производитель в процессе производства должна тщательно тестировать кабель на соответствие всем этим стандартам. Среди наиболее известных фирм, специализирующихся на изготовлении кабельной продукции можно назвать Cavel, Commscope, Belden, TFC, Finmark. Разнообразие марок кабеля очень велико и каждый производитель имеет собственную систему обозначений выпускаемых серий кабеля (CATV 11, RG-6, SAT 703, 27/115 FC, PK75-9-12, TX 840 и многие другие).

Совокупность механических и электрических характеристик относит данный кабель к какому-либо типу. Тип кабеля не устанавливает строго фиксированные значения его механических и электрических характеристик, но предполагает, что они находятся в допустимых, соответствующих данному типу границах. Кабель одного и того же типа от разных производителей может иметь несколько различающиеся характеристики. Тип кабеля, как правило, однозначно определяет только его размер, который зависит от диаметра внешнего проводника. Размер кабель кабеля измеряется по наружному диаметру внешнего проводника без защитных кожухов и армирующих элементов. Тип кабеля характеризует в целом его назначение или рекомендуемую область применения, т.е. показывает, для какого иерархического уровня системы он предназначен - транспортного, магистрального, домового или абонентского. В соответствии с этим коаксиальные кабели можно классифицировать по следующим типам:

* магистральные (транковые);

* распределительные (домовые);

* абонентские.

Среди электрических характеристик наиболее существенными являются низкие потери передачи на высоких частотах, высокая степень экранирования и хорошая электропроводимость по току питания. Если требуется повысить коэффициент экранирования, применяется трехкратное (tri-shield) или четырехкратное (quad-shield) экранирование в виде дополнительных металлических оплеток. Также для магистральных линий, которые предназначены для подземной прокладки, применяют специальный силиконовый компаунд, предотвращающий коррозию при повреждении внешней изоляции. Кабель для прокладки подвесных линий может иметь вспененный диэлектрик или, реже, воздушный, а в случае прокладки в грунт, где кабель более подвержен проникновению влаги, применяется вспененный диэлектрик. Кабели с твердым диэлектриком не применяются на магистралях из-за высоких потерь передачи. В настоящее время кабели ячеистой структуры “бамбук” с воздухом в качестве диэлектрика практически полностью конструктивных элементов - различных экранов, защитных покрытий и несущих тросов для прокладки подвесных магистралей. При этом гибкость кабеля ухудшается, но как раз этот параметр не слишком важен для магистральных кабелей, так как магистральная линия обычно строится по прямой или, во всяком случае, без сильных изгибов. Для магистрального кабеля гораздо более существенны надежность и стабильность электрических характеристик, гарантирующая высокое качество передачи.

2. Основные параметры коаксиальных кабелей

2.1 Электрические показатели коаксиальных кабелей

Коаксиальный кабель характеризуется следующими электрическими показателями: полоса частот (МГц); потери передачи в заданной полосе частот (дБ); волновое сопротивление (Ом); показатель возвратных потерь (дБ); сопротивление по постоянному току (Ом); коэффициент экранирования (дБ).

Эти характеристики приводятся в документации производителя или в рекламных проспектах. Существуют и другие, менее значимые для выбора кабеля характеристики, например, напряжение пробоя или передаваемая мощность, которые тоже приводятся в документации.

Важнейшим физическим явлением, характеризующим принцип работы коаксиального кабеля при передаче по нему высокочастотного сигнала, является поверхностный эффект (скин-эффект). Известно, что сопротивление металлического проводника зависит от его размеров. Если увеличить диаметр проводника, то область протекания электронов станет шире и сопротивление проводника по постоянному току уменьшится. То же самое справедливо и для переменного тока - проводник большего размера вносит меньшие потери в передаваемый сигнал - однако на разных частотах затухание по переменному току оказывается различным. Причиной этого и является скин-эффект, возникающий в металлическом проводнике. Суть его состоит в том, что в области, близкой к наружной поверхности проводника протекает больше электронов, чем в центре проводника. Чем выше частота сигнала, тем более выражен скин-эффект. На тех частотах, которые используются в системах КТВ, скин-эффект становится довольно ощутимым. Таким образом, скин-эффект объясняет зависимость затухания радиочастотного сигнала в кабеле от частоты. На высоких частотах во внешней приповерхностной области проводника протекает больше электронов, чем на низких частотах. В результате на высоких частотах в передачу вносятся большие потери, поскольку увеличение частоты влечет уменьшение (сужение) той области проводника, в которой распространяется поток электронов.

