Лекция 6. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах

1. Распространение и потери энергии (затухание) в направляющих системах Электромагнитная энергия будет распространяться в заданном направлении вдоль направляющей системы только тогда, когда векторы напряженности электрического и магнитного полей будут лежать в плоскости, поперечной относительно оси системы.

Рис. 1

Вначале рассмотрим процесс распространения электромагнитной энергии вдоль однородной симметричной цепи без потерь. Пусть плоские падающие волны распространяются в положительном направлении оси z, совпадающей с осью проводника, а ось r проходит через центры проводников а и б рис.1. Тогда векторы напряженности электрического и магнитного полей в любой точке пространства, окружающего проводники, находятся в плоскости, перпендикулярной к оси проводов. Предположим, что в сечении цепи, проходящем через точку m на проводе а будет положительный потенциал, а на проводе б - отрицательный. Тогда в соответствии с направлением векторов электрического и магнитного поля в этом сечении цепи вектор Умова-Пойтинга (), представляющий собой векторное произведение векторов и показывающий плотность и направление движения энергии, будет направлен от генератора к нагрузке вдоль оси системы (рис.1).

В сечении цепи, проходящем через точку n и отстоящем на расстоянии λ/2 от сечения в точке m, направления векторов изменяется на противоположные, а направление вектора Умова-Пойнтинга останется неизменным, хотя токи в проводах имеют противоположное направление. Отсюда следует, что электромагнитная энергия передается от генератора к нагрузке не зарядами, движущимися по проводам, а электромагнитным полем, которое распространяется в окружающем провода диэлектрике. Провода здесь являются только системой, направляющей движение волн в межпроводном тракте.

На потерях энергии при распространении волн всегда сказывается влияние проводников и диэлектриков, встречающихся на их пути. В однородной цепи, обладающей активным сопротивлением, кроме возникновения напряжения между проводами происходит его падение вдоль проводов. Поэтому в двухпроводных цепях с потерями линии электрического поля искривляются (рис.2,а) Тогда вектор Умова-Пойнтинга вблизи от проводов отклоняется от оси цепи. Разложим его на две составляющие (рис. 2,б), из которых большая П _z соответствует потоку энергии, передаваемой вдоль цепи, а меньшая П _пр есть часть энергии, проникающей внутрь провода и расходуемой на нагрев проводов. Оба процесса движения электромагнитного поля вдоль и внутри проводников являются волновыми. Энергия теряется также и в близлежащих проводниках (в соседних цепях кабеля, экранах, металлической оболочке, броне), в которых наводятся вихревые токи. При этом наибольшее воздействие оказывают близко расположенные к рассматриваемой цепи металлические элементы кабеля. Кроме того, вихревые токи создают поле, которое воздействуя на поле проводников цепи, изменяет их параметры.

Рис.2

Если направляющая система включает в себя диэлектрик (не считая воздуха, являющегося идеальным диэлектриком), то часть энергии расходуется на поляризацию диэлектрика. Поляризацией называется смещение положительных и отрицательных зарядов в изоляции под действием электрического поля. Переменная поляризация обусловливает возникновение токов смещения (емкостных токов) и вызывает затраты энергии на переориентацию диполей (потери в диэлектрике). Чем выше частота колебаний, тем сильнее токи смещения и больше потери. При постоянном токе потери отсутствуют.

Таким образом, уменьшение энергии волны при ее движении вдоль направляющей системы обусловлено потерями в металле проводников, образующих цепь, и в металле посторонних проводников, находящихся в ее поле, а также в диэлектрике и вследствие излучения. Это уменьшение передаваемой энергии оценивается затуханием сигнала

Величина первого слагаемого α_пр (потери в металле) прямо пропорциональна корню квадратному частоты колебаний , второго – зависит от частоты линейно, а третьего – прямо пропорциональна величине f ² (рис.3) Отдельные слагаемые затухания в некоторых направляющих системах очень малы или могут быть равны нулю. Напомним, что в технике связи затуханием называется выраженное в логарифмическом масштабе отношение мощности сигнала в начале и конце цепи.

Рис.3

Поверхностный эффект. С увеличением частоты тока активное сопротивление проводника растет, а индуктивность уменьшается. Это явление получило название поверхностного эффекта и объясняется особенностями распространения электромагнитной энергии вдоль проводников. В отличие от постоянного тока, плотность распределения которого одинакова по всему сечению проводника, плотность переменного тока наибольшая у поверхности проводника и убывает по направлению к его центру. Ток проводимости может существовать только в той части проводника, которая пронизывается электромагнитным полем. Поэтому при слабом поверхностном эффекте плотность тока больше у поверхности проводника и меньше в средней части его сечения (рис. 4,а), а при сильном - ток течет только в поверхностном слое (рис. 4,б). Неполное использование сечения проводника приводит к увеличению его сопротивления при переменном токе. Количественная оценка увеличения сопротивления проводников за счет поверхностного эффекта дана в п.2.

Рис. 4

Эффект близости. Если вблизи провода, поля которого определяются для вычисления первичных параметров, находится другой провод или проводящая поверхность (земля, экран, оболочка кабеля), то в результате взаимодействия зарядов и токов в этих сближенных проводниках распределение полей меняется. Это изменение полей по сравнению с полями уединенного проводника называется эффектом близости.

