Первинні параметри передачі.
Із шкільного курсу фізики відомо, що провід може бути охарактеризований електричним опором (R). Згідно закону Ома опір - це відношення різниці потенціалів на кінцях провідника до струму в ньому. Крім того, з закону Ампера випливає, що навколо провідника, по якому тече струм, є магнітне поле. А якщо є магнітне поле, то є і магнітний потік. Нагадаємо, що індуктивність - це відношення магнітного потоку до струму в проводі, тому в еквівалентну схему входить індуктивність (L). Таким чином, еквівалентною схемою провода є послідовно включені електричний опір та індуктивність. До речі, еквівалентною схемою ми називаємо схему, що складена з електротехнічних елементів, і є такою, що вимірювальний прилад, за допомогою якого вимірюється якийсь параметр, при вимірюванні схеми дає саме таке значення цього параметру, яке має реальний об’єкт, у нашому випадку лінія передачі. Опір та індуктивність описують тільки один провід, або два проводи, що розташовані дуже далеко один від одного, тобто проводи, що не зв’язані між собою.
Реально проводи лінії передачі розташовані досить близько, тому, якщо проводи в однієї системі зв’язку, тобто один є прямим провідником, а інший зворотним, то в якійсь момент часу один провід заряджений додатнім зарядом, а інший від’ємним, і між ними виникає різниця потенціалів. Нагадаємо, що ємність – це відношення заряду до різниці потенціалів, таким чином, в еквівалентну схему слід додати ємність (С) між двома паралельними гілками, що символізують провідники. На відміну від провідників. де є вільні електрони та діє струм провідності, в діелектрику немає вільних електронів, а є іони та зв'язані диполі. Під дією змінного електромагнітного поля в діелектрику відбувається зміщення диполів – їхня переорієнтація та поляризація. Змінна поляризація викликає появу струмів зміщення – ємнісних струмів та викликає втрати енергії на переорієнтацію диполів – втрати в діелектрику. Тобто. ємність С визначає величину струмів зміщення та здатність поляризації.
Крім того, внаслідок недосконалості діелектрика, що використовується як ізолятор, виникає невеликий струм провідності (утікання). Ця втрата характеризується опором ізоляції лінії (G), який треба включити в еквівалентну схему паралельно ємності.
Ці параметри еквівалентної схеми є первинними параметрами передачі: R – активний опір, L – індуктивність,C – ємність, G – провідність ізоляції. З цих параметрів лише R та G зумовлюють втрати енергії: перший – теплові втрати в провідниках та інших металевих частинах кабелю (екран, оболонка. броня); другий – втратив ізоляції.
Первинні параметри передачі характеризують структуру лінії, тобто її устрій, а саме: є повздовжня гілка, в якій знаходяться послідовно включені опір та індуктивність, та паралельна гілка, в якій знаходяться паралельно включені ємність та провідність ізоляції.
Вторинні параметри передачі.Крім первинних параметрів передачі, уводяться також вторинні параметри: v – швидкість розповсюдження хвилі, Zхв – хвильовий опір, α – коефіцієнт загасання, β – коефіцієнт фази. Вторинні параметри характеризують процес передачі, тобто показують, наприклад, як змінюються напруга та струм хвилі при проходженні нею одного кілометра лінії.
Пояснимо деякі з цих параметрів. Швидкість розповсюдження хвилі в лініях передачі менше, ніж у вільному просторі, за рахунок того, що всередині лінії передачі знаходиться діелектрик, електрична проникність якого більша, ніж проникність вільного простору. Нагадаємо, що швидкість електромагнітної хвилі у вільному просторі дорівнює швидкості світла – 300 000 км/с. Швидкість електромагнітної хвилі розраховується за формулою (1)
(1)
Хвильовий опір – це відношення напруги між провідниками до струму в них в тому випадку, коли хвиля розповсюджується в лінії без відбиття. Такий режим розповсюдження хвиль має назву режим біжучої хвилі. Хвильовий опір – величина комплексна. Модуль показує відношення амплітуд напруги та струму у режимі біжучої хвилі, а аргумент показує різницю фаз між напругою та струмом в режимі біжучої хвилі. Хвильовий опір електромагнітної хвилі розраховується за формулою (2):
Zхв = (2)
Амплітуда будь якого сигналу, що розповсюджується вздовж лінії, обов’язково зменшується завдяки тому, що завжди в лініях є втрати енергії. Енергія хвилі перетворюється на тепло, тобто втрачається на нагрівання проводів. Звичайно це нагрівання дуже невелике, і його не можна відчути, наприклад, торкаючись до провідника рукою. Нагрівання – це втрати енергії в металі, крім нагрівання метала є ще втрати в діелектрику ізоляції. Ці втрати ідуть на переорієнтацію диполів, з яких складається діелектрик. Ця переорієнтація відбувається під дією змінної напруги, що прикладена до проводів. Для характеристики втрат уводиться дуже важливий показник лінії передачі – коефіцієнт загасання α. Коефіцієнт загасанняα звичайно вимірюється в децибелах на кілометр за формулою (3)
α = 10 lg (P10 /P1l). (3)
В цій формулі P10 – потужність на початку лінії, а P1l – потужність в точці, що знаходиться на відстані l км від початку (рис.23).. Зрозуміло, що загасання має бути якомога меншим, щоб сигнал зберігав задану якість на якомога більшій довжині лінії.
