Направляющие системы связи

1. Общие сведения о линиях связи и направляющих системах связи

1.1. Роль и место направляющих систем в системах связи. Виды линий связи и их основные свойства

1.2. Классификация, конструкции и частотные диапазоны направляющих систем

2. Построение сетей электросвязи

3. Кабели на основе направляющих систем

3.1. Электрические кабели

3.2. Оптические кабели

4. Электродинамика направляющих систем

4.1. Общие положения

4.2. Энергетические соотношения для электромагнитного поля

4.3. Режимы передачи по направляющим системам

4.4. Классы и типы волн в НСС

4.5. Электромагнитные процессы в проводниках и диэлектриках

4.6. Уравнение однородной линии

5. Теория направляющих систем

5.1. Передача энергии по симметричной цепи с учётом потерь

5.2. Внутренняя индуктивность, емкость и сопротивление изоляции симметричной цепи

5.3. Вторичные параметры передачи симметричных цепей

5.4. Коаксиальные цепи. Электрические процессы в коаксиальных цепях

5.5. Параметры передачи коаксиальных цепей

5.6. Оптимальное соотношение диаметров проводников коаксиальной цепи

5.7. Свойства неоднородных линий

6. Волноводы

6.1. Круглый волновод

7. Волоконные световоды

7.1. Полное внутренние отражения

7.2. Числовая апертура и апертурный угол

7.3. Основные положения волновой теории ВС

7.4. Дисперсия в световодах

7.5. Затухание в волоконных световодах

1. Общие сведения о линиях связи и направляющих системах связи

1.1. Роль и место направляющих систем  в системах связи. Виды линий связи и их основные свойства

Систему передачи, содержащую направляющую систему (НС), логично представить обобщенной схемой (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Обобщенная схема системы передачи

На НС действуют помехи, в тракте системы передачи могут возникать различного рода искажения. Поэтому

                          (1.1)

Действующие  на НС помехи делятся на внешние и внутренние. Внешние помехи вызваны действием сторонних электромагнитных полей. Внутренние  помехи обусловлены действием электромагнитных полей соседних проводников в направляющей системе (или взаимными влияниями). Практически идеальной направляющей системой является волоконный световод, т. к. на него не действуют внешние поля и в световоде отсутствуют взаимные влияния.

Направляющая система  — это непрерывная по длине  конструкция, направляющая распространение электромагнитной энергии в заданном направлении, т. е., обладающая канализирующими свойствами. Такими свойствами обладает граница раздела сред с разными электрическими параметрами (рис 1.2 ).

Любая материальная среда характеризуется такими параметрами:

• удельным электрическим сопротивлением  p,  или удельной электрической проводимостью
• абсолютной магнитной проницаемостью 
• абсолютной диэлектрической проницаемостью E, Ф/м;

Следует учесть, что ; ;  , где ,  – относительная диэлектрическая и магнитная проницаемости соответственно;  Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;    Гн/м – абсолютная магнитная проницаемость вакуума, n – коэффициент преломления среды.

Рис. 1.2. Обобщённая направляющая система

К  направляющим системам предъявляются следующие требования:

• высокая информационная ёмкость;
• малые потери электромагнитной энергии в процессе её распространения;
• возможность передачи различных видов информации, т.е. сигналов с различными видами модуляции;
• малые взаимные влияния;
• постоянство параметров НС в процессе длительного срока эксплуатации;
• обеспечение необходимого качества и дальности связи.

         По направляющим системам передаются различные виды информации (табл. 1.1).

Таблица 1 .1

Виды информации	Полоса частот, кГц	Количество КТЧ
Телефония	4	1
Радиовещание	8 – 12	2 — 3
Телевидение	6000	1500
Телеграфия	4/(18…24)	1/(18…24)
Передача данных	4…240	1…60

Непременным, одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов техники связи являются линии связи (ЛС). Линия связи – комплекс технических сооружений, обеспечивающий передачу как узкополосных, так и широкополосных каналов, используемых для передачи информации от отправителя к получателю на заданное расстояние с заданным качеством. Эффективность работы систем определяется качеством ЛС, их свойствами, параметрами, воздействием на ЛС различных факторов. Линии связи состоят из нескольких подсистем, обеспечивающих их функционирование: оконечных пунктов, обслуживаемых и необслуживаемых усилительных (регенерационных) пунктов.

Классификация линий связи. Линии связи делятся на два типа – беспроводные (радиолинии) и проводные на основе тех или иных направляющих систем. Классификация ЛС приведена на рис 1.3.1

Рис. 1.3. Классификация линий связи

Отличительной особенностью проводных ЛС является  то, что передача информации от одного абонента к другому осуществляется по специально созданным на основе направляющих систем цепям. Характер распространения электромагнитных волн в различных средах и направляющих системах определяется частотными диапазонами, в которых работают эти системы.

