1 Основные понятия и определения в области нс (направляющих систем). Сравнение нс и радиолиний. История развития нс

2 Основные классы НС и их базовые конструкции.

4.Принципы построения сетей связи. Классификация сетей связи.

6. Принципы построения городских телефонных сетей связи.

8. Типы и классы э/м волн в НС. Режимы передачи в НС.

10.Вторичные параметры передачи. Зависимости вторич. параметров от частоты.

12. Оценка искажений импульсных сигналов в двухпроводных линиях связи с потерями

14. Коаксиальные кабели. Теория передачи энергии в коаксиальных цепях

16.Вторичные параметры передачи коаксиальных кабелей. Оптимизация конструктивных размеров.

18.Симметричные кабели. Теория передачи энергии в симметричных цепях.

20.Вторичные параметры передачи симметричных кабелей

22.Основные типы коаксиальных и симметричных кабелей для организации магистральной и зоновой связи.

24.Металлические волноводы. Основные конструкции, типы волн, частотный диапазон использования.

26.Оптические кабели. Основные типы, маркировка и конструктивные особенности исполнения.

28.Волновая теория передачи по оптическим кабелям

30.Дисперсия и пропускная способность ВС.

32. Коэффициент распространения. Волновое сопротивление. Скорость передачи энергии по оптическим кабелям, волоконным световодам.

34.Полосковые линии передачи. Основные классы и базовые конструкции

Кроме указанных выше достоинств радиолиний, определяемых возможностью установления связи на огромные расстояния с подвижными объектами, отметим еще высокую скорость установления связи, а также возможность обеспечения передачи массовым средствам информации (радиовещание и телевидение) с неограниченным числом слушателей и зрителей.

Основными недостатками РЛ (радиосвязи) являются: зависимость качества связи от состояния, среды передачи и сторонних электромагнитных полей; низкая скорость; недостаточно высокая электромагнитная совместимость в диапазоне метровых волн и выше; сложность аппаратуры передатчика и приемника; узкополосность систем передачи, особенно на длинных волнах и выше (отношение ΔF/f_H≤.(0,1...0,6), где ΔF — ширина полосы частот информационного сигнала; f_H — частота несущей радиосигнала).

Различают следующие типовые диапазоны длин волн и радиочастот:

Сверхдлинные волны (СДВ) 100... 10 км (3...30 кГц)

Длинные волны (ДВ) 10... 1 км (30.. .300 кГц)

Средние волны (СВ) 1,0... 0,1 км (0,3... 3 МГц)

Короткие волны (KB) 100... 10 м (3...30 МГц)

Ультракороткие волны (УКВ) 10... 1 м (30... 300 МГц)

Дециметровые волны (ДЦМ) 1 ... 0,1 м (300 .. 3000 МГц) или Сантиметровые волны (СМ) 10... 1 см (3...30 ГГц)

Миллиметровые волны (ММ) 10... 1 мм (30... 300 ГГц)

Оптический диапазон 10...0,1 мкм (3-10¹³...3-10^l5 Гц).

Различают три основных типа ЛС: кабельные (КЛ), воздушные (ВЛ), волоконно-оптические (ВОЛС). Кабельные и воздушные линии относятся к проводным линиям, у которых направляющие системы образуются системами «проводник-диэлектрик», а волоконно-оптические линии представляют собой диэлектрические волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями преломления.

Проводные линии связи работают в килогерцовом и мегагерцовом диапазонах частот. Кабельные линии обеспечивают надежную и помехозащищенную многоканальную связь на требуемые расстояния. Коаксиальные и симметричные кабели получили доминирующее развитие при организации городской и междугородной связи.

Воздушные линии широко использовались в 30—40-х годах. Однако низкая пропускная способность (12 каналов ТЧ), обусловленная недостаточной помехозащищенностью от взаимных помех, и подверженность атмосферно-климатическим воздействиям ограничивают их использование на зоновой и сельской сети связи.

Волоконно-оптические линии связи представляют собой системы для передачи световых сигналов микроволнового диапазона волн (=0,8 ... 1,6 мкм) по оптическим кабелям. Этот вид линий связи рассматривается как наиболее перспективный. Достоинствами ВОЛС являются низкие потери, большая пропускная способность, малые масса и габаритные размеры, экономия цветных металлов, высокая степень защищенности от внешних и взаимных помех.

