Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 4. Лінії зв’язку   /  Тема 4.3. Основні властивості кабельних ліній зв’язку

Зміст:

4.3.1. Основні властивості кабельних ліній зв’язку

Кабельні лінії зв’язку за конструктивними ознаками поділяються на такі: симетричні лінії (СЛ), коаксіальні пари (КП), хвилеводи (ХВ), лінії поверхневої хвилі (ЛПХ), діелектричні хвилеводи (ДХ), до яких належать також волоконно світловоди (ВС), полоскові лінії (ПЛ). Конструкції цих ліній наведено в табл. 4.3.1.

Конструкція лінії
Стислий опис конструкції лінії
Тип линії
Галузь застосування
Симетричні лінії:
     
Симетрична структура з двох провідників λ >> a

Абонентський кабель, стрічковий кабель
Абонентська проводка, кабель для поєднання блоків апаратури
Симетрична структура з двох провідників, вкритих ізолятором
λ >> a
Симетрична пара (СП)
Зоновий зв'язок, міська телефонна мережа
Симетрична структура з двох провідників, вкритих ізолятором та скручених між собою
Вита пара (ВП)
Локальні мережі
 
Співвісна структура: провідник у провідній трубі
λ >> D
Коаксіальна пара (КП)
Зоновий зв'язок, з'єднувальні лінії, мережі кабельного телебачення
Прямокутна або кругла трубка з провідного матеріалу
2a > λ
Хвилевід (ХВ)
Антенно-фідерні тракти
Плоский провідник над плоским екраном
λ >> d
Полоскова лінія (ПЛ)
Стрічковий кабель для з'єднання блоків апаратури
Провідник, вкритий шаром діелектрика
λ >> D
Лінія поверхневої хвилі (ЛПХ)
Антенна техніка

 

Симетрична пара є основою симетричного кабелю, а коаксіальна — коаксіального. Ці кабелі застосовуються на мережах електрозв’язку всіх ступенів ієрархії. Волоконний світловод є основою оптичних кабелів, які використовуються з високошвидкісними цифровими системами передачі. Полоскові лінії застосовуються в стрічкових кабелях, що мають велику кількість ізольованих один від одного провідників, розміщених в одній площині. Ці кабелі застосовуються на невеликих відстанях, головним чином для з’єднання окремих блоків апаратури. Лінії поверхневої хвилі застосовуються в антенній техніці.

Бурхливе зростання обсягів інформації, яка передається лініями зв’язку, викликало потребу в опануванні більш високочастотних діапазонів електромагнітних хвиль, а це, у свою чергу, викликало появу та розробку нових конструкцій ліній зв’язку — хвилеводів та світловодів. Хвилеводи призначені для використання на частотах від 1010 до 1011 Гц, а світловоди — для роботи в інфрачервоному діапазоні (≈ 1014 Гц). Хвилеводи не набули значного поширення для організації зв’язку на великі відстані, вони застосовуються здебільшого для антенних фідерів, що пов’язують антени з апаратурою радіорелейних ліній, ліній супутникового зв’язку тощо. Чим вищий діапазон частот, що передається лінією зв’язку, тим більшу кількість каналів можна створити, тим ефективнішою буде лінія зв’язку.

Необхідність передачі різних видів інформації потребує класифікації ліній зв’язку за частотним діапазоном їх використання. На рис. 4.3.1 наведено частотні діапазони, що використовуються в лініях зв’язку.

Рис. 4.3.1. ПЛЗ — повітряна лінія зв’язку; СК — симетричний кабель; КК, РЧК — коаксіальний, радіочастотний кабель; ХВ — хвилевід; ВС — волоконний світловід

Точне розв’язання задачі поширення електромагнітної енергії проводовими лініями зв’язку потребує використання методів електродинаміки та розв’язання рівнянь Максвелла, які дозволяють розв’язати задачі поширення електромагнітних хвиль у будь-якому середовищі і частотному діапазоні. Часто середовище поширення хвиль вважається ізотропним, однорідним і лінійним. Сигнали вважаються гармонічними, оскільки сигнал будь-якої форми може бути представлений суперпозицією гармонійних складових у вигляді ряду Фур’є.

Під час передачі сигналів лінією зв’язку протікає змінний, з частотою f електричний струм. Навколо лінії з електричним струмом виникає змінне магнітне поле.

Магнітне поле, що змінюється в просторі, породжує змінне в часі електричне поле та навпаки. Процес поширення електромагнітного поля пояснюється рис. 4.3.2.