Беспроводные и проводные ЛС имеют свои особенности, достоинства и недостатки. К ЛС предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивает высокую эффективность при их эксплуатации, необходимое качество связи, дальность связи.

1.2. Классификация, конструкции и частотные диапазоны направляющих систем

         По конструктивным признакам направляющие системы делятся на две группы  — системы, в которых распространение электромагнитной энергии ограничивается в поперечном  направлении  (закрытые системы) и  системы, в которых такого ограничения нет (открытые системы) (рис. 1.4, 1.5).

Рис. 1.5. Классификации НСЭ по конструктивным признакам

Воздушные линии связи и симметричные пары относятся к группе симметричных цепей, т.е. НС этой группы имеют два проводника с одинаковыми конструктивными и электрическими свойствами.

Направляющие системы являются основными элементами кабелей связи, они классифицируются по частотному диапазону их использования (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Частотные диапазоны разных направляющих систем

Характеристики разных направляющих систем и области их применения приведены в таблице 1.1

Вопросы и задания для самоконтроля

2.     Дайте определение НС.

3.     Чем обеспечивается свойство направленности НС?

4.     Охарактеризуйте открытые НС и закрытые НС, приведите примеры этих систем.

5.     Приведите конструкции НС, охарактеризуйте их особенности, укажите область применения.

6.     Какие виды информации передаются по НС?

7.     Дайте определение канала тональной частоты.

8.     Дайте определение канала связи.

8.   Можно ли передать по ВЛС сигнал с полосой частот ?

9.     Является ли коаксиальная пара симметричной НС?

10.      Можно ли по КК передать сигнал в диапазоне частот  от 1 до 3 кГц?

11.     Возможна ли передача телевизионных сигналов по СК?

12.     Является ли направляющей системой структура стекло/полимер?

Письменные задания

1.     Запишите условие (1.1) для идеальной системы связи.

2.     Приведите электрические параметры сред.

3.     Приведите структурную схему линии связи с цифровыми и с аналоговыми сигналами в линейном тракте.

4.     Приведите структурную схему элементарного усилительного участка.

5.     Охарактеризуйте подсистемы линии связи.

6.      Объясните, как обеспечивается направленность распространения электромагнитных волн в радиолиниях, радиорелейных линиях?

7.     Охарактеризуйте особенности беспроводных ЛС.

8.     Охарактеризуйте особенности проводных ЛС.

9.     Приведите диаграмму уровней секции ОУП-ОУП.

10.      Выбрать тип НС для одновременной передачи следующих видов информации: 30 телевизионных каналов, 2 канала радиовещания.

11.      Выбрать тип НС для одновременной передачи 2 каналов ТВ,  КТЧ, 1000 каналов передачи данных.

12.      Выбрать тип НС для одновременной передачи амплитудно–модулированных (АМ) сигналов: .

13. Выбрать тип НС для одновременной передачи АМ сигналов с верхней боковой частотой:     ,   , .

2. Построение сетей электросвязи

Любая сеть связи содержит: оконечное оборудование (каналообразующую аппаратуру), линии связи, системы коммутации, оконечные устройства (устройства абонентского доступа). Обобщённая схема сети связи приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Обобщённая схема сети связи.

Сеть связи представляется узлами (пункты коммутации) и рёбрами (линиями связи), соединяющими эти узды между собой.

Все сети связи Украины представляют Единую Национальную Сеть Связи (ЕНССУ). Сети связи строятся по иерархическому принципу – от высшей ступени к низшей, т. е. от центра (столицы) к периферии в соответствии с административно – территориальным делением государства. Территория Украины разбита на 25 зон (по числу областей), главным узлом является г. Киев. Линии связи делятся на магистральные, зоновые, внутризоновые. Магистральные линии соединяют головной узел с областными центрами (центрами зон) и центры зон между собой, они образуют магистральную сеть. Зоновая сеть организуется в пределах одной или двух соседних областей на основе зоновых  линий связи. Зоновая сеть образуется внутризоновыми и местными линиями. Местная связь состоит из сельской связи (райцентр – населённые пункты административного района) и городской телефонной сети (ГТС). Зоновая связь организуется зоновыми (внутризоновыми) линиями связи.

В процессе распространения сигналов вдоль ЛС, вследствие потерь энергии, в НС происходит постепенное уменьшение амплитуды сигнала и его искажение вследствие действия помех различного происхождения. В усилительных пунктах сигнал усиливается до необходимого уровня, а в регенерационных регенерируется и усиливается.

 ЕНССУ объединяет  сети всех уровней иерархии, строится на основе единой системы нумерации и единой системы построения каналообразующей аппаратуры. ЕНССУ делится на первичную сеть и вторичную. Первичная сеть – это совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В её состав входят линии связи и каналообразующая аппаратура. Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения, (телефонных, телевидения, передачи данных и др.), образуемых на базе первичной сети. Вторичная сеть образуется на базе первичной.