В 1900 - 1902 гг. была сделана успешная попытка повысить дальность передачи методами искусственного увеличения индуктивности кабелей путем включения в цепь катушек индуктивности (предложение Пупина), а также применения токопроводящих жил с ферромагнитной обмоткой (предложение Крарупа). Такие способы на том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефонной связи в несколько раз.

В 1917 г. был разработан и испытан на линии телефонный усилитель на электронных лампах.

В 30-х годах началось развитие многоканальных систем передачи.

В последующем стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность линий привело к созданию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Первая коаксиальная линия на 240 каналов ВЧ телефонирования была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.

С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.

Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов были разработаны и испытаны в реальных условиях ВОЛС. Основные сферы применения таких систем - телефонная сеть, кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.

2 Основные классы НС и их базовые конструкции.

Направляющие системы передачи высокочастотной энергии разделяются на: воздушные линии связи (ВЛС); симметричные кабели (СК), коаксиальные кабели (КК); сверхпроводящие кабели (СПК); волноводы (В); световоды (С), оптические кабели (ОК); линии поверхностной волны (ЛПВ); диэлектрические волноводы (ДВ); ленточные кабели (ЛК) (полосковые линии ПЛ); радиочастотные кабели (РК). Конструкции различных направляющих систем схематично показаны на рис

А)симметричная цепь б) коаксиальный кабель в)сверхпроводящий кабель г)волноводы д)линия поверхностной волны е) диэлектрические волноводы ж)ленточный кабель з) полосковая линия и)световоды(линзовый, волоконный)
Воздушные линии и симметричные кабели относятся к группе симметричных цепей (а). У них наличие 2 проводника с одинаковыми конструктивными и электрическими свойствами. В коаксиальном кабеле (б) проводник а концентрически расположен внутри проводника б, имеющего форму полого цилиндра. Внутренний проводник изолируется от внешнего с помощью различных изоляционных прокладок (шайбы, баллоны, кордели и др.). Сверхпроводящий кабель (в) имеет коаксиальную конструкцию весьма малых габаритных размеров, помещенную в условия низких отрицательных температур (-269° С). Волновод (г) представляет собой полую металлическую трубу круглого или прямоугольного сечения, изготовленную из хорошо проводящего материала. Линия поверхностной волны (д) представляет собой одиночный металлический провод, покрытый высокочастотной изоляцией (полиэтиленом). Диэлектрический волновод (е) - это стержень круглого или прямоугольного сечения, выполненный из высокочастотного материала (полиэтилена, стирофлекса). Полосковая линия (ж) состоит из плоских ленточных проводников с расположенной между ними изоляцией. Ленточный кабель (з) содержащит большое число проводников, расположенных в одной плоскости. Оптический кабель (и) представляет собой скрутку из оптических волокон - световодов, объединенных в единую конструкцию.Радиочастотные кабели (РК) имеют коаксиальную, симметричную или спиральную конструкцию.

НС	Частота, Гц
ВЛС	10е5
СК	10е6
КК для магистральной связи для уст–в антенно–фидерных трактов	10е8 10е9
Влоновод	10е(10–11)
ОК	10е(14–15)

Направляющие системы передачи высокочастотной энергии разделяются на: воздушные линии связи (ВЛС); симметричные кабели (СК), коаксиальные кабели (КК); сверхпроводящие кабели (СПК); волноводы (В); световоды (С), оптические кабели (ОК); линии поверхностной волны (ЛПВ); диэлектрические волноводы (ДВ); ленточные кабели (ЛК) (полосковые линии ПЛ); радиочастотные кабели (РК). Конструкции различных направляющих систем схематично показаны на рис

А)симметричная цепь б) коаксиальный кабель в)сверхпроводящий кабель г)волноводы д)линия поверхностной волны е) диэлектрические волноводы ж)ленточный кабель з) полосковая линия и)световоды(линзовый, волоконный)
ВЛ используются в диапазоне до 10⁵ Гц, симметричные кабели - до 10⁶ Гц, а коаксиальные кабели - до 10⁸ Гц для магистральной связи и до 10⁹ Гц для устройств антенно-фидерных трактов. Сверхпроводящие кабели имеют преимущественно коаксиальную конструкцию и предназначены для использования в частотном диапазоне коаксиальных систем (до 10⁹ Гц).

