Особенности подключения и согласования длинных передающих линий.

Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений. Принцип согласования очень прост: на концах кабеля необ­ходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротив­лением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля.

Волновое сопротивление — это параметр данного типа кабеля, зависящий только от его устройства (сечения, количества и формы проводников, тол­щины и материала изоляции и т.д.). Величина волнового сопротивления обязательно указывается в документации на кабель и составляет обычно от 50—100 Ом для коаксиального кабеля до 100-150 Ом для витой пары или плоского многопроводного кабеля. Точное значение волнового сопро­тивления легко можно измерить с помощью генератора импульсов и ос­циллографа по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса. Обычно требуется, чтобы отклонение величины согласующего резистора не превышало 5-10% в ту или другую сторону.

Общие принципы экранирования линий передачи

Экранирование электрических линий связи применяется для снижения влияния на кабель внешних электромагнитных полей. Экран представляет собой медную или алюминиевую оболочку (плетеную или из фольги), в которую заключаются провода кабеля. Экранирование будет работать, если экран заземлен, поскольку необходимо, чтобы наведенные на него токи стекали на землю. Кроме того, экранирование заметно уменьшает и внешние излучения кабеля, что важно для обеспечения секретности передаваемой информации. Побочными полезными эффектами экранирования являются увеличение прочности кабеля и трудности с механическим подключением к кабелю для подслушивания. Экран заметно повышает не только стоимость кабеля, но также и его механическую прочность.

Снизить влияние наведенных помех можно и без экрана, если использовать дифференциальную передачу сигнала (рис. 3.4). В этом случае передача идет по двум проводам, причем оба провода являются сигнальными. Передатчик формирует противофазные сигналы, а приемник реагирует на разность сигналов в обоих проводах. Условием согласования является равенство сопротивлений согласующих резисторов R половине волнового сопротивления кабеля Rв. Если оба провода имеют одинаковую длину и проложены рядом (в одном кабеле), то помехи действуют на оба провода примерно одинаково, и в результате разностный сигнал между проводами практически не искажается. Именно такая дифференциальная передача применяется обычно в кабелях из витых пар. Но экранирование и в этом случае существенно улучшает помехоустойчивость.

СКИН-ЭФФЕКТ

Скин-эффект (данный эффект также иногда называют поверхностным эффектом). Суть его в следующем. При протекании переменного тока по проводнику в проводнике и вне его создается переменное магнитное поле. Сам ток был создан электрическим полем в проводнике (назовем это поле первичным). Магнитное поле индуцирует вихревое электрическое поле, часть его оказывается в том же проводнике с током и направлено навстречу первичному. Сложение первичного и индуцированного электрических полей приводит к экспоненциальному уменьшению суммарного электрического поля при движении вглубь проводника. Ток в проводнике, пропорциональный электрическому полю, соответственно, концентрируется у поверхности проводника. Говорят, что ток концентрируется на поверхности проводника. Возможна и альтернативная формулировка: электромагнитное поле, создающее ток в проводнике, вытесняется из проводника.

Скин-эффект проявляется не только для токов, но и для «запертого» в кабеле поля. При низких частотах магнитное поле, созданное током в центральной жиле, проникает и в центральную жилу, и в экран. Снаружи от экрана, согласно теореме о циркуляции, оно компенсируется магнитным полем тока экрана. При высоких частотах магнитное поле практически полностью вытесняется из центральной жилы и экрана и полностью концентрируется в области диэлектрика (рис. 9). При этом уменьшается площадь контура, пронизываемого магнитными силовыми линиями, и снижается связанная с магнитным полем погонная индуктивность.

Существует явление, вызываемое, как и скин-эффект, полем, индуцированным переменным током, его называют эффектом близости. Данный эффект наблюдается в многожильных проводах, состоящих из нескольких или многих изолированных друг от друга проводников (например, двухпроводная линия, многожильная витая пара) и заключается в
следующем. Переменное магнитное поле тока, протекающего по одному из проводников (будем называть такие токи собственными), индуцирует токи в соседних проводниках (рис. 10). Собственный ток и индуцированный им ток всегда направлены навстречу. Индуцированные в соседних проводниках токи могут как складываться с собственными токами этих
проводников, так и уменьшать их. В итоге плотность тока в проводнике либо «отталкивается» (сонаправленные собственные токи) от соседних проводников, либо «притягивается» к ним (противоположно направленные собственные токи).

Отличие от скин-эффекта состоит в том, что при скин-эффекте собственный ток посредством переменного магнитного поля «вытесняет» сам себя. При проявлении эффекта близости собственный ток «вытесняет» токи в соседних проводниках. Эффективные сопротивления одинаковых проводников многожильного провода из-за эффекта близости могут оказаться разными на высоких частотах в зависимости от того, ближе к центру или к внешней поверхности провода находится данный проводник, сколько вокруг него соседних проводников и в каком направлении по ним текут токи. Если все собственные токи сонаправлены, а проводники одинаковы, у центральных проводников сопротивление для высоких частот окажется выше, чем у тех, что расположены дальше от оси многожильного провода, несмотря на одинаковые размеры проводников и одинаковые электромагнитные характеристики материала проводников. Эффект близости обычно проявляется в тех же случаях,
когда проявляется скин-эффект.