ПЕРВИЧНЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Содержание:

1. Первичные параметры цепей воздушных линий;

2. Первичные параметры цепей симметричных кабелей;

3. Волновые параметры симметричных цепей воздушных и кабельных линий;

4. Первичные параметры витой пары структурированных кабелей;

5. Вторичные параметры кабелей витой пары структурированных кабелей

Первичные параметры цепей воздушных линий

Воздушные линии - это двухпроводные цепи. При определении первичных парамет­ров цепи считаются уединенными. Первичные параметры относятся к 1 км длины. Так сопротивление постоянному току исходя из определения R₀ = , ρ₀ - удельное сопротивление, l - длина линии в км, S - сечение в мм².

Тогда для 1 км двухпроводной цепи

R₀=2550 , (3.1)

d - диаметр провода в мм.

Сопротивление зависит от температуры для металлических проводников в форме:

R'₀=R₀[1 + α'(t⁰-20⁰)], (3.2)

R₀ - сопротивление при 20º С.

Приведем значения сопротивления двухпроводной цепи постоянному току [Ом/км] при диаметре d=4 мм для:

обыкновенной стали - 22 Ом/км,

медистой стали - 23,3 Ом/км,

меди мягкой - 2,8 Ом/км,

меди твердой - 2,84 Ом/км,

алюминий - 4,66 Ом/км,

биметалл (сталь-медь) - 4 Ом/км,

Сопротивление линии с учетом эффекта близости вычисляется по формуле

, (3.3)

функция F(x) - табулируется или представляется в виде графиков, x = |ka|= |k| , .

Индуктивность двупроводной цепи с однородными круглыми проводами [28]

, Гн/км (3.4)

а - расстояние между проводами, d - диаметр провода, Q(x) - функция, учитывающая по­верхностный эффект, график её дан в [1], x = |k|d . Первое слагаемое - это внешняя индук­тивность, второе - внутренняя.

Емкость двухпроводной цепи рассчитывается по формуле

, Ф/км (3.5)

ε _r - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Коэффициент 1,05 - вводится для воздушной цепи и учитывает присутствие изолято­ров. Как видно емкость не зависит от частоты.

Проводимость изоляции между проводами воздушной цепи определяется многими факторами. Поэтому ее определяют по эмпирической формуле:

G = G₀+kf, См/км (3.6)

G₀ - проводимость постоянному току, k - некоторый коэффициент учитывающий со­стояние изоляции, ƒ - частота переменного тока, Гц.

G₀ ≈ 0,01·10^-6 См/км, k ≈ 0,05·10^-9 - при сухой погоде

G₀ ≈ 0,05·10^-6См/км, k ≈ 0,25·10^-9 - при сырой погоде.

Первичные параметры цепей симметричных кабелей

Кабели отличаются от воздушных линий тем, что расстояние между жилами соизме­римо с диаметрами жил и с расстояниями до соседних пар. Поэтому здесь большую роль иг­рает эффект близости. Кроме того весь пучок жил скручивают, вследствие чего длина жил превышает длину кабелей.

Сопротивление кабельной пары постоянному току рассчитывается по тем же форму­лам, что и для воздушной линии, но с учетом удлинения при скрутке, т.е.

, Ом/км (3.7)

χ меняется в зависимости от диаметра повива D. Если D=30÷80 мм, то χ=[1,01÷1,07]. Сопротивление кабельной пары переменному току

, Ом/км (3.8)

Здесь G(x) и Н(х) определяются по графикам и учитывают близость проводов. Параметр Р тип скрутки:

Р=1 при парной скрутке (рисунок 3.1)

Рисунок 3.1 – Парная скрутка

Р=2 при двойной парной скрутке (рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 – Двойная парная скрутка

Р=5 при звездной скрутке (рисунок 3.3)

Рисунок 3.3 – Звездная скрутка

ΔR - дополнительное сопротивление, возникающее из-за вихревых токов и учитыва­ется при ƒ>30 кГц, в соответствии, например, с таблицей [1].