Волноводы междугородной связи предназначены для работы на частотах до 10¹¹ Гц (миллиметровые волны), а световоды используют частоты 10¹⁴ Гц (оптический диапазон волн 0,85...1,55 мкм). Осваиваются также волны 2... 6 мкм.

Радиолинии используют диапазон длинных, средних и коротких волн. Радиорелейные линии связи работают на волнах прямой видимости в дециметровом (0,3 ... 3 ГГц) и сантиметровом (3... 30 ГГц) диапазонах.

Естественно, что чем более высокий диапазон частот можно передать по НС, тем больше можно образовать каналов связи и экономичнее передача.

Рис. Частотные диапазоны различных направляющих систем: ВЛ - воздушная линия; СК - симметричный кабель; КК - коаксиальный кабель; MB - металлический волновод; ДВ - диэлектрический волновод

Сеть связи состоит из трех частей: 1) систем передачи информации (линий и аппаратуры); 2) устройств (систем) коммутации; 3) оконечных устройств.

Классификация сетей производится по: категориям(выделенные, специального назначения, общего пользования), по формирующему признаку(сети доступа, транспортные сети), по способу организации каналов(первичные, вторичные), по территориальному делению(местные, зональные, магистральные или международные).

Возможно несколько вариантов построения сети:

полносвязное (каждый с каждым), при котором любой узел (узел исходящих и входящих сообщений – УИВС) имеет прямые связи со всеми остальными узлами (рис. 2.1, а);

узловое, при котором несколько пунктов (районная автоматическая станция - РАТС) группируются в узлы и последние соединяются между собой (рис. 2.1, б);

радиальное (звездообразное), при котором имеется лишь один узел с расходящимися линиями по радиусам к другим пунктам (рис. 2.1, в).

Разновидностью сетевидной сети являются решетчатые (ячеистые) структуры. Они очень надежны, но на их сооружение требуются большие капитальные затраты.

Рис. 2.1. Варианты построения сетей связи: а - непосредственное соединение; б - узловое; в - радиальное.

Непосредственное соединение каждого пункта с каждым наиболее надежно, но в технико-экономическом отношении невыгодно. Неэкономична и узловая система. Радиальная система наиболее дешевая, но она не имеет никаких путей резервирования и не обеспечивает непрерывности связи. Наилучшие результаты дает сочетание радиальной и узловой систем. Такая система позволяет создавать разветвленную, устойчивую и в то же время довольно экономичную сеть связи. Принципиальная схема радикально-узловой системы построения сети показана на рис. 2.2. Она характеризуется тем, что одноименные узлы связи (ТС) соединяются линиями не только с нижестоящими узлами (МС), но и между собой.

Рис. 2.2. Структура радиально-узловой сети связи

Сеть связи страны (рис. 2.3) состоит из магистральной (уровень транзитных станций - ТС) и зоновых сетей (уровень местных станций – МС) (рис. 2.4). Зоновая сеть организуется в пределах одной-двух областей . Она подразделяется на внутризоновую и местную (уровень МС). Внутризоновая связь соединяет областной (республиканский, краевой) центр с районами. Местная связь включает сельскую связь (райцентр с колхозами, совхозами и рабочими поселками) и городскую связь. Абоненты зоны охватываются единой семизначной нумерацией, и, следовательно, в зоне может быть до 10⁷ телефонов и находятся на уровне доступа. Магистральная сеть соединяет главный узел (сетевой узел - СУ0) с центрами зон (сетевыми узлами – СУ2, СУ10, СУ12 и т.д.), а также зоны между собой (рис. 2.4). Внутриобластная (внутризоновая) сеть является сетью областного значения.

