Лекция 4. Направляющие системы электросвязи

Для передачи информации электрическими сигналами (за исключением радиорелейной и спутниковой связи) применяют направляющие системы, канализующие электромагнитную энергию в заданном направлении. Направляющие системы представляют собой непрерывные, однородные устройства предназначенные для передачи электромагнитной энергии в заданном направлении.

Распространение поля в заданном направлении обеспечивается наличием границ между средами, имеющими различные свойства (проводник и диэлектрик, два диэлектрика с различными параметрами). Такими направляющими системами являются цепи воздушных и кабельных линий, металлические и диэлектрические волноводы и т.п. Направляющей системой является также любая линия передачи в энергетических системах.

При рассмотрении процесса передачи электромагнитной энергии по различным направляющим системам их принято разбивать на две основные группы. К первой группе относят направляющие системы, подчиняющиеся рассматриваемым в теории цепей уравнениям линии. Поэтому направляющие системы первой группы называют также цепями связи. К их числу принадлежат: симметричная цепь и различные её модификации, а также коаксиальная цепь. Ко второй группе относятся направляющие системы, рассчитываемые только электродинамическими методами. К числу таковых принадлежат различные виды металлических и диэлектрических волноводов.

На рис.1 показана первая группа направляющих систем, объединённых общим признаком: они состоят не менее чем из двух проводников, имеющих разные потенциалы и образующих цепь электрического тока. Проводники, образующие цепь, играют, в сущности, лишь роль направляющих поверхностей, которые определяют направление распространения волны в диэлектрике и ограничивают рассеяние электромагнитной энергии в окружающее пространство.

Симметричная цепь (СЦ

Рис.1

) является наиболее распространённой на воздушных и кабельных линиях. Симметричная цепь по определению должна быть образована из проводников, имеющих одинаковую конструкцию (форму), электрические характеристики и геометрические размеры. Если заменить один её провод землёй, экраном или оболочкой, то она превращается в несимметричную, так называемую однопроводную цепь (ОЦ).

Если провод однопроводной цепи и поверхность земли заменить металлическими лентами, то получится полосковая (несимметричная) линия (ПЛ). Для уменьшения внешних электромагнитных полей используют более сложные, так называемые симметричные полосковые линии (СПЛ), в которых обе внешние полосы составляют один провод. Если они в 2,5 – 3 раза шире внутренней, то электромагнитное поле будет сосредоточено в основном между лентами. Но симметричность здесь геометрическая, а не электрическая.

Перейдя от линии СПЛ к замкнутому вокруг внутреннего проводника внешнему проводнику, получим коаксиальную или концентрическую (КЦ) цепь, применяемую в коаксиальных кабелях. Внешний провод здесь играет и роль экрана. Внешнее электромагнитное поле такой цепи, в отличие от других цепей первой группы, практически отсутствует, поэтому она относится к «закрытым» системам. К первой группе направляющих систем относятся также трёхфазные цепи (ТЦ), воздушные и кабельные, используемые на линиях электропередачи и в сетях электроснабжения.

Иногда для экономии металла организуют искусственные (наложенные) цепи, в которых два провода симметричной цепи с помощью трансформатора со средней точкой используют в качестве одного провода (рис. 2,а). Таким образом, по четырём проводам организуют три независимые двухпроводные цепи. Аналогично на симметричную двухпроводную цепь накладывается «однопроводная» несимметричная (рис. 2,б).

Рис. 2

Ко второй группе относятся направляющие системы, содержащие всего один конструктивный направляющий элемент (рис. 3). Это металлические волноводы МВ, представляющие собой металлическую трубу круглого, прямоугольного или эллиптического сечения, в которой распространяется электромагнитная волна, а также диэлектрические волноводы ДВ, устроенные в виде стержней различных сечений из высокочастотного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε >1, благодаря чему токи смещения в стержнях больше, чем в окружающем воздухе, и энергия распространяющейся вдоль него электромагнитной волны концентрируется и движется в основном в массе диэлектрика.

 

Известны также магнитоэлектрические волноводы, изготовляемые из диэлектрика, у которого ε >1 и магнитная проницаемость μ > 1. Линия поверхностей волны (ЛПВ) – это металлический проводник, покрытый слоем такого же диэлектрика, какой используется

Рис.3

для изготовления диэлектрических и магнитодиэлектрических волноводов. Процесс распространения волны в ЛПВ аналогичен процессу в диэлектрическом волноводе, но здесь есть и токи проводимости. К этой же группе относятся различные световоды, в которых распространяются лучи света, т.е. электромагнитные процессы очень высокой частоты.