Приведем зависимость активного сопротивления от частоты (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Зависимость активного сопротивления от частоты

Индуктивность кабельной пары:

, Гн/км (3.9)

χ - коэффициент укрутки. Т.е. это такая же формула, что и для воздушной линии. При диа­метре повива D=30÷80 мм, то χ=[1,01÷1,07]. Покажем зависимость L от частоты (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 – Зависимость индуктивности от частоты

Емкость кабельной цепи с учетом влияния соседних жил:

Ф/км (3.10)

Здесь χ– коэффициент укрутки, _ψ - коэффициент учитывающий увеличение емкости за счет сближения жил [1]. ε_р - результирующая диэлектрическая проницаемость для комби­нированных изоляций пар:

. (3.11)

ε_r1 - относительная диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков, ε_r2 - отно­сительная диэлектрическая проницаемость воздуха, V₁ - объем диэлектрика, V₂ - объем воз­духа. ψ -зависит от d1/d, d1 - диаметр изолированной жилы и d - диаметр голой жилы.

Проводимость изоляции в кабельных линиях во много раз меньше, чем у воздуха и она определяется как

G = ωСtgδ_р, См/км (3.12)

С - емкость цепи [Ф/км], tgδ_p - тангенс угла потерь комбинированной изоляции:

. (3.13)

Волновые параметры симметричных цепей воздушных и кабельных линий

Волновыми или вторичными параметрами линий, как известно, являются волновое сопротивление Z_в и коэффициент распространения γ. Выпишем явный вид этих параметров для двухпроводных цепей, входящих в кабельные и воздушные направляющие системы.

Пусть имеем двухпроводную линию из медных проводов (токоведущих жил). Тогда волновое сопротивление есть

, Ом (3.14)

где r₀ - радиус проводов, а - расстояние между проводами.

Коэффициент затухания линии из медных проводов

, дБ/км (3.15)

Коэффициент фазы

, C - скорость света. (3.16)

Групповая и фазовая скорости волн в линии

. (3.17)

В общем виде коэффициент затухания для двухпроводной линии с малыми потерями, можно написать

. (3.18)

Определим оптимальное соотношение между первичными параметрами, при котором α -минимальное. Для этого напишем уравнение

. (3.19)

Откуда оптимальное соотношение есть .

Однако в реальных цепях всегда , поэтому увеличивают индуктивность путем включения катушек индуктивности через определенные расстояния (способ пупинизации).

Первичные параметры витой пары структурированных кабелей

Витая пара является типичной цепью с распределенными параметрами. Её эквивалентная схема на рисунке 3.6

Рисунок 3.6 – Эквивалентная схема

Электрические свойства витой пары, как и любой другой направляющей системы электро­магнитных колебаний, полностью характеризуется ее первичными параметрами: омическим сопротивлением R, индуктивностью L, емкостью C и проводимостью изоляции G.

R и G обуславливают потери энергии соответственно в проводе, экране и изоляции. Параметры C и L определяют реактивность витой пары и следовательно ее частотные свой­ства.

Ёмкость. Величина емкости идеальной витой пары составляет

, нф/м, (3.20)

ε- относительная диэлектрическая проницаемость материала изоляции, D-расстояние между проводами пары, d- диаметр проводника.

По стандарту TIA/EIA - 568-А для кабелей категории 3 на длине 100м. емкость не должна превышать 6,6нф, а для кабелей категории 4-5,6нф. Применение экрана увеличивает емкость примерно на 30%.

Активное сопротивление. Активное сопротивление зависит от материала, его длины, сечения, температуры частоты и т.д.

Согласно требованиям стандарта TIA/EIA - 568-А при t^°=20^° С сопротивление посто­янному току любого проводника витой пары длиной 100м не должно превышать 9,38 Ом. Для компенсации влияния поверхностного эффекта на сопротивление диаметр проводников для разных частот выбирают разным. Так, например, типовым диаметром проводников кате­гории 5, работающих на частотах до 100 МГц является диаметр 0,51 ÷ 0,52мм, тогда как у 600-мегагерцевых кабелей диаметр проводника увеличивается примерно до 0,6мм.

Индуктивность. Индуктивность витой пары состоит из ряда составляющих

L = L₁+L₂+L₃ Гн/м (3.21)

где L₁- внешняя индуктивность, которая определяется геометрией провода, магнитными свойствами материала проводника. L₂ - внутренняя индуктивность. Эта составляющая уменьшается с увеличением частоты. L₃ - индуктивность оболочки (если пара экранирова­на). Эта составляющая имеет заметную частотную зависимость. Результирующая L имеет тенденцию уменьшения с частотой.