Эта сеть обеспечивает связью областной центр со своими городами и районными центрами и последние между собой, а также выход их на магистральную сеть (рис. 2.4).Сеть строится на основе территориально-сетевых (ТСУ) и сетевых (СУ) узлов. Кроме того, сеть связи страны подразделяется на первичную и вторичную

Линейные сооружения городской телефонной сети состоят из абонентских (и соединительных линий. В крупных городах строят несколько районных автоматических телефонных станций .Такая сеть называется районированной. При этом линии, соединяющие телефонные аппараты с районной телефонной станцией, называются абонентскими, а линии, соединяющие районные станции между собой, - соединительными .Связь между районными станциями осуществляется одним из следующих способов: по принципу «каждая с каждой», радиальному, с узлами входящего сообщения, с узлами исходящего и входящего сообщений (рис. 2.5 Построение сетей АЛ осуществляется различными способами, однако все они могут быть сведены к двум основным системам: шкафной и бесшкафной, в Республике Беларусь, как правило, применяется шкафная система

Рис. 2.6. Построение сети абонентских линий ГТС: б - шкафная система.

При построении телефонных сетей применяется также смешанная система с использованием того или иного способа на тех участках сети, где он является наиболее целесообразным.

В сельской местности на территории административного района создаются следующие виды сетей электросвязи, входящие в зоновую (областную) связь:

Сельская телефонная сеть строится по радиально-узловой системе. Она наиболее экономична и в то же время достаточно надежна. Пример построения СТС приведен на рис. 2.7. Оконечные станции подключаются к центральной и узловым станциям.

Рис. 2.7. Построение сельской телефонной сети связи

В сельском районе, обычно в райцентре, строится радиотрансляционный узел (мощностью 1, 2,5 или 10 кВт). Радиотрансляционная сеть узла обычно состоит из местной (двух- и трехзвенной) сети, обслуживающей все остальные населенные пункты района. Если не представляется возможным охватить системой высоковольтных фидеров населенные пункты, удаленные от райцентра (высокая стоимость, неудовлетворительные качественные показатели), то в районе сооружается дополнительно несколько усилительных подстанций. В небольших городах и рабочих поселках сеть радиоузла имеет двух- или трехзвенное построение. Трехзвенная сеть применяется на крупных узлах с большой нагрузкой, питающихся от районных усилительных станций. Число станций, их мощность и размещение на территории города определяются в зависимости от конкретных условий и нагрузки.

Наивыгоднейшее число распределительных фидеров двухзвенной сети, питаемой от станций радиоузлов и усилительных трансформаторных подстанций, определяется исходя из местных условий. Обычно оно равно 6—10. Опыт строительства радиотрансляционных сетей показывает, что даже в больших городах распределительный узел должен иметь нагрузку не более 20 тыс. радиоточек, а в городах с малой плотностью застройки и малой этажностью - 6— 8 тыс. радиоточек.

В произвольных направляющих системах различают 4 класса волн:

1) Электрические волны Еz ≠ 0, Нz = 0 (ТМ или Е-волны). ТМ-волны имеют только поперечные составляющие магнитного поля; продольную составляющую имеет лишь электрическое поле

2) Магнитные волны Нz ≠ 0, Еz = 0 (TE или Н-волны).В ТЕ-волнах электрическое поле сводится лишь к поперечным составляющим, но магнитное поле имеет и продольную, и поперечную составляющие

3) Поперечные волны Нz = 0, Еz = 0 (Т-волны) плоская ЭМВ, Т означает поперечность (трансверсальность)

4) Гибридные или смешанные волны Еz ≠ 0, Нz ≠ 0 ( характерны для световодов). Гибридные смешанные волны разделяются на два типа: НЕ — с преобладанием в поперечном сечении поля Н и ЕН — с преобладанием в поперечном сечении поля Е.

Волны Е и Н можно (принимать) передавать по однопроводным направляющим системам( например по волноводам). Длина волны должна быть такой, чтобы в сечение волновода уложилось целое число полуволн.

Наряду с делением на классы электромагнитные волны делятся также по типам. Тип волны или мода определяется сложностью структуры, т. е. числом максимумов и минимумов поля в поперечном сечении

T (TEM) E H EH или HE

E_Z=0 H_Z=0 E_Z0 H_Z=0 H_Z0 E_Z=0 H_Z=0 E_Z0

Рис. 1. Классы и типы волн

Этот режим справедлив в том случае, когда λ>D, где λ – длина волны, D – поперечный размер направляющей системы Условие λ>D и σ>ε_аω хорошо реализуются в случае проводных систем (воздушные линии, симметричные коаксиальные кабели) в диапазоне частот до 10⁹Гц.