Первые световоды строились в виде металлической трубы, в которой луч света распространялся вдоль оси с помощью оптических или «газовых» линз или зеркал, расположенных внутри трубы. Такие световоды были дороги, требовали сложной юстировки и были заменены тонкими (доли миллиметра) прозрачными волокнами из специального стекла или пластмассы, обычно покрытыми отражающими оболочками из того же материала, но с несколько меньшим значением показателя преломления. Лучи распространяются вдоль световода в результате полных (без потери энергии) отражений от границы раздела сердцевины и отражающей оболочки.

Частотные диапазоны, в которых работают различные направляющие системы, приведены на рис. 4.

Рис. 4

Перечислим основные области применения направляющих систем. Симметричные двухпроводные цепи широко используются на воздушных линиях и кабельных линиях дальней связи, местной общетехнологической связи (абонентские и соединительные линии), станционной распорядительной и стрелочной связи, вторичной коммутации отделенческой оперативно-технологической связи, двухсторонней парковой связи громкоговорящего оповещения, абонентских участков информационно-вычислительных сетей передачи данных, а также в локальных вычислительных сетях. Однопроводные несимметричные цепи на железнодорожном транспорте практически не находят применения, так как очень чувствительны к индуктивным помехам и к токам, блуждающим в земле. Полосковые линии используют в радиотехнических и других СВЧ устройствах; особенно они удобны при монтаже на печатных платах. Коаксиальные цепи обладают сравнительно большей пропускной способностью и могут быть использованы для частичного резервирования волоконно-оптических линий передачи и в сетях кабельного телевидения. Металлические и диэлектрические волноводы применяются в радио- и других СВЧ приборах для соединения отдельных блоков и в качестве фидеров, соединяющих аппаратуру с антеннами.

Световоды предназначены для передачи больших объемов информации как на дальние расстояния, так и на короткие, например, в локальных вычислительных сетях.

В настоящее время наибольшее применение при изготовлении кабелей нашли симметричная цепь и оптическое волокно. Причём преимущественно применяются однородные кабели, содержащие или симметричные цепи или оптические волокна. На ряде железнодорожных участков проложены комбинированные кабели для технологической связи

и устройств СЦБ, содержащие как симметричные цепи так и оптические волокна. Последние предназначены для организации каналов технологической связи и линейных цепей автоблокировки на сети железных дорог Российской Федерации. Они содержат оптические волокна, высокочастотные и низкочастотные четверки (пары). По низкочастотным парам могут работать устройства СЦБ при номинальном напряжении 380 В переменного тока частотой 50 Гц и 700 В постоянного тока. Особенностью конструкций комбинированного кабеля является использование водо-блокирующих материалов в виде лент и корделя для обеспечения продольной водонепроницаемости кабеля. Поэтому этот кабель не требует постановки под избыточное воздушное давление при его эксплуатации.

Комбинированные кабели могут ис­пользоваться при строительстве и реконструк­ции устройств связи и СЦБ на малодеятельных участках дорог с воздушными линиями связи и сигнальными проводами, подвешенными на вы­соковольтных линиях автоблокировки.

Для участ­ков с тепловозной тягой и электротягой постоянного тока разработаны модификации кабелей с экра­ном из алюмополиэтиленовой ленты типа МКПВБЭпП, а для участков с электротягой переменного тока с алюминиевой обо­лочкой типа МКПВБАШп. В маркировке комбинированных кабелей буквами Эп обозначен экран из алюмополиэтиленовой ленты, а буквами ВБ – обозначен водо-блокирующий материал.

Конструкция кабелей марки МКПВБЭпП - 2х4х1,05+9х2хО,7/ОКЗ 2х4-0,36/0,22 по­казана на рис.5.

Рис.5

1-контрольная жила; 2-лента из водо-блокирующего материала; 3-поясная изоляция; 4-экран из алюмополиэтиленовой ленты (или алюминие­вая оболочка); 5-оболочка из полиэтилена; 6-алюмополиэтиленовая лента (алюминиевая оболочка); 7-контактная проволока; 8-модули-заполнители из полиэтилена; 9-.централь­ный силовой элемент из стеклопластика; 10-оптические модули; 11-трубка из поли­этилена; 12, 13, 16-кордели из водо-блокирующего материала; 14-изолированные жилы вы­сокочастотных четверок; 15-высокочастотная четверка; 17-звездная четверка вспомогатель­ных жил; 18-изолированная жила вспомога­тельных пар (четверок); 19-вспомогательная пара, скрученная из двух изолированных жил.