Проводимость изоляции. Этот параметр является мерой качества материала и процес­сов изготовления изоляционных покровов отдельных проводников. Результирующая прово­димость изоляции витой пары можно представить в виде двух составляющих:

G = G₀+G_f, См/м (3.22)

где G₀- учитывает утечки тока из-за несовершенства диэлектрика, G_f - затраты энергии на поляризацию диэлектрика.

Вторичные параметры кабелей витой пары структурированных кабелей

Волновое сопротивление. Под волновым сопротивлением или импедансом витой па­ры понимают сопротивление волновому процессу в линии. Оно определяется как

, Ом (3.23)

где Z_B - численно равно входному сопротивлению разомкнутой витой пары бесконечной длины.

В соответствии с действующими редакциями стандартов на частотах свыше 1МГц и до верхней граничной частоты конкретного кабеля с волновым сопротивлением 100 Ом оно не должно отличаться от номинального значения более чем на ±15%

Затухание. В кабельной технике различают собственное и рабочее затухание кабеля. Под собственным затуханием кабеля понимается его затухание при идеальных условиях. Оно определяется при условии идеального согласования как реальная часть коэффициента распространения

. (3.24)

В процессе реальной эксплуатации кабелей условие согласования нарушается и это приводит к увеличению затухания. Такое затухание называется рабочим.

Затухание связанное с излучением. При λ < a, где а- расстояние между проводами, эти потери резко возрастают. Для витой пары а=2мм, поэтому f = f_кр = 15ГГц.

Затухание с ростом частоты растет. Эта зависимость для витой пары по стандарту TIA/EIA - 568-А на длине 100м. при t°=20° может быть аппроксимирована выражением

, Дб (3.25)

A(f) - максимально допустимое затухание, f- частота в МГц, k₁, k₂, k₃ - коэффициенты зависящие от категории кабеля. Так, например, для кабеля 5 кате­гории имеем k₁ = 1,967, k₂=0,023, k₃=0,050.

Переходное затухание. Разность между уровнями передаваемого сигнала и создавае­мой им помехи на соседней паре называется переходным затуханием. В технике СКС пере­ходное затухание на ближнем конце обозначается как NEXT (Near End Crosstalk), на дальнем конце FEXT (Far End Crosstalk).

Стандарт TIA/EIA - 568-А нормирует минимальное значение переходного затухания на ближнем конце кабеля при длине 100м. Оно определяется следующим аппроксимирую­щим выражением для частот более 0,772МГц:

, дБ. (3.26)

Для кабелей категории 3,4,5 величина NEXT (0,772) принимается равной 43, 58, 64дБ.

В зависимости от приложения и метода использования кабеля нормирование величи­ны переходного затухания может быть выполнено по разному. Так в случае приложений имеющих приемник и передатчик одновременно, помеха может возрастать из-за собственно­го передатчика.

Защищенность. Под защищенностью понимают защищенность от переходных помех. Этот параметр обозначается как ACR (Attenuation to Crosstalk Radio). Этот параметр опреде­ляет величину превышения помехи полезным сигналом. Он определяется как

ACR=NEXT-A(f), дБ. (3.27)

Для примера, согласно стандарта TIA/EIA - 568-А для кабелей категории 3,4,5 при длине 100 минимально допустимое значение ACR есть 15, 34, 40 дБ. При частоте 10МГц. Относительная скорость распространения сигналов. (Параметр NVP) и задержка прохождения сигналов (параметр Delay). Параметр NVP (Nominal Velociti of Propagation) является ме­рой замедления скорости распространения электромагнитной волны вдоль витой пары. Он численно равен отношению фактической скорости к скорости света в вакууме и выражается в %.

В стандарте JSO/JEC -11801 параметр NVP определен в частности, в случае частоты 1МГц для кабелей 3, 4, 5 категорией как 0,4, 0,6, 0,65

Величина NVP для витой пары зависит от диаметра проводников, расстояния между ними, и типа диэлектрика. Для кабелей, применяемых в СКС определяющим является мате­риал изоляции.