В ур–ях выше

Е – вектор напряжённости магнитного поля[B/м]

D – в–р электрического смещения(индукции)[Кл/м²]

В – в–р индукции магнитного поля[Вб/м²]

Н – в–р напряжённости магнитного поля[А/м]

р – плотность стороннего электрич. заряда

j – плотность тока

Качество передачи по линейным цепям связи и их электрические свойства полностью характеризуются первичными параметрами. По физической природе параметры цепи связи составленны из элементов R, L, C. цепях связи они равномерно распределены по всей длине линий. . Параметры R и L, включенные последовательно (продольные), образуют суммарное сопротивление Z = R + iωC, а параметры G и C (поперечные) — суммарную проводимость Y = G + iωC. Из указанных четырех параметров лишь R и G обусловливают потери энергии: первый — тепловые потери в проводах и других металлических частях кабеля (экран, оболочка, броня); второй — потери в изоляции.

Телеграфные ур-я:

Утечка тока на участке:–dI/dx = U (G + iωC)

Падение напряжения:–dU/dx = I (R+ iωL)
Волновое сопротивление.Z_в = (R+ iωL)/ γ = ,Волновое сопротивление — это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т. е. при условии, что на процесс передачи не влияют несогласованности на концах линии.Явл–ся вторичным пар–ом.

Коэффициент распространения γ является комплексной величиной и может быть представлен в виде суммы действительной и мнимой частей ее: Явл–ся вторичным пар–ом.

γ = .

U_x = U₀ ch γ x - I₀ Z_в sh γ x - телеграфные ур–я для несогласов. режима(Z_l≠Z_в≠Z₀)

I_x = I₀ ch γ x – (U ₀ /Z_в) sh γ x

Ток и напряжение в начале линии:

При согласованной нагрузке:

U_x=U₀e^–γx U₀=U_xe^γx

I_x=I₀e^–γx I₀=I_xe^γx

Волновое (характеристическое) сопротивление Z_в и коэффициент распространения γ являются вторичными параметрами линии и широко используются для оценки эксплуатационно-технических качеств линии связи. Волновое сопротивление — это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т. е. при условии, что на процесс передачи не влияют несогласованности на концах линии. Оно свойственно данному типу кабеля и зависит лишь от его первичных параметров и частоты передаваемого тока.

Волновое сопротивление рассчитывается по формуле

Z_в = .

Коэффициент распространения γ является комплексной величиной и может быть представлен в виде суммы действительной и мнимой частей ее:

γ = α + i β = .

При передаче сигналов связи параметры α и β характеризуют соответственно затухание и изменение фаз тока, напряжения и мощности на участке кабельной цепи длиной 1км и называются коэффициентом затухания и коэффициентом фазы. Коэффициент распространения γ = α + iβ одновременно определяет изменение сигнала как по абсолютной величине, так и по фазе на 1 км длины кабеля.

Скорость распространения зависит от параметров цепи и частоты тока. Она определяется из выражения v = ω / β.

Из этой формулы видно, что скорость распространения является функцией частоты f= ω/2π и коэффициента фазы, который в свою очередь зависит от первичных параметров линии. Таким образом, если затухание цепи определяет качество и дальность связи, то коэффициент фазы обусловливает скорость движения энергии по линии.

В диапазоне высоких частот, когда β = , скорость не зависит от частоты и Определяется лишь параметрами кабеля:

В неоднородной линии отраженные волны искажают частотную характеристику собственного волнового сопротивления кабеля. Подключенный ко входу цепи измерительный прибор покажет уже не волновое, а входное сопротивление Z_вх, характеризующее новое электрическое состояние линии. Затухание неоднородной линии представляет собой суммарную величину, включающую, кроме собственного затухания кабеля также затухание за счет неоднородности электрических характеристик цепи. Дальность связи по такой кабельной линии будет обусловливаться не собственным затуханием линии a =  l, а ее рабочим затуханием а_р.

Следует отметить, что передача электромагнитной энергии по неоднородным линиям находится в неблагоприятных условиях и качество связи по ним может быть совершенно неудовлетворительным.

Линии с несогласованными нагрузками по концам.

Входным сопротивлением такой линии будет сопротивление, измеренное на входе линии при любом нагрузочном сопротивлении на ее конце.

Если линия имеет согласованную нагрузку (Z_l = Z_в), то Z_вх = Z_в и коэффициент отражения р = 0. Для электрически длинной линии при любой нагрузке на ее конце.