Рис. 4.3.2. Поширення електромагнітного поля: Е та Н — вектори змінного електричного та магнітного полів

Струм, що протікає провідниками, називається струмом провідності. У прилеглому діелектрику виникає змінне електромагнітне поле, яке називається струмом зміщення. Діелектрична проникність є комплексною величиною. Позначимо , де — комплексна діелектрична проникність. Співвідношення уявної та дійсної частин діелектричної провідності визначає властивості середовища:

(4.3.1)

де ω = 2Πf, f — частота струму.

Передача сигналів проводовою лінією відбувається таким чином: до провідників лінії підключається генератор (рис. 4.3.3), у замкнутому колі через навантаження Rн протікає струм I, таким чином утворюється двопроводова лінія, у провідниках якої напрямки струму протилежні. Між цими провідниками виникає змінне електромагнітне поле Е. Це поле, оточуючи провідники, рухається вздовж них зі швидкістю, близької до швидкості світла. Напруженість електричного поля Е відповідає напрузі U, а напруженість магнітного поля Н — струму І (рис. 4.3.3).

Рис. 4.3.3. Електромагнітне поле сигналу навколо двопроводової лінії

Безперервність змінного струму, що протікає лінією, забезпечується протіканням струму провідності Iпр в провідниках і струму зсуву Iзм в діелектрику (як це відбувається, наприклад, у конденсаторі) — рис. 4.3.4.

Рис. 4.3.4. Ілюстрація безперервності змінних струмів провідності Iп та зсуву Iзс: а — у колі з конденсатором С; б — у вільному просторі; в — у хвилеводі

Класи й типи хвиль у проводових лініях зв’язку. Залежно від частоти f = c/λ (с — швидкість світла у вільному просторі) і конструкції лінії електромагнітне поле в ній має відповідну структуру. Хвилі поділяються на класи й типи. Поле в лінії будь-якої конструкції в загальному випадку має по три складових електричних і магнітних полів (рис. 4.3.5). У конкретних конструкціях деякі з цих складових обертаються на нуль. Складові поля різних класів хвиль наведено на рис. 4.3.5. Клас хвилі визначає наявність поздовжньої в напрямку поширення складової вектора електричного (Ez) або магнітного (Hz) поля.

Рис. 4.3.5. Типи хвиль у проводових лініях зв’язку:
аТ — поперечна електромагнітна ТЕМ-хвиля (Ez = 0; Hz = 0); бЕ — електрична або поперечна магнітна хвиля (Ez ≠ 0; Hz = 0); вН — магнітна або поперечна електрична хвиля (Ez = 0; Hz ≠ 0); гЕН та НЕ — змішані або гібридні хвилі (Ez ≠ 0; Hz ≠ 0)

ТЕМ-хвилі мають тільки поперечні складові електричного поля Е, тобто силові лінії поля повністю знаходяться у поперечних площинах і повторюють картину силових ліній електричного поля постійних зарядів і магнітного поля постійного струму. Ця хвиля існує лише в лініях, що містять два ізольованих провідники, які перебувають під різними потенціалами, вона є основною в проводових лініях, характеризується струмами провідності й практично нульовими струмами зсуву.

Хвилі Е і Н, окрім поперечних складових, містять по одній поздовжній складовій електричного поля. Силові лінії цих полів розташовуються як у поперечному, так і в поздовжніх перерізах лінії. Ці хвилі збурюються в однопроводових лініях (хвилеводах). На поперечному перерізі лінії має укластися ціла кількість напівхвиль (не менш однієї).

Гібридні хвилі містять шість компонентів поля, у тому числі й поздовжні складові електричного Ez та магнітного Hz полів. Такі хвилі збурюються у світловодах.

Класи хвиль розрізняються також за типами або модами.

Мода характеризується розподілом поля у поперечному перерізі лінії. Цей розподіл зберігається під час поширення хвилі вздовж проводової ЛЗ, яка не містить неоднорідностей. Кількість мод, що поширюються лінією, нескінченна, вони різняться структурою поля. Розрізняють основний тип хвилі й хвилі вищих типів. Типи хвиль позначаються двома числовими індексами n за координатою х і m за координатою у. Вони означають кількість повних змін (варіацій) поля за цими координатами. Основна мода має найпростішу структуру. У двопроводових лініях основною є ТЕМ-хвиля. У прямокутних хвилеводах основною є хвиля Н10, вона має найменше загасання. Умова поширення цієї хвилі є такою: a ≤ λ ≤ 2a, де а — розмір широкої стінки хвилеводу (див. рис. 4.3.5). На практиці намагаються використати лише основну хвилю, оскільки за наявності двох і більше мод за рахунок різних фазових швидкостей їх поширення виникають спотворення форми сигналів при їх прийомі.