Топология сетей связи представляет структурное построение сети. Существует несколько вариантов топологий:

• полносвязная (каждый с каждым), при которой любой узел сети имеет прямые связи со всеми остальными узлами;
• узловая, при которой несколько пунктов группируются в узлы и последние соединяются между собой;
• радиальная (звёздообразная), при которой имеется один узел, который  соединяется радиальными линиями с другими пунктами.

Распространённой является топология сочетающая радиальную и узловую  структуры. В этом случае узлы одного уровня иерархии соединяются с нижестоящими узлами между собой.

В информационно – вычислительных сетях используются шинные, древовидные, решётчатые (ячеистые) структуры.

Построение городской телефонной сети (ГТС). Как любая сеть связи, ГТС должна быть высоконадёжной и экономичной. Надёжность сети обеспечивается её разветвлённостью, наличием обходных путей. Экономичность достигается минимизацией расстояний между узлами сети. ГТС организуется на основе полносвязной, радиальной, узловой и гибридной топологий. ГТС представляет совокупность станционных сооружений, линий связи, оконечных абонентских устройств, обеспечивающих возможность передачи различных видов информации.

Станционные сооружения предназначены для коммутации, а при необходимости  — для усиления и регенерации сигналов  (автоматические телефонные станции). Существует две схемы построения ГТС – районированная и нерайонированная. ГТС крупных городов строится по принципу районирования. В этом случае территория города делится на ряд районов. В каждом районе находится несколько АТС и районная АТС (РАТС). АТС и РАТС соединяются между собой по радиальной схеме. РАТС отдельных районов соединяются между собой по разным схемам: полносвязной, с узлами входящих сообщений, с узлами входящих и исходящих сообщений. Нерайонированная сеть применяется в небольших городах. В этом случае несколько АТС (2-3) соединяются между собой по полносвязной схеме.

Появление высокоскоростных систем передачи, цифровых систем коммутации и оптических кабелей в больших городах (с количеством абонентов более 1 млн.) привело к появлению комбинированных топологий на основе транспортных колец (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Построение городской телефонной сети на основе транспортного кольца

Такая схема организации связи обеспечивает высокую надёжность, живучесть и экономичность сети.

Линии связи ГТС состоят из абонентских и соединительных линий. Абонентские линии – это участок сети от АТС до абонента, соединительные линии (СЛ) соединяют АТС между собой, а также АТС с междугородной телефонной станцией.

Построение сетей абонентских линий осуществляется несколькими способами: по бесшкафной и шкафной  системам. Примером бесшкафной системы является система непосредственного включения абонентских линий в соответствующую аппаратуру АТС. Такая система применяется на сетях малой ёмкости.

Схема шкафной системы приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Шкафная система построения  абонентских линий

В этом случае линия от АТС до распределительных шкафов (РШ) называется магистральной, от шкафов до распределительных коробок (РК) – распределительным участком, от распределительных коробок  до абонентских устройств – абонентской проводкой.

Кроме этих  схем при длине АЛ до 0,5 км применяются схема прямого включения (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Построение абонентской линии по принципу прямого включения

В шкафной системе территория обслуживания АТС делится на шкафные районы, подключения абонента осуществляется через РШ и РК. От АТС  до РШ прокладываются в разных направлениях кабели большой ёмкости, далее они разветвляются на кабели меньшей ёмкости, которые подключаются к РШ, далее от РШ до РК ёмкость кабелей также уменьшается.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Назовите составляющие сети связи, объясните их назначение.

2. Что представляют узлы и ребра сети связи?

3. Дайте определение ЕНССУ.

4. Дайте определение первичной, вторичной, транспортной сетей.

5. Дайте определение магистральной, зоновой, местной сети.

6. Какие требования предъявляются к ГТС, чем они обеспечиваются?

7. Какие устройства входят в состав ГТС?

8. Перечислите схемы построения ГТС, охарактеризуйте их.

9. Поясните структуру абонентской линии.

10. Охарактеризуйте шкафную систему построения ГТС, какое преимущество этой системы.

Письменные задания

1. Приведите иерархическую структуру сети связи, охарактеризуйте её.

2. Приведите схемы следующих топологий: полносвязной, радиальной, радиально – узловой, ячеистой (сетчатой), древовидной. Сравните эти топологии.

3. Составьте схему построения районированной и нерайонированной ГТС.

4. Приведите схемы межстанционных соединений ГТС: «каждая с каждой», с УВС, с УВС и УИС. Сравните эти схемы.

5. Составьте схему АЛ с прямым питанием.

6. Опишите схему организации связи на основе транспортного кольца.

7. Приведите структуру сельской сети связи.

8. Рассчитать длину усилительного участка АСП с линейным спектром частот 500…..20000 кГц. Усилительная способность системы передачи . Затухание кабеля на частоте 1 МГц составляет  3 дБ/км.

9. Рассчитать длину регенерационного участка для системы передачи ИКМ – 480. Недостающие данные взять из задачи 8.