2.1.1 Полоса частот и потери передачи

Полоса частот, которую предоставляет кабель для передачи сигнала, напрямую связана с величиной затухания сигнала на разных частотах радиочастотного спектра, которая, в свою очередь зависит от качества используемых в кабеле материалов. Бессмысленно говорить о ширине полосы пропускания кабеля без указания соответствующей ей величины затухания. Речь здесь идет лишь о ширине полосы при допустимом затухании. В принципе коаксиальный кабель способен пропускать радиочастотный сигнал очень высоких частот, и доступная для передачи полоса частот может быть очень широкой. По этой характеристике коаксиальный кабель уступает только волоконно-оптическому кабелю. Другие среды передачи (витая пара, радиоканал) имеют существенно худшие показатели затухание-полоса. Коаксиальные кабели нового поколения способны работать в частотном диапазоне до 2 ГГц. Этого вполне достаточно для создания сетей КТВ, имеющих стандартную полосу 5 - 1000 МГц.

Потери в коаксиальном кабеле происходят вследствие рассеяния энергии сигнала на металлических проводниках кабеля. Результат этого рассеяния выражается в том, что в процессе распространения по кабелю уровень сигнала падает. Потери в кабеле определяются разностью между уровнями сигнала на выходе и на входе кабеля.

Затухание (потери) сигнала в заданной полосе частот является основной исходной характеристикой на этапе проектирования магистрального усилительного участка и распределительной сети. Исходя из этого параметра и предполагаемой длины магистральной линии передачи, рассчитывается возможная протяженность усилительного участка и выбирается усиление усилителей, достаточное для компенсации потерь на этом участке. Потери задаются для определенной частоты, находящейся в пределах доступной полосы и для определенной длины кабеля (обычно на 100 м), поскольку затухание сигнала, кроме частоты зависит, очевидно, и от пройденного им по кабелю расстояния. Чем длиннее кабель, тем большая часть входной энергии рассеется в нем и тем ниже будет уровень выходного сигнала. Таким образом, любое значение потерь сигнала данного кабеля всегда задается относительно частоты передачи и длины отрезка кабеля. В спецификации обязательно указывается, при какой частоте и длине отрезка было измерено данное значение затухания. В магистральной сети к величине потерь предъявляются более высокие требования, чем в домовой сети.

На разных частотах затухание различно, и, чем выше частота, тем сильнее затухание. Экспериментально установлено, что зависимость коэффициента затухания от частоты f имеет нелинейный характер, причем затухание растет с ростом частоты в заданной полосе пропорционально квадратному корню из частоты.

Затухание в кабеле является функцией от диаметров проводников кабеля, физических свойств используемого металла и диэлектрического материала кабеля. Сплошной медный кабель имеет меньшие потери, чем алюминиевый или стальной. Кабель с твердым полимерным диэлектриком при тех же размерах имеет большее затухание. Для кабеля большего диаметра с тем же диэлектриком затухание сигнала будет ниже. Эти особенности марки кабеля и учитываются коэффициентами, а, о, с в приведенной формуле. В результате для каждой марки кабеля вид зависимости потерь от частоты. Неизменным будет только нелинейный характер зависимости. Зависимость потерь в кабеле от его длины, очевидно, является линейной. Поэтому потери задаются как удельная величина, рассчитанная для определенной длины, обычно на 100 м. В таблице 2 представлены значения потерь передачи в полосе частот от 5 до 1750 МГц для кабелей разных типов (абонентский: RG-59; распределительные RG-6 и RG-11; магистральный серии - QR-540). Приведенные значения не являются стандартными, а только характеризуют кабель определенной марки, и могут несколько отличаться у разных производителей.

Таблица 2 - Характеристики затухания кабеля различных типов

2.1.2 Волновое сопротивление

Поскольку затухание в кабеле зависит от частоты, необходимо ввести некоторую характеристику, не зависящую от частоты, чтобы для расчета мощности передаваемого сигнала можно было использовать закон Ома. Такой характеристикой кабеля является его полное волновое сопротивление (импеданс). Любая металлическая линия передачи, будь то витая пара или коаксиальный кабель, характеризуется волновым сопротивлением. Волновое сопротивление коаксиального кабеля является функцией отношения диаметра внутреннего проводника к диаметру внешнего проводника и свойства используемого в кабеле диэлектрика. Основной показатель электромагнитных свойств любого диэлектрического материала - это его диэлектрическая постоянная. В коаксиальных кабелях могут использоваться разные диэлектрические материалы с разными значениями диэлектрической постоянной. Так, для воздуха диэлектрическая постоянная равна 1, для твердых полимерных материалов диэлектрическая постоянная находится в пределах от 2 до 2,5. Диэлектрическая постоянная полутвердых или вспененных полимеров, представляющих собой пористую структуру, заполненную воздухом или инертным газом, составляет около 1,5.

