Реферат Расчёт электромагнитного поля коаксиальной линии передачи энергии
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ФАКУЛЬТЕТ «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ»
КАФЕДРА «КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО РАДИОАППАРАТУРЫ»
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему:
«РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ»
по курсу:
«ТЕОРИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ»
Выполнил: студент гр. ФР-415
________________Фомин А. А.
Проверила: преподаватель
________________Лобова Г.Н.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………………..3
1. Общие сведения о коаксиальной линии передачи энергии……….……...4
2. Расчёт электромагнитного поля коаксиальной
линии передачи энергии…………………………………………………….6
3. Типы, обозначение и параметры радиочастотных
коаксиальных кабелей………………………………………………...……11
4. Состояние производства радиочастотных
коаксиальных кабелей и его перспективы………………………………...25
Заключение………………………………………………………………..........37
Библиографический список…………………………………………………...38
ВВЕДЕНИЕ
Радиочастотные коаксиальные кабели находят широкое применение в промышленной, связной, телевизионной, радиолокационной и другой радиотехнической аппаратуре.
Существует ряд типов коаксиальных кабелей специального назначения: кабели задержки с замедленной скоростью распространения электромагнитных волн, кабели трансформации с переменным по длине волновым сопротивлением, высокоомные кабели с малой погонной ёмкостью, применяемые в импульсных установках.
Диапазон частот, в котором используются экранированные линии, очень широк: от звуковых волн (сотни и тысячи герц) до сверхвысоких частот (несколько тысяч мегагерц). Основные достоинства таких линий – возможность передачи широкого спектра частот, относительно большое затухание, малые поперечные размеры, самоэкранирование и защищённость от внешних помех, надёжность и экономичность – способствует их широкому распространению.
Главной целью этой работы является краткое и понятное изложение расчёта электромагнитного поля коаксиальной линии передачи энергии, её применения и дальнейшего развития [5 - 7].
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
Коаксиальная линия передачи энергии является направляющей системой закрытого вида и представляет собой два металлических проводника цилиндрической формы, расположенных один внутри другого так, что их оси совпадают. Внутренний проводник обычно сделан из сплошного металла или состоит из нескольких более тонких проводников соприкасающихся друг с другом. Наружный проводник имеет вид металлической трубки, которая может быть сплошной трубкой или сплетена из тонких проволочек в виде цилиндрической металлической оплетки.
Электромагнитное поле в коаксиальной линии заключено в пространстве между внутренним, т.е. центральным проводником, и наружным проводником, который называют ещё внешним проводником или оболочкой. При передачи по коаксиальной линии высокочастотной энергии по проводникам её текут токи, которые благодаря поверхностному эффекту сосредоточены в очень тонком слое металла, составляющем единицы микрометров. Таким образом, в коаксиальной линии высокочастотные токи текут по наружному слою центрального проводника и по внутреннему слою оболочки. Благодаря этому свойству коаксиальная линия является полностью экранированной линией передачи электромагнитных волн.
Геометрическими параметрами коаксиальной линии, которые определяют её электрические свойства, являются: диаметр центрального проводника d, внутренний диаметр оболочки D, и длина l (Рис. 1). Центральный проводник отделён от слоя диэлектрика толщиной
В коаксиальной линии могут распространяться волны ТЕМ, Е и Н.
Волна типа ТЕМ – это электромагнитная волна, в которой имеются только поперечные составляющие электрического и магнитного полей.
Рис. 1. Структура электрического и магнитного полей бегущей волны типа ТЕМ в коаксиальной линии.
1 – распределение напряжённости электрического поля вдоль длины линии (по синусоидальному закону) для фиксированного момента времени t.
Волна типа Е – это электромагнитная волна, в которой отсутствует продольная составляющая магнитного поля.
Волна типа Н – это электромагнитная волна, в которой отсутствует продольная составляющая электрического поля [1,2,3].
Волна типа ТЕМ в коаксиальном кабеле называется волной основного типа, а все волны типа Е и Н – волнами высших типов. Далее будем рассматривать распространение волн основного типа, так как они не имеют критических частот в коаксиальном кабеле [4].
2. РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
Расчётом электромагнитного поля является нахождение характеристик поля и среды, т.е. коаксиальной линии, таких как напряжённость электрического и магнитного полей, постоянной распространения, коэффициента затухания и фазы волны, ёмкость и индуктивность, а также волновое сопротивление коаксиальной линии.