Фазова стала, або коефіцієнт фази β, показує яка різниця фаз між точками лінії, що розташовані на відстані 1 км одна від одної. Якщо представити графічно, що по лінії передається напруга, що змінюється в часі синусоїдально, то якщо вважати, що в початку координат (точка, де Z = 0) фаза напруги має значення 0, то у точці, що розташована на відстані 1 км (Z = 1 км) фаза напруги приймає інше значення. Це значення і є значенням фазової сталої. Фазова стала визначається як (4)
(4)
Наведемо формули для первинних та вторинних параметрів передачі коаксіальних та симетричних кіл.
 |
Коаксіальні кола.
Позначення:
1. ra, rb, (d, D) – відповідно радіуси (та діаметри) внутрішнього та зовнішнього провідників,
2. f (ω) – (частота циклічна),
3. ε – відносна діелектрична проникність,
4. tg δ – тангенс кута втрат.
 |
Симетричні кола
Позначення
1. В формулі для опору R усі члени – табличні дані.
2. a та r – відповідно відстань між провідниками та їх радіус.
3. с – швидкість світла у вільному просторі.
Розмірності величин.
R –Ом/км; L –мГн/км; C – нФ/км; G – мкСм/км.
Z – Ом;α – дБ/км; β – рад/км; v – км/с.
Наведемо електричні параметри симетричного кабелю типу МКС та коаксіального типу КМ-4 (таблиці 1 та 2).
Таблиця 1 – Електричні параметри кабелю типу МКС (d = 1,2 мм)
| f, кГц | R, Ом/км | L, мГн/км | С, нФ/км | G, мкСм/км | α, дБ/км | β, рад/км | |zхв|, Ом |
| 33,2 | 0,88 | 0,7 | 0,74 | 0,283 | |||
| 43,6 | 0,85 | 4,6 | 1,153 | 1,31 | |||
| 0,82 | 9,4 | 1,588 | 2,60 | ||||
| 0,80 | 1,935 | 3,88 | |||||
| 0,78 | 18,8 | 2,225 | 5,18 | 166,7 | |||
| 0,76 | 23,4 | 2,497 | 6,45 | 166,5 |
Таблиця 2 – Електричні параметри кабелю КМ-4 (2,6/9,4)
| f, МГц | R, Ом/км | L, мГн/км | С, нФ/км | G, мкСм/км | α, дБ/км | β, рад/км | |zхв|, Ом |
| 0,3 | 0,276 | 6,0 | 1,353 | 6,85 | 75,7 | ||
| 0,270 | 20,1 | 2,477 | 22,6 | 75,0 | |||
| 95,1 | 0,266 | 100,5 | 5,538 | 74,5 | |||
| 0,265 | 201,0 | 7,856 | 74,3 | ||||
| 164,5 | 0,265 | 301,4 | 9,652 | 74,25 | |||
| 0,264 | 401,8 | 11,161 | 74,2 | ||||
| 212,5 | 0,264 | 507,3 | 12,521 | 74,2 |
Особливістю коаксіальних кабелів є мінімізація загасання при відношенні діаметрів зовнішнього до внутрішнього провідника (для міді), що дорівнює 3,6.
Процеси, що мають місце у лініях передачі
При розповсюдженні постійного струму по лінії передачі густина струму постійна по поперечному перетину провода. Якщо протікає змінний струм, то відбувається перерозподіл густини струму по перерізу провідника. При цьому спостерігаються такі явища: поверхневий ефект, ефект близькості, вплив на параметри кабельного кола навколишніх металевих мас. Перерозподіл густини струму веде до зміни значення параметрів кола: опір та проводимість ізоляції зростають, індуктивність дещо зменшується, а ємність практично залишається незмінною.