Входное сопротивление линии можно также выразить через величину эквивалентного коэффициента отражения р, отнесенную к началу линии, в виде
Z_вх = Z_в [(1 + p)/(1 - p)] ≈ Z_в (1 + 2p)

Рабочее затухание a_р является затуханием кабельной цепи в рабочих условиях, т. е. при любых нагрузочных сопротивлениях (Z₀ и Z_l) на концах. Оно представляет более общий параметр, так как кроме собственного затухания кабеля a = αl учитывает также влияние несогласованности на стыках кабеля (Z_в) с нагрузкой (Z₀ и Z_l).

Рабочее затухание рассчитывается по формуле

Неоднородности в кабеле приводят к появлению в цепи двух дополнительных потоков энергии: обратного, состоящего из суммы элементарных отраженных волн в местах неоднородностей и движущегося к началу цепи, и попутного, возникающего по закону двойных отражений вследствие того, что первоначально отраженные волны, движущиеся к началу цепи, встречая места неоднородностей, частично отражаются и направляются к концу линии.

Условие Хевисайда: если в некоторой цепи L*G=C*R до искажения будут отсутствовать ( для реальных кабелей условие не выполняется ).

На вход подаётся единичный импульс.

При ↑N ↓затухание отклика

1. t_u/N=200 t1 – текущее время, tu – длительность импульса

2. t_u/N=20 Параметр N ~ (α*l)²/2

3. t_u/N=2

Форма искажения импульсных сигналов в двухпроводных линиях связи с потерями определяется:

А) затуханием

Б) длиной кабельной магистрали

Чем ↑А) и Б) тем ↑ искажение формы сигнала. Возникает межсимвольная интерференция.

Межсимвольная интерференция ярко проявляется при высоких скоростях передачи информации.При передаче с высокими скоростями – 2400-9600 бит/с и выше, т.е. при удельных скоростях Бод/Гц и более, наиболее главными становятся искажения АЧХ и ФЧХ. Дело в том, что эти искажения вызывают изменения формы переданных сигналов, появления «хвостов» которые тянутся за сигналами переносчиками.

13.Коаксиальные кабели. электрические процессы в коаксиальных цепях

Способность коаксиальной цепи пропускать широкий спектр частот конструктивно обеспечивается коаксиальным расположением внутреннего и внешнего проводников. Особенности распространения электромагнитной энергии по коаксиальной паре обусловливают возможность передачи широкого спектра частот и ставят высокочастотные связи в преимущественное положение по сравнению с низкочастотными.

Силовые линии магнитного поля располагаются внутри коаксиальной пары в виде концентрических окружностей; вне коаксиальной пары магнитное поле отсутствует. Электрическое поле внутри коаксиальной пары замыкается по радиальным направлениям между проводниками а и б, а за ее пределами равно нулю. На рис.4.2. изображены электромагнитные поля коаксиальной и симметричной цепи. Электромагнитное поле коаксиальной пары полностью замыкается внутри нее, а силовые линии электрического поля симметричной пары действуют на довольно значительном от нее расстоянии.

Рис. 4.2. Структура электромагнитного поля для симметричных (а) и коаксиальных кабелей.

Отсутствие внешнего электромагнитного поля обусловливает основные достоинства коаксиальных кабелей: широкий диапазон частот, большое число каналов, защищенность от помех и возможность организации однокабельной связи. Основные преимущества коаксиального кабеля (малое затухание и высокая помехозащищенность) особенно ярко проявляются в высокочастотной части передаваемого спектра частот. При постоянном токе и на низких частотах, когда ток практически проходит по всему сечению проводника, достоинства этого кабеля пропадают. Коаксиальная цепь как несимметричная относительно других цепей и земли (параметры ее проводников а и б различны) в низком диапазоне частот по защищенности от помех уступает симметричным кабелям.

Внешний проводник выполняет функцию экрана и является обратным проводником ко внутреннему.

В реальных условиях проводники имеют конечную проводимость и создают дополнительные потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть учтены по закону Умова - Пойнтинга, характеризующему радиальный поток энергии, направленный внутрь коаксиального кабеля.