Волновое сопротивление имеет размерность резистивного сопротивления (Ом). Существует приблизительная эмпирическая формула для расчета импеданса 2 коаксиального кабеля с некоторым диэлектриком.

где D - диаметр внешнего проводника,

d - диаметр внутреннего проводника,

k - диэлектрическая постоянная материала.

Эта формула показывает, что можно изготовить коаксиальные кабель любых размеров и независимо от этого импеданс будет одним и тем же, если все параметры кабеля меняются пропорционально и между ними сохраняется соответствующее постоянное соотношение.

2.1.3 Показатель возвратных потерь

С величиной волнового сопротивления тесно связан другой параметр кабеля - показатель возвратных потерь (RL). Показатель возвратных потерь является для кабеля менее критичным параметром, чем другие. Далее, при рассмотрении отражений в кабельных системах, будет показано, что в нормальных условиях возвратные потери во внутренней структуре кабеле гораздо выше, чем для любого прибора. Это значит, что уровень отраженного сигнала (возвратной волны) очень мал и при расчетах его не учитывают. Существенные внутренние отражения в кабеле возникают на неоднородностях волнового сопротивления, которые образуются только за счет механических дефектов во внутренней структуре или при наличии повреждений вдоль отрезка кабеля. Напомним, что волновое сопротивление кабеля зависит от диаметров внутреннего и внешнего проводника и диэлектрической постоянной изолирующего материала.

При изменении любого из этих параметров меняется и волновое сопротивление. Это может произойти во время производства, прокладки или эксплуатации кабеля. Однако, процесс производства тщательно контролируется добросовестным производителем, поэтому более вероятны две другие причины. Если при прокладке на кабеле образуется сильный перегиб или петля, то в структуре кабеля возникнет механическое напряжение, и геометрия поперечного сечения кабеля меняется.

Случайные повреждения в процессе эксплуатации кабеля происходят из-за неосторожного обращения, результатом которого может быть передавливание кабеля или повреждение его внешней оболочки. При сдавливании пенистого материала меняется его диэлектрическая постоянная, а передавливание проводников может вызывать появление микротрещин и менять их электрические параметры. Такие изменения, как правило, трудно контролируемы и плохо поддаются измерению. Однократное случайное изменение импеданса в некоторой точке, скорее всего не окажет никакого влияния на работу кабеля, но несколько наличие нескольких таких периодично расположенных точек может вызвать существенное суммарное отражение сигнала, превышающее допустимый уровень. Особенно это актуально для процесса прокладки, при котором зачастую интервалы между точками крепления кабеля подчинены периодичности городской инфраструктуры. Если отражения от нескольких нерегулярностей складываются друг с другом в фазе, то формирующееся отражение может вызывать очень серьезные потери сигнала. Величина возвратных потерь в кабеле характеризуется параметром SRL (Structual Return Loss), который эквивалентен коэффициенту отражения и показывает степень подавления возвратной волны. Этот параметр определяется путем измерения величины отраженного сигнала в кабеле во всей полосе системы передачи с помощью генератора качающейся частоты (sweep-генератора). При выборе кабеля надо учитывать, что он должен иметь различную величину SRL для разных типов кабеля. Согласно стандарту EN-50083 для магистральных кабелей величина SRL должна быть не ниже 30 дБ (соответствует коэффициенту отражения не более 3%), а для распределительных и абонентских кабелей не хуже 20 дБ.

2.1.4 Сопротивление по постоянному току

Еще одной электрической характеристикой кабеля, не зависящей от частоты, является его сопротивление по постоянному току. Сопротивление по постоянному току обычно определяется отдельно для центрального проводника, внешнего проводника и полной цепи. Затухание сигнала в заданной полосе частот и сопротивление по постоянному току являются двумя наиболее важными и критичными характеристиками при проектировании системы питания кабельной сети наряду со значениями токов, потребляемых усилителями, и длинами кабельных участков. Сопротивление кабельной цепи является определяющим фактором для расчета напряжения, потребляемого всей сетевой структурой.