Поверхневий ефект обумовлений дією магнітного поля, що знаходиться усередині провідника. Силові лінії внутрішнього магнітного поля, перетинаючи товщу провідника, збуджують у ньому вихрові струми. Ці струми спрямовані так, що їхні магнітні поля спрямовані протилежно магнітному полю основного струму (рис. 25). Таким чином, вихрові струми спрямовані так, що вони складаються із основним струмом на краю провода і віднімаються від основного струму в середині провода. Завдяки цьому ефекту густина струму на поверхні провідника стає більшою, ніж в середині. На високих частотах густина струму в середині провідника зменшується майже до нуля. В таких випадках площа поперечного перерізу провода, що зайнята струмом, зменшується, і, відповідно, опір провідника зростає, бо чим менше площа, що зайнята струмом, тим більше опір.
Під дією поля внутрішнього провідника збільшується щільність струму на внутрішній поверхні зовнішнього провідника в коаксіальному колі (рис.25. б). Це так званий ефект близькості. Зовнішнє магнітне поле внутрішнього провідника перетинає зовнішній провідник і збуджує у ньому вихрові струми, які направлені так, що струм в зовнішньому провіднику збільшується на внутрішній його частині (рис.26).Таким чином, відбувається концентрація струмів на поверхнях провідників а таб, що звернені одна до одної (рис.26).
 |
а б
Рисунок 25 – Пояснення поверхневого ефекту у внутрішньому (а) провіднику коаксіального кола. (б) – вплив поля внутрішнього провідника на зовнішній (ефект близькості)
 |
Рисунок 26 – Перерозподіл струму на високих частотах в коаксіальному колі
 |
Ефект близькості в симетричному колі обумовлений зовнішнім магнітним полем обох провідників. Зовнішнє магнітне поле провідника із струмом, перетинаючи сусідній провідник, збуджує у ньому вихрові струми, які направлені так, що повний струм в провіднику збільшується на тих частинах, що розташовані ближче одна до одної,і зменшується на віддалених частинах (рис.27). Інакше кажучи, змінні струми, що протікають у протилежних напрямках, начебто "притягуються" притягуються один до одного.
Рисунок 27 – Пояснення ефекту близькості в симетричному колі
Ефект близькості прямо пропорційний частоті, провідності та діаметру провідника, а також залежить від відстані між провідниками. Із зменшенням цієї відстані вплив ефекту близькості зростає в квадраті.
Навколо струмоведучих жил майже завжди присутні інші металеві маси. Це провідники сусідніх кабельних кіл, екрани, броня. Магнітне поле кожної струмоведучої жили проходить крізь ці металеві маси та збуджує в них вихрові струми (рис. 28). На створення цих струмів витрачається деяка енергія, тому опір провідників зростає.
Якщо порівняти дію ефектів, що розглянуті, то можна сказати, що найбільше підвищує опір провідника поверхневий ефект, дещо меншу дію має ефект близькості, та зовсім невелике значення має вплив оточуючих металевих мас на провідник із струмом.
 |
Рисунок 28 – Вплив оточуючих металевих мас на провідник із струмом
Як можна побачити з рис.22, електромагнітне поле коаксіальної пари повністю замикається всередині неї, а електричні силові лінії діють на досить великій відстані від неї. Відсутність зовнішнього електромагнітного поля обумовлює головні переваги коаксіальних кабелів: широкий діапазон частот, велика кількість каналів, захищеність від завад. В симетричних колах через зовнішнє електромагнітне поле виникають вихрові струми в сусідніх колах та оточуючих металевих масах (свинцевій оболонці, екрані і т.п.) і частина енергії розсіюється у вигляді втрат на тепло.
 |
Електромагнітне поле завад високої частоти, що створюється сусідніми колами передачі чи іншими джерелами, буде розповсюджуватись не по усьому перерізу кабелю, а лише по його зовнішній поверхні (рис.29). Таким чином, зовнішній провідник коаксіальної пари виконує дві функції: 1)є зворотним провідником кола передачі; 2) захищає (екранує) передачу по кабелю від впливів завад
Рисунок 29 – Робочий струм і струм завад в коаксіальному колі
Контрольні запитання
1. Навіщо уводяться параметри кабелів та апаратури?
2. Намалюйте еквівалентну схему відрізка кабельного кола.
3. Назвіть первинні параметри передачі, якій сенс вони мають?
4. Назвіть вторинні параметри передачі, якій сенс вони мають?
5. Що таке хвилевий опір кабельного кола?
6. Що таке загасання кабельного кола?
7. Назвіть складові втрат в кабельних колах.
8. Опишіть явище поверхневого ефекту.
9. Опишіть явище ефекту близькості.
10. Порівняйте дію ефектів, що впливають на опір та загасання кабельного кола.
11. Проаналізуйте дані таблиць 1 та 2.
12. Нарисуйте частотні залежності первинних та вторинних параметрів для симетричних та коаксіальних кіл.
Дата добавления: 2015-04-05; просмотров: 3350;