Начальные данные для расчёта:
Марка кабеля: РК 50-2-11.
Номер ГОСТ: 11326.0 - 78
Длина волны в коаксиальной линии:
Внутренний проводник:
материал – медь, диаметр
удельное сопротивление проводника
Изоляция:
материал – полиэтилен низкой плотности, диэлектрическая проницаемость
Внешний проводник:
материал – медь, внутренний диаметр
Расчёт:
Электромагнитная волна распространяется в коаксиальной линии со скоростью, которая определяется по формуле:
Частота волны:
Угловая частота:
Найдём общее сопротивление коаксиального кабеля:
для медных проводников
Общая индуктивность коаксиального кабеля:
для медных проводников
Полная проводимость изоляции коаксиальной цепи, которая представляет собой отношение тока утечки, протекающего через диэлектрик от внутреннего проводника к внешнему, к напряжению между проводниками, находится как:
Ёмкость:
Проводимость изоляции:
где
В практических конструкциях первый член очень мал по сравнению со вторым, и им обычно пренебрегают. Тогда расчёт проводимости изоляции, можно производить по формуле:
Коэффициент распространения волны:
Коэффициент распространения волны – это комплексная величина. Его вещественной частью является коэффициент затухания
При высоких частотах (выше 60 кГц) можно использовать выражения
Тогда:
Волновое сопротивление:
При высоких частотах
Коэффициент затухания:
Коэффициент фазы:
В технике радиочастотных кабелей для оценки явления распространения электромагнитной энергии часто используется понятие коэффициента укорочения длины волны. Коэффициент укорочения длины волны характеризует уменьшение скорости распространения электромагнитной энергии в кабеле по сравнению со скоростью распространения энергии в свободном пространстве (воздухе). Он находится по формуле:
Структура электромагнитного поля в коаксиальном кабеле:
При прохождении тока по проводникам коаксиального кабеля в нём возникает электромагнитное поле. Магнитное поле коаксиального волновода содержит лишь одну составляющую
Напряжённость электрического поля в коаксиальном конденсаторе равна
где
Распределение магнитного поля основной волны в поперечном сечении линии совпадает с распределением магнитного поля постоянного тока. Так как силовые линии постоянного магнитного поля в этом случае имеют форму концентрических окружностей с центром на оси Z, то для основной волны
Таким образом, составляющие векторов поля основной волны в коаксиальной линии принимают вид:
На этом расчёт электромагнитного поля в коаксиальной линии передачи энергии закончен [1 – 9].
3. ТИПЫ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ РАДИОЧАСТОТНЫХ КОАКСИАЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ
Радиочастотные кабели выпускаются следующих типов:
РК – радиочастотные коаксиальные кабели;
РД – радиочастотные симметричные кабели, двухжильные или из двух коаксиальных пар;
РС – радиочастотные кабели со спиральными проводниками коаксиальные и симметричные.
Кабели по конструктивному выполнению изоляции разделяются на три группы:
1) кабели со сплошной изоляцией, у которых все пространство между внутренним и внешним проводниками (коаксиальные кабели) или между токопроводящими жилами и их экраном (симметричные кабели) заполнено сплошной изоляцией или обмоткой из изоляционных лент;
2) кабели с воздушной изоляцией, у которых на внутреннем проводнике (коаксиальные кабели или симметричные кабели из двух коаксиальных пар) или на жилах (симметричные кабели) через определенный интервал имеются выполненные из изоляционного материала шайбы, колпачки или кордель, наложенный по винтовой спирали, образующие изоляционный каркас между внутренним и внешним проводниками или между жилами и их экраном;
3) кабели с полувоздушной изоляцией, у которых трубка из изоляционного материала, выполненная сплошной или в виде обмотки из лент, расположена поверх или под изоляционным каркасом, помещенным между внутренним и внешним проводниками (коаксиальные кабели или симметричные кабели из двух коаксиальных пар) или на каждой из двух жил (симметричные кабели).
К полувоздушной изоляции относится также пористо-пластмассовая, баллонная и изоляция в виде шлицованной трубки.