10. Определить количество пар на магистральном участке кабеля, если ёмкость АТС составляет 1000 номеров, в зоне прямого питания находится 100 абонентов, в резерве оставлено 5% номеров АТС, эксплуатационный запас кабеля составляет 10%. АТС обслуживает 3 шкафных района с количеством абонентов в 1 – ом районе 300, во втором – 400. Все номера АТС, кроме резервных задействованы. Привести схему сети.

3. Кабели на основе направляющих систем

3.1. Электрические кабели

         Кабель – электротехническое изделие, содержащее совокупность направляющих систем, объединенных в одну конструкцию. Кабель имеет общую металлическую оболочку и защитные покровы. Каждая пара проводов образует электрическую цепь. Современные кабели связи классифицируются по ряду признаков.

Рис. 3.1. Классификация кабелей связи

         Кроме этого кабели классифицируются по типу изоляции, способу скрутки, материалу оболочек, типу броневых покровов. Симметричный кабель содержит симметричные пары с одинаковыми электрическими и конструктивными параметрами. Коаксиальный кабель содержит одну или несколько коаксиальных пар, которые могут отличаться конструктивно.

         Основные конструктивные элементы кабеля:

• изолированные проводники (жилы) в СК;
• коаксиальные пары (в КК);
• защитные оболочки;
• броневые покровы.

         Проводники кабелей связи должны иметь малое электрическое сопротивление, достаточную гибкость, механическую прочность. Они изготавливаются из меди или алюминия, могут быть сплошными и многожильными, а также биметаллическими. В КК используются ленточные, гофрированные проводники и оплётка (рис 3.2, рис. 3.3).

         Изоляция проводников должна иметь большое электрическое сопротивление, большую электрическую прочность (пробивное напряжение). Практически идеальным диэлектриком является воздух, у которого , , . Изоляция в кабелях связи чаще всего комбинированная и содержит диэлектрик и воздух. Диэлектрик фиксирует взаимное расположение проводников вдоль линии. Для изоляции применяется такие диэлектрики: полиэтилен, полистирол (стирофлекс), фторопласт, в коаксиальных кабелях – специальная керамика. В низкочастотных кабелях используется также кабельная бумага. В кабелях связи используется такие виды изоляции: трубчатая, кордельная (кордельно-бумажная и кордельно-стирофлексная), сплошная и пористая, баллонная, шайбовая (рис. 3.4).

Рис. 3.2. Конструкции кабельных проводников: а) сплошной; б) гибкий; в) биметаллический

Рис. 3.3. Конструкции внешних проводников коаксиальных кабелей:

а) с продольным швом типа «молния»; б) гофрированный; в) ленточный; г) оплётка

Рис. 3.4. Типы изоляций кабелей связи

         Защитные оболочки герметизируют кабель, выполняются из полиэтилена, поливинилхлорида, свинца, алюминия, стали.

         Броневые покровы накладываются поверх оболочек и предохраняют кабель от возможных повреждений.

         Существуют две разновидности брони:

• стальные ленты, намотанные на сердечник кабеля с перекрытием 1,5;
• повив из круглых стальных проволок.

         Применение того или иного вида брони или её отсутствие определяется условиями прокладки кабеля.

         Типы скруток и строение сердечника кабеля. Жилы в кабеле обычно скручиваются в элементарные группы. При скрутке создаются одинаковые условия для всех пар в кабеле относительно внешних и внутренних влияний, обеспечивается гибкость кабеля, что необходимо при его прокладке. Наиболее распространённые типы скруток:

• парная;
• звёздная (четвёрочная);
• двойная звёздная.

         Жилы кабеля скручиваются с определённым шагом в элементарной группе, группы уже с другим шагом скручиваются между собой.

         Скрученные в группы изолированные жилы образуют сердечник кабеля. Существуют две основные системы построения сердечника:

• пучковая (проводники образуют пучки, а пучки – сердечник кабеля)
• повивная (проводники располагаются в сердечнике повивами вокруг центрального проводника или кордом)

         Скрутка однородная, если все группы одинаковая и неоднородная, если сердечник имеет различные группы, а также разные направляющие системы (коаксиальные и симметричные пары).

         Кабельная скрутка обматывается поясной изоляцией из кабельной бумажной ленты, поверх которой наносятся защитные и броневые покровы. Общий вид кабеля приведен на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Общий вид кабеля с защитным покровом

         Маркировка кабелей – это определенная система условных обозначений, которые отражают основные классификационные признаки и конструктивные особенности кабелей.

 Маркировка СК имеет вид:

1 2 3 4 5 6 – n x m x d,

где на позициях 1-3 обозначается тип кабеля, позиция 4 отображает тип изоляции токоведущих жил, 5 – тип защитной оболочки, 6 – тип брони, n – количество элементарных групп, m —  количество жил в группе, d – диаметр проводника в группе.