Конечная скорость распространения электромагнитной волны по витой паре вызывает также задержку поступления сигналов на приемник после его подачи на вход линии. Вели­чина задержки (параметр delay) является критичной для некоторых приложений при высоко­скоростном информационном обмене. Согласно стандарту JSO/JEC -11801 параметр delay не должен превышать величину

, нс/100 , (3.28)

где f- частота в МГц.

Разброс задержек прохождения сигналов по витым парам (параметр Skew). В кабелях содержащих несколько витых пар, каждая из них будет характеризоваться индивидуальным временам прохождения сигнала от передатчика к приемнику. Максимальная разность задер­жек между всеми парами обозначается параметром skew:

Skew=max/t_i-t_j/, i, j = l, n (3.29)

где n- количество пар в тестируемом кабеле (часто n=2). t_k- момент прихода импульсов на дальний конец витых пар при условии одновременной подачи зондирующих сигналов на все пары.

Структурные и обычные возвратные потери. В реальных линиях всегда присутствуют неоднородности, которые приводят к отражениям. В результате в линии возникают два до­полнительных паразитных потока, ухудшающих согласование и вызывающих дополнитель­ное затухание и искажение. Это обратный поток, состоящий из отраженных волн и попутный поток, возникающий из-за двойного переотражения. Интенсивность обратного отражения характеризуется параметром SRL (Structural Return Lose), который определяется как отноше­ние мощности основного сигнала к мощности обратного потока энергии. Этот параметр нормируется разными стандартами для различных категорий кабелей. В частности на частоте 1-10МГц значение возвратных потерь для кабелей с волновым сопротивлением 100, 120 Ом, категорий 3, 4, 5 составляет соответственно величины 12, 21, 23 дБ.

Сопротивление связи. Сопротивление связи является мерой качества исполнения эк­рана экранированного кабеля. Этот параметр определяется как отношение напряжения U₂ наведенного током I₁ в экране, нормированного к единице длины кабеля

, мОм/м. (3.30)

Эта величина нормируется. Так, например, на частоте 10МГц обычные пленочные экраны имеют величину этого параметра примерно 30 мОм/м тогда как для комбинированных экранов R_k <25мОм/м.

Затухание несимметрии. Реальная витая пара всегда обладает большей или меньшей несимметрией отдельных своих проводников относительно земли и различным активным сопротивлением. Это сопровождается неполной компенсацией и приводит к возникновению излучения и к поведению электрического тока в витой паре под действием внешнего электромагнитного поля. Интегральной количественной мерой величины несимметрии является значение затухания несимметрии. Эта величина определяется на ближнем и дальнем конце. На ближнем конце параметр затухания несимметрии обозначается как

, дБ. (3.31)

где U₁, U₃, U₄ показаны на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 – Напряжения несимметрии

Аналогично для дальнего конца

, дБ. (3.32)

В соответствии со стандартом JSO/JEC -11801 величины затуханий несимметрии LCL и LCTL на частоте 1МГц для классов линии А, В, С, Д составляют 30, 20, 30, 40 дБ.

Дополнительные потери. (JLD Insertion Loss Deviation). Данная характеристика применяется для описания не отдельных компонентов, а смонтированных линий различных видов. Причиной возникновения данных потерь является эффект достаточно сильной вариации волнового сопротивления отдельных компонентов, последовательное соединение которых образует кабельный тракт на основе витой пары. Данные потери невелики и составляют на разных частотах и различных линиях от 1 до 2 дБ.

Шум от внешних источников электромагнитного излучения. Из-за неидеальности балансировки в витых парах могут возникнуть наводки от внешних электромагнитных полей. Такими полями могут быть излучения электродвигателей, силовых кабелей, стартеров флуоресцентных ламп, сотовые радиотелефоны, передатчики радиовещания и телевидения и т.д. В целом витые пары устойчивы к таким факторам и поэтому специальных нормативов на данные влияния не предусматривается.

Контрольные вопросы

1. Что такое первичные и вторичные параметры линий?

2. Как параметры линий зависят от частоты, геометрических и физических параметров линии?

3. Первичные и вторичные параметры структурированных кабелей.

Литература

1. Виноградов В.В., Кустышев С.Е., Прокофьев В.А. Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М.: Маршрут, 2002, 416с.

Дата добавления: 2014-10-17; просмотров: 1910; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!