По номинальному волновому сопротивлению устанавливаются следующие ряды кабелей:
- типа РК - 50, 75, 100, 150 и 200 Ом;
- типа РС – 50, 75, 100, 150, 200, 400, 800, 1600 и 3200 Ом;
- типа РД – 75, 100, 150, 200 и 300 Ом.
Допускается в технически обоснованных случаях волновое сопротивление менее 50 Ом. Значения выбираются из ряда: 6; 9,5; 12,5; 19; 25; 37,5 Ом.
Номинальный диаметр по изоляции коаксиального кабеля, коаксиальных пар симметричного кабеля и наибольший размер но заполнению или скрутке симметричного двухжильного кабеля должен быть равен одной из величин следующего ряда: 0.60; 0.87: 1.0: 1.5; 2,2; 2,95; 3,7; 4,6; 4,8; 5,6; 7,25; 9,0; 11,5; 13,0; 17,3; 24,0; 33,0; 44,0; 60,0; 75,0 мм. Допускается разработка и изготовление кабелей с диаметром меньше 0,6 мм.
Для кабелей с гофрированным внешним проводником диаметр по изоляции принимается равным наименьшему внутреннему диаметру гофра.
Номинальный диаметр сердечника кабеля со спиральным внутренним проводником должен быть равен одному из следующих значений 3,0; 7,0 мм. Допускаются другие размеры диаметров, которые должны быть указаны в стандартах нлн технических условиях на кабели определенных марок.
Коаксиальные кабели в зависимости от номинального диаметра по изоляции разделяют на четыре группы: субминиатюрные – диаметром до 1 мм, миниатюрные – от 1,5 до 2,95 мм, среднегабаритные - от 3,7 до 11,5 и крупногабаритные – более 11,5 мм.
По теплостойкости кабели разделяют на три категории:
- обычной теплостойкости – для температур до 125С включительно;
- повышенной теплостойкости – для температур выше 125С до 250С включительно;
- высокой теплостойкости – для температур выше250С.
Марки кабелей должны состоять из букв, тип кабеля и трех чисел (разделённых тире).
Первое число означает величину номинального волнового сопротивления.
Второе число означает:
- для коаксиальных кабелей – значение номинального диаметра по изоляции, округленное до ближайшего меньшего целого числа для диаметров более 2 мм (за исключением диаметра 2,95 мм, который должен быть округлен до 3, и диаметра 3 мм, который округлять не следует);
- для кабелей со спиральными внутренними проводниками - значение номинального диаметра сердечника;
- для симметричных кабелей с изолированными жилами - значение наибольшего размера по заполнению или по скрутке.
Третье двух- или трехзначное число, первая цифра которого означает группу изоляции и категорию теплостойкости кабеля, а последующее - порядковый номер разработки.
Каждой группе изоляции при соответствующей теплостойкости кабеля присвоено следующее цифровое обозначение:
1. Кабели обычной теплостойкости со сплощной изоляцией;
2. Кабели повышенной теплостойкости со сплошной изоляцией;
3. Кабели обычной теплостойкости с полувоздушной изоляцией;
4. Кабели повышенной теплостойкости с полувоздушной изоляцией;
5. Кабели обычной теплостойкости с воздушной изоляцией;
6. Кабели повышенной теплостойкости с воздушной изоляцией;
7. Кабели высокой теплостойкости.
К марке кабелей повышенной однородности или повышенной стабильности параметров в конце через тире добавляется буква С.
В марках коаксиальных и симметричных кабелей, защитный покров которых относится к типам, предусмотренными ГОСТ 7006-72, в конце через тире должно быть указано буквенное обозначение типа брони. В технически обоснованных случаях допускается введение дополнительных буквенных обозначений, что должно быть оговорено в стандарте или технических условиях на кабель определенной марки.
Таблица 1
Таблица 2
Таблица 3
Зарубежные коаксиальные кабели
По американской классификации за буквами RG, обозначающими вид кабеля, через дефис следует его номер, состоящий из одной - трех цифр. Буквы F, D или C указывают на различные модификации кабеля с тем или иным номером.
Все кабели, упомянутые в таблице, имеют близкие значения коэффициента укорочения. Так, у RG-62A/U коэффициент укорочения равен 0.84, у RG-16/U - 0.67, у остальных - 0.66 [13].