В двухпроводных цепях переменное магнитное поле провода вызывает в массе соседнего провода перераспределение плотности тока по его сечению (рис. 5,а), направления токов показаны стрелками и влияют на параметры цепи.

Рис.5

Эффект близости прямо пропорционален частоте, магнитной проницаемости и диаметру проводника и, кроме того, зависит от расстояния между проводниками цепи. При сближении проводников друг к другу действие эффекта близости возрастает пропорционально квадрату расстояния.

При расчете активного сопротивления и индуктивности цепей симметричных и коаксиальных кабелей необходимо учитывать влияние поверхностного эффекта и эффекта близости, которые приводят к различному распределению тока по сечению проводников указанных цепей. Так, в симметричной цепи указанные эффекты приводят к несимметричному распределению тока по сечению проводников: плотность тока наибольшая на обращенных друг к другу поверхностях проводников (рис. 5,б). В коаксиальной цепи плотность тока в проводнике А распределяется по сечению проводника симметрично; в проводнике Б ток сосредоточен на его внутренней поверхности (рис. 5,в). В коаксиальных кабелях оба эффекта вызывают сосредоточение токов проводимости на наружной поверхности внутреннего проводника и на внутренней наружного.

Электромагнитное экранирование. В технике передачи электрических сигналов очень важно избежать взаимных влияний между соседними цепями, а также влияния внешних электромагнитных полей, так как индуцированные токи и напряжения создают помехи и затрудняют безошибочный прием сигналов. Действенной мерой защиты от влияния переменных электромагнитных полей является электромагнитное экранирование.

Для защиты кабельных цепей от внешних помех применяются экраны и другие металлические элементы конструкции кабеля: металлические оболочки и броневые покровы. Металлические оболочки, как правило, имеют сплошную цилиндрическую оболочку из алюминия, стали или свинца. Известны также конструкции двухслойных экранирующих оболочек, например, алюминий – сталь.

Экраны изготавливают из алюминиевых, медных, стальных лент, накладываемых спирально или продольно вдоль кабеля, а оплеточные экраны - из плоских или круглых проволок. В коаксиальных кабелях для обеспечения требуемых норм помехозащищенности при однокабельной системе связи внешний проводник выполняется биметаллическим (медь-сталь).

В реальных условиях необходимо считаться с воздействием как магнитных, так и электрических полей. Наибольшее воздействие при внешних влияниях оказывает магнитное поле; при взаимных влияниях соотношение между электрическим и магнитным полем определяется волновым сопротивлением цепи и зависит от частоты тока.

Электромагнитное экранирование основано на том, что поле, проникая из диэлектрика в металл, сильно затухает, распространяясь в металле.

Эффект экранирования оценивают коэффициентом экранирования

, (1)

или затуханием экранирования

, (2)

где Е и Н – напряженности электрического и магнитного полей в точке пространства при отсутствии экрана;

Е_Э и Н_Э – напряженности электрического и магнитного полей при наличии экрана.

Экранизирующее действие тем сильнее, чем толще экран, чем больше магнитная проницаемость и меньше удельное сопротивление металла, а также чем выше частота колебаний поля. Значение коэффициента экранирования изменяется от 1 до 0, характеризуя в последнем случае наивысший экранирующий эффект.

Так как в коаксиальных кабелях и металлических волноводах используют очень высокие частоты, то наружный проводник первого и металлическая трубка второго обеспечивают их высокую степень экранирования. Для повышения коэффициента экранирования используют многослойные экраны, причем в них чередуют слои из магнитных и немагнитных металлов. Повышение экранирующего действия достигается здесь не только за счет поглощения, но и отражений волны на нескольких границах металлов с разными волновыми характеристиками. Наилучший эффект дают многослойные экраны, состоящие из чередующихся слоев меди и стали. С удалением экрана от экранируемых цепей коэффициент экранирования возрастает. Одновременно уменьшаются потери в экране на вихревые токи, т.е. снижается затухание цепи. Однако увеличение диаметров экранов в кабелях экономически невыгодно, так как приводит к увеличению поперечного сечения кабеля и дополнительному расходу материалов.

Коэффициент защитного действия. Эффективность экранирования в диапазоне низких частот (50-3400 Гц) называется коэффициентом защитного действия (КЗД), численные значения которого определяются тем же выражением (1), что и для коэффициента экранирования. При низких частотах влияние внешнего электромагнитного поля на цепи частично компенсируется электромагнитным полем, создаваемым продольными токами, индуцируемыми в металлических элементах конструкции кабеля (металлической оболочке, броневых покровах). Численные значения коэффициента защитного действия кабельной оболочки и троса зависят не только от их электрических характеристик, но и от величин сопротивлений их заземления. Эффективность защитного действия металлических покровов тем выше, чем меньше их величина их сопротивлений и сопротивлений заземлений. Защитное действие также оказывают рельсовые пути. Суммарный коэффициент защитного действие кабельной оболочки S_об, рельсов S_р и троса S_т определяется выражением

2. Внутреннее сопротивление уединенного круглого провода