Кабели маркируются следующим образом:

  МК – высокочастотный кабель;

  ЗК – зоновый  ВЧ кабель;

  КС – высокочастотный кабель сельской связи;

  ТЗ – телефонный звёздной скрутки;

  Т – телефонный.

Маркировка изоляции:

  С – стирофлексная кордельная;

  П – полиэтиленовая;

  В – поливинилхлоридная;

  А – алюминиевая;

  С – стальная;

  Бумажная ленточная и бумажная изоляция в маркировке кабеля кордельная  не обозначается.

Маркировка защитных оболочек и покровов:

  П – полиэтиленовая;

  В – поливинилхлоридная;

  А – алюминиевая;

  С – стальная.

Свинцовая оболочка в маркировке не обозначается.

Маркировка броневых покровов:

  Г – голый  без брони;

  Б – броня из плоских стальных лент;

  К – броня из круглых проволок.

Алюминиевые и стальные оболочки для предотвращения от действия коррозии покрываются полиэтиленовыми или полихлорвиниловым шлангом, обозначается как или . Поверх брони обычно накладывается защитный джутовый покров, который в маркировке не обозначается. Если кабель имеет экран, то это обозначается буквой «Э».

Пример: симметричный кабель МКСАШ_П –

В коаксиальных кабелях обозначается:

• тип кабеля;
• тип защитной оболочки;
• тип брони;
• количество коаксиальных пар.

Типы коаксиальных кабелей:

• КМ – коаксиальный магистральный;
• МКТ – малогабаритный коаксиальный, телефонно – телевизионный;
• ВК – однокоаксиальный.

Пример: КМГ – 4; МКТСБ – 4

3.2. Оптические кабели

Направляющей системой оптического кабеля (ОК) является волоконный световод (ВС). Требования к ОК обусловлены условиями его прокладки и эксплуатации. Конструкция ОК должна обеспечивать его прочность в процессе прокладки, монтажа и эксплуатации, предохранять ВС от растягивающих продольных усилий, возникающих при прокладке кабеля.

         Конструктивные элементы ОК:

• модуль волоконно–оптический (МВО);
• силовые и армирующие элементы;
• заполняющие элементы;
• защитные покровы;
• броневые покровы;
• жилы дистанционного питания.

МВО – это полиэтиленовая трубка, в которой свободно уложены 1, 2 или 4 волоконных световода (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Модуль волоконно – оптический

Базовыми конструкциями ОК являются конструкции (рис. 3.7):

• с повивной скруткой;
• ленточные.

Рис. 3.7. Базовые конструкции оптических кабелей

В кабеле с повивной скруткой в центре находится центральный силовой элемент, предохраняющий кабель от продольного растяжения в процессе прокладки, он выполняется из стеклопластика или в виде стального тросика. Вокруг ЦСЭ располагается повив из шести МВО. В ОК с небольшим числом ОВ часть модулей может быть заменена полимерными заполнителями (корделями).

Расположение остальных элементов такое же, как  и в электрических кабелях. В ОК не используются свинцовые оболочки, чаще всего применяются тонкие стальные или алюминиевые гофрированные оболочки с защитными полимерными покрытиями. Броня в ОК может быть выполнена из стеклостержней  (обозначается «С») или в виде оплётки (обозначается «О»). Большинство современных ОК не имеют жил дистанционного питания. Всё свободное пространство в  ОК для его герметизации заполняется гидрофобным заполнителем.

Пример маркировки оптических кабелей

маркоразмер
марка
тип
вид
ОКЛБг–Н–3–ДА13–3 4Е–0,40Ф3,5/0,30Н19–12/0
1	2	3	4	5	6	7	8	9
номер позиции

1.     Вид кабеля – Оптический Кабель – ОК

2.     Область использования – Линейный (для магистральных, Зоновых и городских сетей связи) – Л

3.     Тип брони – Бг (гофрированная стальная лента, наложенная продольно)

4.     Шланг выполнен из материала Нераспространяющего горение – Н

5.     Номер разработки – 3

6.     Тип силовых элементов и защитных покровов. Силовые элементы – центральный силовой элемент (ЦСЭ) – Диэлектрический (стеклопластиковый) стержень и высокомодульные Арамидные нити –ДА. Тип защиты покровов – 13 (оболочка и шланг из пластмасс, нераспространяющих горение, броня – сталь)

7.     Структура построения сердечника оптического кабеля (ОК). [Количество оптических модулей (ОМ) в ОК] х [Количество оптических волокон (ОВ) в ОМ] – 3х4. Тип оптического волокна – одномодовое, соответствующее рекомендации G.652 ITU–Т   –  Е

8.     Оптические характеристики ОВ. [Максимальный индивидуальный коэффициент затухания (МИКЗ) на длине волны 1310 нм (ф) – 0,40 дБ/км и коэффициент хроматической дисперсии на этой длине волны – 3,5 пс/(нм•км)] / [МИКЗ на длине волны 1550 нм (н) – 0,30 дБ/км и коэффициент хроматической дисперсии на этой длине волны – 19 пс/(нм•км)]

9.     [Общее количество ОВ в кабеле – 12 (двенадцать)] / [количество жил дистанционного питания (ДП) в кабеле – 0 (ноль)]

Пример приведен для случая использования в кабеле одномодового оптического волокна. В случае использования в кабеле с аналогичной конструкцией многомодовых оптических волокон позиции номер семь и восемь условного обозначения кабеля изменять свой вид.