Питание осуществляется по магистральному кабелю с помощью так называемых устройств вставки питания (инсертеров питания). Эффективность передачи постоянного тока к потребляющим устройствам определяется сопротивлением кабельной цепи. Этот параметр особенно важен в системах с высоким уровнем потребления электроэнергии. В современных сетях наблюдается рост потребляемой мощности, связанный с использованием перестраиваемых модульных усилителей с более сложной структурой и подключением к сети интерфейсных устройств кабельной телефонии и передачи данных. Без сомнения, эта тенденция сохранится и в будущем. Общее число источников питания в системе зависит от суммарного потребления энергии активными элементами и от сопротивления кабельного контура. Выбор кабеля с низким сопротивлением постоянному току может привести к уменьшению необходимого числа источников питания. Кроме того, использование кабеля с низким сопротивлением позволяет снизить затраты на энергопотребление.

2.1.5 Коэффициент экранирования

Одной из важнейших характеристик коаксиальных кабелей также является коэффициент экранирования, называемый также screen-фактором. Он показывает степень защиты передаваемого сигнала от влияния внешних электромагнитных помех. Измеряется этот показатель в децибелах, а определяется он как отношение уровня полезного сигнала к уровню помехи по мощности в некоторой точке кабеля. Величина коэффициента экранирования особенно важна, когда уровень сигналов эфирных передатчиков ТВ и радио, а также уровни бытовых электромагнитных помех очень высоки, что характерно для городских условий. К кабелям разных типов предъявляются разные требования по коэффициенту экранирования. Стандарт EN-50083 устанавливает, что этот параметр должен быть в любом случае не ниже 75 дБ в полосе частот прямого канала 30-1000 МГц. Для крупных городов экранирование распределительных кабелей должно составлять не менее 85-90 дБ, а экранирование абонентских кабелей не менее 80 дБ. Для магистральных кабелей экранирование должно составлять не менее 100 дБ. Считается, что в средних условиях кабель с показателем экранирования 100 дБ обеспечивает практически полную защиту передаваемого сигнала от внешних помех.

В настоящее время выпускаются кабели со стандартной (двойной), трехкратной и четырехкратной степенью экранирования. Стандартная экранирующая конструкция состоит из алюминиевой фольги, нанесенной на слой полипропилена и дополнительной алюминиевой оплетки. Фольга должна была герметичной для предотвращения попадания воды внутрь кабеля, поэтому она накладывается на полипропилен с допуском, гарантирующим сохранение герметичности при сгибах. Такая конструкция обеспечивает степень экранирования около 90 дБ. Кабели с трехкратным экранированием содержат конструкцию, включающую кроме стандартной комбинации фольги с оплеткой еще и наложенную поверх оплетки негерметичную фольгу, что увеличивает степень экранирования примерно до 105 дБ. Ввиду того, что трехкратная экранирующая конструкция становится более хрупкой и жесткой, она является эффективной при отсутствии сильных изгибов кабеля. То же самое относится и к четырехкратному экранированию. В структуре с четырехкратным экране добавлена еще одна внешняя оплетка. Такой экран обеспечивает максимальную степень экранирования, которая при отсутствии изгибов кабеля может достигать 120 дБ.

Коэффициенты экранирования для разных степеней экранирования представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Экранирование кабеля

Та или иная степень экранирования выбирается в зависимости от уровня электромагнитных полей в месте прокладки сети. Кабель со стандартным экраном можно использовать при низком и среднем уровне электромагнитных помех, например, в сельской местности или в небольшом городе. Кабель с трехкратным экраном рекомендуется для условий, где уровень электромагнитного шума выше среднего, например, в больших городах. Кабель с четырехкратным экранированием предназначен для использования в местах с очень высоким уровнем электромагнитных излучений, например, в индустриальных районах вблизи мощных электрических установок, мощных радиопередатчиков, линий электропередачи и метрополитена. В будущем, по мере распространения цифровых сетей передачи стандартная степень экранирования (90 Дб) будет рассматриваться как минимально допустимая. При наличии обратного канала это требование ужесточается и необходимым минимумом становится трехкратное или даже четырехкратное экранирование.

коаксиальный кабель электрический сопротивление ток

Список использованных источников

1. Н.И. Белоруссов, И.И. Гроднев. Радиочастотные кабели. 2-е изд., перераб. -- М.-Л.: Госэнергоиздат, 2001.

2. Т.И. Изюмова, В.Т. Свиридов. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. -- М.: Энерия, 2005.

3. Д.Я. Гальперович, А.А. Павлов, Н.Н. Хренков. Радиочастотные кабели. -- М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Воронцов А.С., Маркелов А.П., Соловейчик Б.Л. Коаксиальные и высокочастотные симметричные кабели связи: Справочник. - М.: ЭКСМО, 2009.

5. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети: М.: Эко-Тренз, 2001.

Размещено на Allbest.ru