Характеристики зарубежных коаксиальных кабелей Таблица 4
Коаксиальные кабели Uniflex
Линии передачи являются одной из важных частей разветвленных систем и сетей. Они должны обеспечить надежную связь между устройствами, формирующими сигналы в сети, и аппаратурой, принимающей эти сигналы. Развитие телекоммуникационного оборудования содействовало прогрессу в области разработки и производства коаксиальных линий передачи, предназначенных для работы в ВЧ и СВЧ диапазонах. Коаксиальные кабели торговой марки Uniflex (рис. 2), производимые фирмой Digicom (США), имеют хорошие технические характеристики, высокие эксплуатационные параметры, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным линиям передачи телевизионных и радиосигналов.
Рис. 2. Конструкция кабеля
Улучшение качественных показателей коаксиальных линий передачи обусловлено применением широкополосных технологий в кабельных сетях, использующих частотный диапазон 5-900 МГц, освоением диапазона частот 950-2700 МГц для передачи сигналов ПЧ спутникового вещания и MMDS. Увеличение числа наземных эфирных вещательных станций (телевизионных, радио, телеметрических, сотовой связи) диктует необходимость защиты линий передачи сигналов от антенных систем и кабельных сетей от внешних источников помех, а также уменьшения уровня ВЧ мощности, излучаемой кабелем в эфир. Поскольку работы по монтажу и ремонту разветвленных кабельных сетей требуют больших капиталовложений, линии передачи должны иметь конструктивные параметры, обеспечивающие устойчивость к различным видам механических напряжений и деформаций, а также высокую эксплуатационную надежность, гарантирующую их работу в тяжелых условиях при воздействии активных веществ и изменении климатического фона. Ниже приведена таблица 5 характеристик коаксиальных кабелей Uniflex [10].
Таблица 5
Коаксиальные кабели
Vinon
Коаксиальный кабель типа RG6 предназначен для передачи высокочастотных сигналов в различной электронной аппаратуре, особенно в радио- и ТВ – передатчиках, компьютерах, трансмиттерах. Коаксиальный кабель более помехоустойчив, затухание сигнала в нем меньше, чем в витой паре, поэтому его применение оправданно при передаче данных на большие расстояния в тех случаях, когда высокоскоростная передача данных осуществляется на несложном оборудовании. Кабель RG-59 в основном применяется для широкополосной передачи, для передачи сигнала при видеонаблюдении. RG-6 (рис. 3.) имеет больший диаметр по сравнению с RG-59, предназначен для более высоких частот, но может применяться для широкополосной передачи [12].
Рис. 3. Вид кабеля
Характеристики коаксиального кабеля RG6U 75
Волновое сопротивление, Ом: 75
Емкость, (пФ/м): 53
Скорость распространения,%: 82
Коэффициент экранирования, 30-1000 МГц, (дБ): >75
Обратные потери, дБ:
5-470 МГц: >25
470-860 МГц: >22
860-2150 МГц: > 20
Затухание при 20 С, дБ/100м:
10 МГц: 3.0
50 МГц: 5.4
200 МГц: 9.4
470 МГц: 14.2
860 МГц: 19.8
1000 МГц: 23.4
Центральный проводник: омедненная сталь
диаметр, мм: 1.02
Диэлектрик диаметр, мм: 4.80
Материал: физически вспененный Пэ
Экран:
фольга: Алюминий/Полиэт
ширина, мм: 18.0
толщина, мм: 15/15
экранирование, %: 100
Оплетка: алюминий
диаметр провода, мм: 0.12
количество: 16*3
плотность заполнения, %: 40
внешний диэлектрик, диам., мм: ПВХ/ПЕ, 6.9
цвет: белый/черный
Коаксиальные кабели CAVEL (Производство Италия)
Основополагающие свойства кабелей CAVEL:
1. Это физически вспененный (gas-injected) внутренний диэлектрик PEG, обеспечивающий влагостойкость и исключительную стабильность во времени всех параметров кабеля в целом, что чрезвычайно важно для строительства долговечных и надежных антеннокабельных сетей в России;
2. Это специальный двойной экран (фольга + высокоплотная оплетка), что обеспечивает максимально возможную помехозащищенность сети. Современные требования к строительству цифровых интерактивных кабельных сетей привели к появлению кабеля CAVEL DG 113 с коэффициентом экранирования более 90 дБ;
3. Это правильно подобранная комбинация диэлектриков, обеспечившая высокую сопротивляемость горению. Так, серия кабелей CAVEL, имеющих в своем обозначении буквы ZH (например, SAT 703 ZH и DG 113 ZH), используют полимеры, не содержащие галогенов и, поэтому, не выделяют ядовитого дыма, находясь в открытом огне.