Оптический элемент сердечника кабеля представляет собой пучок, скрученных вокруг силового элемента, оптических модулей и корделей-заполнителей. Оптический элемент размещается в трубке из полиэти­лена. Межмодульное пространство заполнено гидрофобным заполнителем, который не выте­кает из сердечника оптического элемента до температуры 50°С.

Стандартная комплектация кабеля содержит два оптических модуля: один - красного цвета, другой - зеленого. Оптический модуль представляет собой трубку из полибутилентерефталата, внутри которого расположены четыре оптических волокна, имеющих оранжевый, белый, синий и зеленый цвет. Сочетание цветов оптических волокон одинаковое во всех моду­лях. Номинальный наружный диаметр опти­ческого модуля ~ 2,0 мм.

Оптические волокна удовлетворяют требованиям рекомендации G.652 Международного союза электросвязи (МСЭ). Оптические волокна имеют следующие параметры:

- коэффициент затухания - не более 0,36 дБ/км на длине волны 1310 им и не более 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм;

- хроматическая дисперсия не более 3,5 пс/нм в диапазоне волн 1285-1330 нм и не более 18 пс/нм в диапазоне длин волн 1525-1375 нм.

В оптическом элементе, по требованию заказчика, может быть увеличено число оптических волокон с 8 до 20, за счет использования 3-х дополнитель­ных оптических модулей, вместо корделей-заполнителей.

Высокочастотные четверки скручены из че­тырех изолированных жил с пленкопористой изоляцией разного цвета вокруг корделя-заполнителя из водо-блокирующего материала (ВБМ). Сердечник кабеля может содержать 1, 2 или 3 высокочастот­ные четверки. В четверке две жилы, расположенные по ди­агонали, образуют рабочую пару. Изоляция жил первой пары каждой четверки - красного и белого цветов, второй - синего и зеленого. Но­минальный диаметр неизолированных токопроводящих жил - 1,05 мм, изолированных - 3,7 мм.

Низкочастотные четверки скручены из че­тырех изолированных жил, имеющих сплошную полиэти­леновую изоляцию.

В табл.1 приведены варианты комплектации сердечника комбинированного кабеля.

В четверке две жилы, расположенные по диагонали, образуют вспомогательную пару. Изоляция жил первой пары каждой четверки имеет красный и белый цвет. Второй – синий и зеленый.

Таблица 1.

Наименование и число элементов сердечника комбинированного кабеля
Оптических модулей	ВЧ четверок	НЧ четверок	Одиночных НЧ пар	Общее число НЧ пар
2, 3, 4, 5

 

Одиночная пара скручена из двух изолирующих жил со сплошной полиэтиленовой изоляцией красного и белого цвета. Токопроводящие жилы низкочастотных пар имеют номинальный диаметр 0,7 мм, а изолированные жилы - 1,6 мм.

Сердечник кабелей скручивают из вышеуказанных элементов.

Кабели типа МКПВБЭпП и МКПВБЭпБбЩп имеют экран из алюмополиэтиленовой ленты с алюминиевым слоем номинально толщиной не менее 0,1 мм. Под экраном проложена луженая медная контактная проволока с минимальным диаметром 0,4 мм.

Кабели марок МКПВБАШп и МКПВБАБпШп имеют сварную алюминиевую оболочку толщиной не менее 1,1 мм.

При нарушении целостности наружных по­кровов и попадании влаги в сердечник кабеля ленты и кордели из водо-блокирующих материа­лов увеличиваются в объеме в 3~4 раза и обра­зуют пробку, которая препятствует дальнейше­му проникновению воды в кабель.

Для контроля целостности наружных покро­вов и отсутствия воды в сердечнике в конструк­цию кабеля введена неизолированная жила. Це­лостность наружных покровов, а также расстояние до места их повреждения оценивают по величине сопротивления изоляции между кон­трольной жилой и экраном.

Для мон­тажа комбинированного кабеля разработана муфта для соеди­нения и ответвления кабелей в месте стыка строительных длин и врезная муфта для ответвления в любом месте строительной длины кабеля.

Контрольные вопросы

1. Что такое направляющие системы?

2. Назовите разновидности направляющих систем, их рабочие диапа­зоны частот и области применения?

3.На какие группы делятся направляющие системы электросвязи?

4. Какие направляющие системы называются цепями связи?

5. Что заставляет электромагнитную волну двигаться вдоль направляющей системы?

6. Какие направляющие системы относятся к открытым?

7. Назовите направляющие системы, которые нашли наибольшее применение на железнодорожном транспорте?

 

Раздел 4

Основы электродинамики направляющих систем передачи