Например, если в кабеле используется многомодовое  ОВ (G.651   ITU–T), работающее на длине волны 850 нм и имеющее, например: МИКЗ–3,0 дБ/км и ширину полосы пропускания не менее 500 МГц•км, то условное обозначение кабеля примет вид:

                      ОКЛБг–Н–3–ДА13–3 4М–3,ОВ500–12/0

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Дайте определение кабеля связи.

2. По каким признакам классифицируются кабели связи:

3. Назовите конструктивные элементы кабелей связи.

4. Какие требования предъявляются к проводникам и изоляции токоведущих жил?

5. Какие требования предъявляются к кабелям связи?

6. Какое назначение броневых покровов и защитных оболочек?

7. Какие кабели применяются для магистральной, зоновой и местной связи?

8. Объясните особенности конструкции оптических кабелей.

9. Объясните маркировку оптических кабелей.

Письменные задания

1. Приведите эскизы проводников симметричных и коаксиальных кабелей.

2. Приведите эскизы защитных и броневых покровов.

3. Приведите эскизы коаксиальных пар с разными типами изоляции.

4. Приведите поперечные сечения различных скруток СК: парной, звёздной, двойной парной, двойной звёздной. Объясните необходимость скрутки проводников в кабеле.

5. Приведите эскизы поперечных сечений кабелей: – 7 x 4 x 1.2; МКТБ – 4, ЗКП – 4 x 1.2, ТЗПП – 4 x 1.2, . Укажите  все конструктивные элементы, область применения, способ прокладки.

6. Приведите эскиз поперечного сечения оптических кабелей ОКЛБ –

7. Обоснуйте выбор кабеля для линии связи Киев – Львов для передачи 10000 КТЧ.

8. Обоснуйте выбор кабеля соединительной линии ГТС для передачи 100 КТЧ.

9. Обоснуйте выбор типа кабеля для распределительной сети ГТС

10. Сколько пар в кабеле ТПП повивной скрутки, если в центральном повиве 4 пары всего повивов 12.

4. Электродинамика направляющих систем

4.1. Общие положения

Строгое решение задачи распространения электромагнитной энергии по направляющим системам, образующим разнообразные кабели связи требует применения средств электродинамики и решения уравнений Максвелла. Методы электродинамики позволяют решить все задачи передачи, излучения, поглощения в любой направляющей системе и в любом частотном диапазоне. НС имеет достаточно сложную структуру, поэтому их при анализе вводится ряд допущений и процесс распространения энергии разбивается на независимые процессы:

• передачу;
• излучение;
• поглощение.

Каждый из этих процессов определяет те или иные свойства НС. При анализе НС параметры среды усредняются по объему, среда обладает следующими свойствами:

• изотропностью, т.е
• линейностью, т.е. ;
• однородностью, т.е. параметры среды не зависят от координаты.

При анализе НС анализируются гармонические колебания, т.к. сигнал любой формы может быть представлен суперпозицией гармонических составляющих в виде ряда Фурье.

Уравнения Максвелла (первое и второе) обобщают основные законы электродинамики: закон полного тока и электромагнитной индукции. Уравнения записываются в интегральной (4.1) и дифференциальной форме (4.2).

; (4.1) ; ; (4.2) . Для гармонических колебаний справедливо (4.3)

Обозначим , где — комплексная диэлектрическая проницаемость, соотношение мнимой и действительной частей которой определяет свойства среды:

— проводник;

— диэлектрик.

Кроме уравнений (4.1) и (4.2) используются уравнения (4.3) и (4.4).

; (4.4)

Уравнения (4.4) означают, что электрическое поле имеет заряды, а магнитные заряды не существуют. Силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на зарядах, от зарядов они расходятся (или сходятся) в окружающее пространство. Силовые линии магнитного поля всегда направлены по нормали к металлическим поверхностям, линии магнитного поля параллельны к проводящим поверхностям. В соответствии с (4.2) изменяющееся во времени магнитное поле порождает переменное электрическое поле и наоборот. Процесс распространения электромагнитного поля поясняется на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Распространение электромагнитного поля

4.2. Энергетические соотношения для электромагнитного поля

Рассмотрим баланс энергии электромагнитного поля. Запас энергии в объеме определяется суммой электрической и магнитной энергии:

(4.5)

где первое слагаемое – энергия электрического поля, а второе – магнитного. Это выражение аналогично известной формуле для колебательного контура:

Используя выражение Максвелла можно получить выражение:

(4.6)

где ds – элемент поверхности, ограничивающий объем V.