Это особенно важно при прокладке кабелей в закрытых помещениях с высокой плотностью людей: больницы, школы, отели, театры и т.д. Уже сегодня вышеупомянутые кабели серии ZH от CAVEL являются базовыми и рекомендованы к обязательному применению на объектах кабельного строительства в нескольких странах Западной Европы.
ITALIANA CONDUTTORI объявила о начале поставок с марта 1998 г. комбинированного кабеля CAVEL SAT602 DF2, содержащего известный SAT602 и две дополнительные пары электрических проводов, одна из которых (витая) может быть использована, например, для подключения к датчику положения антенного мотора, а другая (силовая) — к самому мотору. Можно использовать витую пару и для передачи телефонного сигнала. Это упрощает кабельные работы и позволяет использовать этот тип кабеля совместно с новым поколением мультимедийных розеток фирмы WISI, имеющих соответствующие разъемы для подключения ТВ и телефонного оборудования.
Уже во второй половине 1997 г. ITALIANA CONDUTTORI начала интенсивную кампанию по рекламированию и поддержке упаковки типа Shrink-Pack для целой серии своих профессиональных кабелей. Данная упаковка (берется стандартная 100 м или 250 м бухта кабеля и добавляются торцевые картонные щечки, плюс обтягивающая полиэтиленовая пленка) обеспечивает полную совместимость с кабель-боксами CABLE BOX DS 100 и CABLE BOX DS 250, уже ставшими неотъемлемым рабочим инструментом профессионалов и специалистов-монтажников, работающих на российских антенно-кабельных сетях.
Кабель-боксы представляют собой переносные разборные пластиковые контейнеры с вращающимся внутри барабаном. На барабан надеваются 100 м или 250 м бухты кабеля, упакованные по типу Shrink-Pack, для последующей их удобной и быстрой размотки в местах, где прокладывается кабель.
Компания ITALIANA CONDUTTORI модифицировала кабель SAT 50 в SAT 50 M. При этом алюминиевая (Al) оплетка была заменена на луженую медную (CuSn), которая может легко паяться. К тому же сопротивление экрана снизилось с 49 Ом/км до 29 Oм/км.
С 1998 г. на российский рынок поступили разъемы (соединительные разъемы для абонентских и магистральных кабелей CAVEL, включая всевозможные разъемы CATV типоразмера "5/8 дюйма" для профессиональной усилительной аппаратуры CATV), изготовленные по заказу ITALIANA CONDUTTORI и полностью отвечающие качеству и ассортименту кабелей CAVEL по своим механическим и электрическим характеристикам [11].
Конструктивные и электрические параметры кабелей CAVEL (рис.4 и табл.2)
Рис. 4. Вид и марка кабелей
Конструктивные параметры Таблица 6
4. СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА РАДИОЧАСТОТНЫХ КОАКСИАЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ И ЕГО ПЕРСПЕКТИВЫ
Радиочастотные коаксиальные кабели (РК), безусловно, являются кабелями связи, но в силу присущих им особенностей (конструкций, нормируемых параметров, областей применения и т.п.) выделены в отдельную группу и в кабельном производстве являются отдельным направлением.
Аналогично тому, как в советские времена было принято соотносить уровень производства с 1913 годом, так в производстве радиочастотных кабелей мы можем вести отсчет с 1991 года, когда совокупный объем произведенных кабелей составил 283,2 тыс. км. Начиная с 1992 года, по данным, предоставленным Ассоциацией «Электрокабель», объем производства радиочастотных коаксиальных кабелей в странах СНГ непрерывно падал и достиг своего минимума (30,9 тыс. км) в 1998 году, то есть снизился более чем в 9 раз. После дефолта производство стало медленно восстанавливаться (рис. 5). Обращая внимание на изменения, произошедшие в производстве радиочастотных коаксиальных кабелей за последние годы, следует отметить появление новых производств, непрофильных для тех заводов, где они появились. Это такие предприятия, как «Самарская кабельная компания» (г. Самара) и «Кирскабель (г. Кирс). В то же самое время прекратилось производство коаксиальных кабелей на заводе «Электропровод», на котором эти кабели начали производить впервые в начале 40-х годов.