Можем записать

, где R - активное сопротивление проводника; L - внутренняя индуктивность проводника; E_z - продольная составляющая электрического поля; Н_* - тангенциальная составляющая магнитного поля (сопряженное значение).

Таким образом, для нахождения параметров R и L коаксиальной пары необходимо определить значения Е_z и Н_* на поверхности проводников, решив уравнения Максвелла.

Полное сопротивление коаксиальной пары складывается из сопротивления внутреннего проводника Z_a=R_a+iL_a сопротивления внешнего проводника Z_б=R_б+iL_б. Кроме того, необходимо учесть внешнюю межпроводниковую индуктивность.

Сопротивление внутреннего проводника может быть определено как сопротивление одиночного проводника, так как электрическое поле внешнего проводника никакого действия на внутренний проводник не оказывает. Так как поле одиночного провода имеет осевую симметрию, то E_z/=0;  ²E_z/²=0. Тогда уравнение Геймгольца примет вид

Решение данного уравнения выражается через цилиндрические функции.

Решив данное уравнение имеем:

, (4.11)

где R_a и L_a - соответственно сопротивление и индуктивность одиночного внутреннего проводника. I₀ и I₁ ф–ции Бесселя.

Для определения R_a и L_a обычно пользуются заранее рассчитанными таблицами функций F, G, H и Q для различных значений kr



, внутренняя индуктивность, Гн/км,

где R₀ - сопротивление постоянному току одного километра проводника, Ом/км.

коаксиального кабеля из медных проводников

Для определения R_a и L_a обычно пользуются заранее рассчитанными таблицами функций F, G, H и Q для различных значений kr

внутренняя индуктивность, Гн/км,

где R₀ - сопротивление постоянному току одного километра проводника, Ом/км.

для коаксиального кабеля из медных проводников

Явления в диэлектрике полностью характеризуются двумя параметрами: емкостью С и проводимостью G. Емкость кабеля аналогична емкости конденсатора, где роль обкладок выполняют проводники, а диэлектриком служит расположенный между ними изоляционный материал. Проводимость изоляции G м.б. определена как составляющая потерь в диэлектрике конденсатора, емкость которого равносильна емкости кабеля.

Проводимость изоляции и емкость коаксиального кабеля могут быть рассчитаны по формулам для коаксиальных конденсаторов. Емкость , Ф/м. Проводимость изоляции , См/м.

Обычно принято проводимость G выражать через тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции кабеля .

Тогда .

Заменяя в выражении емкости , получим для 1 км кабеля (где , Ф/м)

Соответственно

Зависимость первичных параметров от частоты:

Коаксиальные кабели практически используются в спектре частот от 60 кГц и выше, где RL и GC. Поэтому вторичные параметры передачи их рассчитываются по следующим формулам:

где _м - коэффициент затухания вследствие потерь в металле; _д -коэффициент затухания вследствие потерь в диэлектрике.

Коэффициент затухания , дБ/км, находится при подстановке в формулу первичных параметров. Для кабеля с медными проводниками получим:

. (4.35)

Коэффициент фазы , рад/км, коаксиальной пары определяется из уравнения . Подставляя сюда значения L и С, получим . Коэффициент фазы можно выразить также через  и , рад/км, где с — скорость света, равная 300000 км/с.

Скорость распространения , км/с, электромагнитной энергии по коаксиальным парам

. (4.38)

Волновое сопротивление Z_в, Ом, коаксиальной пары для высоких частот определяется выражением

Коэффициент затухания , дБ/км, коаксиального кабеля с современным высококачественным диэлектриком в практически используемом спектре частот (до 60 МГц) может быть определен по следующей формуле (без потерь в диэлектрике):

Если же проводники изготовлены из различных металлов, то минимальное затухание определяется из выражения

При конструировании коаксиального кабеля приходится отступать от оптимального соотношения D/d

Для коаксиального кабеля с медными проводниками при оптимальном отношении D/d коэффициент затухания , дБ/км, определяется по формуле

Очевидно, что для междугородных кабелей связи, по которым необходимо обеспечить наибольшую дальность связи, исходят из условия оптимального по затуханию соотношения D/d=3,6 с учетом получения нормированной величины Z_в=75 Ом.

Условия максимальной мощности или электрической прочности обычно реализуются в коаксиальных радиочастотных кабелях фидерного назначения.

Таблица 4.5.