Это выражение известно как теорема Умова-Пойтинга. Левая часть выражения характеризует расход электромагнитной энергии в единицу времени. Первое слагаемое правой части представляет поток энергии в единицу времени через замкнутую поверхность S объема V в окружающее пространство. Энергия, распространяющаяся в единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению потока энергии, определяется величиной называется вектором Пойнтинга. Второе слогаемое определяет энергию внутри объема, которая преобразовалась в тепло.

Изменение запаса энергии, находящейся в некотором объеме V, происходит за счет расхода энергии внутри объема и распространения ее за пределы этого объема. Теорема Умова-Пойнтинга устанавливает связь между напряженностями полей Е и Н на поверхности какого-либо объема с потоком энергии, входящей в объем или выходящей из него. Зная величины Е и Н на поверхности НС можно определить поглощаемую и распространяющуюся электромагнитную энергию.

Рассмотрим одиночный проводник в полярной системе координат. Составляющие электромагнитного поля на его поверхности формируют вектор Пойнтинга, который можно разложить на составляющие, определяющие распространение энергии вдоль линии и в направлении перпендикулярном к проводнику (излучение, тепловые потери).

а) б) в)

Рис. 4.2 – Составляющие вектора Пойнтинга: а) распространение, б) излучение, в) поглощение.

Продольная составляющая П_r определяет распространение энергии вдоль линии. Радиальная составляющая определяет излучение энергии в свободное пространство, в СК и КК она обуславливает взаимные влияния. Эта же составляющая, направленная внутрь проводника определяет тепловые потери.

Приведенный анализ позволяет сделать важный вывод: в НС энергия распространяется в пространстве ограниченном проводниками, проводники только направляют энергию в нужном направлении. Если к проводникам линии подключить генератор, то между проводниками возникнет переменное электромагнитное поле. Это поле, окружая проводники, движется вдоль них со скоростью, близкой к скорости света. Одновременно по линии протекает ток. Напряженность электрического поля Е соответствует напряжению U, а напряженность магнитного поля – току І.

Рис. 4.3 – Токи протекающие (I_пр) и токи смещения (I_см): а) в кабеле; б) в конденцаторе; в) в атмосфере; г) в волноводе.

Непрерывность тока, протекающего по линии обеспечиваются протеканием тока проводимости в проводниках и тока смещения в диэлектрике (как это происходит в конденсаторе). В различных НС и в различных частных диапазонах преобладают или токи смещение или токи проводимости.

Вопросы и задания для самоконтроля

1.    Какие процессы возникают при распространении электромагнитной энергии?

2.     Какие допущения принимаются при анализе НС?

3.     Объясните смысл первого и второго уравнений Максвелла.

4.     Объясните смысл третьего и четвертого уравнений Максвелла.

5.     Что такое ток смещения? Приведите примеры возникновения тока смещения.

6.     Объясните процесс распространения электромагнитной энергии.

7.     Объясните смысл уравнения 4.4.

8.     Объясните смысл уравнения 4.5.

9.     Дайте определение вектора Пойтинга, объясните физический смысл его составляющих.

10.           Какое назначение проводников в направляющей системе?

Письменные задания

1.     Определить, при какой частоте грунт с удельным сопротивлением r=100 Ом×м/мм² приобретет свойства проводника, e_r=2,5.

2.     Определить, при какой частоте медный проводник с удельным сопротивлением r=0,0175 Ом•мм²/м приобретет свойства диэлектрика.

3.     Получить выражения для радиальной и продольной составляющих вектора Пойнтинга.

4.     Доказать, что тангенциальной составляющей вектора Пойнтинга не существует.

5.     Цепь содержит источник и последовательную RC -цепь. Обозначьте на схеме такой цепи токи проводимости и токи смещения.

6.     Изобразите процесс распространения электромагнитного поля в свободном пространстве, укажите место тока смещения.

7.     Укажите путь токов проводимости и смещения в волноводе.

8.     Какие составляющие вектора Пойнтинга преобладают в кабеле, в антенне?

9.     Объясните, какой ток (проводимости или смещения) преобладает в проводной НС, в волноводе.

10.   Какой ток (проводимости или смещения) существует в ВС?

4.3. Режимы передачи по направляющим системам

В зависимости от используемых длин волн и среды распространения электромагнитной энергии выделяется пять различных режимов передачи.

Статический режим относится к процессам электростатики и магнитостатики, характеризуется отсутствием временной зависимости поля. Уравнения Максвелла имеют вид:

На основе уравнений электростатики определяется емкость проводников по формуле :

С=Q/U.