По имеющимся у Ассоциации «Электрокабель» данным, в России за последние годы значительно возрос импорт радиочастотных кабелей из стран дальнего зарубежья. Так, объем ввозимого кабеля с 15,1 млн. долл. в 2003 году возрос до 27,7 млн. долл. в 2004 году (табл. 7). Как следует из таблицы, за последние три года более чем в 3 раза возрос зафиксированный таможенными органами импорт радиочастотных коаксиальных кабелей из Китая, при этом есть информация о поступлении из Китая кабелей, не прошедших таможенное декларирование.
Рис.5. Объем производства (2), импорта (3) и потребления (1) радиочастотных кабелей
(построено на основании обработки данных, представленных Ассоциацией «Электрокабель»)
Таблица 7
Радиочастотные кабели имеют самую низкую по сравнению с другими группами кабельных изделий ввозную таможенную пошлину – 5 %, и это в значительной мере затрудняет восстановление и развитие отечественного производства. Используя представленные в табл. 7. данные, с достаточной для качественного анализа достоверностью можно подсчитать объем завозимого из зарубежных стран кабеля. Так, из Китая везут в основном кабель типа RG 6 по средней цене 10–15 центов за метр, поэтому ориентировочный объем официально поступившего из этой страны кабеля в 2004 году составил порядка 50–55 тыс. км. Из Германии, Финляндии и частично из США в 2004 году завозились относительно дорогие кабели для сотовых станций мобильной телефонной связи по цене 3,5–4 долл. США за метр, и этот объем можно оценить в 2500–3000 км и т.д. Оцененные таким образом объемы импортируемых кабелей представлены на рис. 5. в виде кривой 3. Используя эти данные, совокупный объем потребления РК можно представить в виде кривой 1 (суммарный объем производимого и завозимого кабеля). Если тенденция с импортом РК сохранится (на рис. 5 этот возможный вариант развития событий показан пунктирной линией), то темпы роста объемов производства в России вряд ли изменятся.
В настоящее время поставщики радиочастотных коаксиальных кабелей из Китая практически заняли наиболее массовый сегмент рынка – это абонентские телевизионные кабели. Основным преимуществом китайских кабелей для нашего потребителя является их относительно низкая цена, которая обусловлена дешевизной рабочей силы в КНР, максимальным удешевлением стоимости материалов конструкции кабеля, где в качестве внутреннего проводника может быть использована сталемедная проволока (стальная проволока, покрытая тонким слоем меди), а оплетка, выполняющая функции внешнего проводника, может быть выполнена из алюминиевых проволок. Надо отметить, что из Китая могут поставляться как коаксиальные кабели с весьма низким уровнем экранного затухания и увеличенными потерями на низких частотах (в силу чрезмерной экономии меди), так и кабели, по качеству не уступающие лучшей продукции европейских производителей. В последнем случае цена качественного китайского кабеля с медным внутренним проводником и относительно плотной оплеткой из медных луженых проволок ненамного ниже европейской. Однако поскольку из Китая ввозят главным образом дешевый кабель, облегчить жизнь отечественным производителям может только увеличение таможенной пошлины на импортируемые радиочастотные коаксиальные кабели и, возможно, введение требований для поставщиков по соответствию кабелей определенному уровню основных нормируемых параметров, аттестации их в независимых сертификационных центрах.
Несмотря на решение таможенных проблем, перспектива развития производства радиочастотных коаксиальных кабелей будет зависеть от конкурентоспособности отечественных кабелей, полноты и широты удовлетворения существующего спроса.
Основная масса радиочастотных коаксиальных кабелей в нашей стране производится по марочным ГОСТам или марочным ТУ, разработанным на основе общих технических требований по ГОСТ 11326.0–78. Четверть века назад указанный ГОСТ вполне соответствовал уровню требований зарубежных стандартов, и в частности стандарту Международной электротехнической комиссии (МЭК). Выпускаемые кабели включают широкий диапазон конструкций: от субминиатюрных с диаметром по изоляции, составляющим доли миллиметра, до крупногабаритных диаметром 75 мм. Большая часть коаксиальных кабелей имеет сплошную полиэтиленовую изоляцию, однопроволочный или многопроволочный внутренний проводник, внешний проводник в виде оплетки медными проволоками и оболочку из полиэтилена или поливинилхлорида (рис. 6).