Стационарный режим относится к случаю передачи по проводникам постоянного тока І=s×Е, который создает магнитное поле, электрическое поле при этом не индукцируется и уравнения Максвелла имеют вид:

Магнитное поле имеет вихревой характер, а электрическое – безвихревой (потенциальный). В этом режиме определяется индуктивность цепи L=Ф/І, где Ф — магнитный поток, пронизывающий цепь. Для анализа процессов применяются законы Ома, Кирхгофа.

Квазистационарный режим охватывает диапазон до 10¹⁰ Гц, в этом режиме индуцируется вихревое электрическое поле, вызванное изменением электрического поля. Уравнения Максвелла имеют вид:

В этом режиме l>>D, где D – обобщенный поперечный размер НС, l — длина волны, токи смещения еще незначительны. Для анализа процесов используются законы Ома, Кирхгофа, телеграфное уравнение, волновое уравнение.

Электродинамический режим относится к области высоких частот и коротких волн (l £ D, F » 10¹⁰¸10¹² Гц). При анализе решают волновые уравнения. Уравнения Максвелла имеют вид:

Т.е. в этом режиме токами смещения пренебрегать нельзя.

Волновой и квазиоптический режимы характерны для процессов в диэлектрике, когда доминирующими являются токи смещения, а токи проводимости незначительны. В этом случае , , и Гц. При анализе процессов используются законы оптики (Гюйгенса, Френеля) и решаются волновые уравнения.

Приведенная классификация режимов характеризует универсальность уравнений Максвелла, единство законов электродинамики.

4.4. Классы и типы волн в НСС

Характер распространения электромагнитных волн в НС определяется структурой поля в ней. Эта структура определяет возможность того или иного спектра частот, что и обуславливает свойства направляющей системы. Распространяющиеся в НС волны делятся на классы и типы. Класс волны определяет наличие продольных составляющих поля ( и ). В общем случае структура поля имеет по три составляющих электрического и магнитного полей. В конкретных системах некоторые из этих составляющих обращаются в нуль. Существуют следующие классы волн:

Т – поперечно-электромагнитная ТЕМ-волна ( );

Е – электрическая или поперечно-магнитная ТМ-волна ( );

Н – магнитная или поперечно-электрическая ТЕ-волна ( );

ЕН и НЕ – смешанные гибридные волны ( ).

Рис. 4.4 – Типы волн в направляющих системах

ТЕМ-волны содержат толко поперечные составляющие поля, т.е. силовые линии поля целиком лежат в поперечных плоскостях и в точности повторяют картину силовых линий статического и стационарного режимов. Эта волна существует лишь в линиях, содержащих два изолированных проводника, находящихся под разными потенциалами. Эта волна является основной в проводных НС, характеризуется токами проводимости и практически нулевыми токами смещения.

Волны Е и Н кроме поперечных составляющих содержат по одной продольной составляющей поля. Силовые линии этих волн располагаются как в поперечном, так и в продольном сечениях НС. Эти волны возбуждаются в однопроводных линиях (волноводах). По поперечному сечению НС должно уложиться целое число полуволн (не менее одной).

Гибридные волны содержат шесть компонент поля, в том числе и продольные составляющие и . Такие волны возбуждаются в световодах и диэлектрических волноводах.

Классы волн делятся также по типам. Модам тип волны или мода определяется сложностью структуры поля в поперечном сечении НС, т.е. числом максимумов и минимумов поля в этом сечении.

Мода – это самосогласованное распределение поля, которое сохраняется при распространении волны вдоль НС, не содержащей неоднородностей. Число распространяющихся мод в НС бесконечно, эти волны отличаются наличием тех или иных составляющих поля, а, следовательно, и его структурой. Различают основной тип волны и волны высших типов. Основная мода имеет простейшую структуру. В двухпроводных НС основной является ТЕМ-волна. Типы волн обозначаются двумя числовыми индексами n и m, которые означают число полных изменений (вариаций) поля по поперечным координатам.

Вопросы и задания для самоконтроля

1.     Назовите режимы передачи по НС.

2.     Охарактеризуйте каждый режим передачи.

3.     В каком режиме передачи используются симметричный кабель, коаксиальный кабель, световод?

4.     Чем определяется наличие тока смещения в НС?

5.     Дайте определение класса волны.

6.     Охарактеризуйте классы электромагнитных волн.

7.     Дайте определение типа волны (моды).

8.     Дайте определение основного типа волны.

9.     Чем определяется длина волны основной моды в волноводе?

10.           Какие классы волн распространяются в волноводах и световодах?

Письменные задания

1.     Заполните приведенную ниже таблицу

Режим передачи	Левая часть уравнения Максвелла	Правая часть			Частота, Гц; соот-ношение D и l	Тип волны	НС для режима
		Металл	Диэлектрик
Статичес-кий
Стационар-ный
Квазиста-ционарный
Электроди-намический
Волновой и квази-оптический

  2. Изобразите структуру ТЕМ-волны в:

X To top