Рис. 6. Радиочастотные кабели со сплошной полиэтиленовой изоляцией
Эти кабели производят многие кабельные заводы уже в течение длительного времени. Кабели повышенной теплостойкости имеют проводники из медной посеребренной проволоки и изоляцию из фторопласта (рис. 7). Теплостойкие коаксиальные кабели в настоящее время производят два предприятия – ОКБ КП (город Мытищи) и завод «Чувашкабель» (город Чебоксары). Два предприятия – ОКБ КП и «Севкабель–Холдинг» владеют производством полужестких кабелей – коаксиальных кабелей с внешним проводником в виде гофрированной медной трубки. Значительная часть имеющейся номенклатуры радиочастотных коаксиальных кабелей в последнее время производится в ограниченном объеме.
Рис.7. Теплостойкие радиочастотные кабели со фторопластовой изоляцией
В части потребления кабелей наибольший спрос как 10–15 лет назад, так и сейчас приходится на коаксиальные кабели для телевидения, а именно на кабели абонентские, распределительные и субмагистральные. Еще десятилетие назад для сетей кабельного телевидения использовались магистральные кабели, но в настоящее время магистральные линии предпочитают прокладывать оптическим кабелем. Поэтому потребность в магистральном кабеле для систем кабельного телевидения значительно снизилась. В последние годы существует постоянная потребность в кабелях для систем видеонаблюдения. С конца 90-х годов начала бурно развиваться мобильная телефонная связь, что потребовало применения для сотовых станций полужестких радиочастотных кабелей со вспененной полиэтиленовой изоляцией. Однако подобные кабели в СНГ не производятся, поэтому полностью поставляются зарубежными производителями, такими как RFS (Германия), Andru (США), NK-Cables (Финляндия). Кроме того, RFS с целью минимизации своих издержек организовало производство кабелей для фидеров сотовых станций в городе Балабаново Калужской области.
С развитием техники и расширением сферы применения радиочастотных кабелей меняются и требования к ним. Условно частотным диапазоном использования коаксиальных радиочастотных кабелей считалась полоса частот от 1 МГц до 30 ГГц. Поскольку в настоящее время парные симметричные кабели для передачи данных работают на частотах до 1000 МГц, то в новой редакции стандарта МЭК 61196–1 понятие «кабели радиочастотные» трансформировалось в определение «коаксиальные кабели связи». Второе издание стандарта МЭК начало публиковаться с мая 2005 года отдельными частями под общим названием «Коаксиальные кабели связи»:
МЭК 61196–1: Общие технические условия –
Общие положения, определения и требования.
МЭК 61196–1–1: Утверждение и обоснование возможности производства коаксиальных кабелей.
МЭК 61196–1–1ХХ: Методы электрических испытаний.
МЭК 61196–1–2ХХ: Методы климатических испытаний.
МЭК 61196–1–3ХХ: Методы механических испытаний.
МЭК 61196–1–4ХХ: Методы испытаний электромагнитной совместимости.
МЭК 61196–4: Групповые технические условия на излучающие кабели.
МЭК 61196–5: Групповые технические условия на магистральные и распределительные кабели для кабельного телевидения.
МЭК 61196–5–1: Форма частных технических условий (ЧТУ) на магистральные и распределительные кабели для кабельного телевидения.
МЭК 61196–6: Групповые технические условия на абонентские кабели для кабельного телевидения.
МЭК 61196–6–1: Форма ЧТУ на абонентские кабели для кабельного телевидения.
Не все части стандарта еще опубликованы, но в целом можно сказать, что содержание публикуемых документов повторяет основные положения стандарта МЭК 61196–1 предыдущего издания 1995 года с некоторыми изменениями и дополнениями. Из стандарта первого издания исключены парные симметричные кабели, которые представлены в отдельном стандарте МЭК 11801. Если сопоставить общие технические требования и методы испытаний действующего ГОСТ 11326.0–78 со стандартом МЭК 61196, опираясь на первое издание 1995 года и частично вышедшие части издания 2005 года (табл. 8), то даже при беглом рассмотрении требований можно отметить, что в стандарте МЭК сделан упор на методы испытаний применяемых материалов и элементов конструкции кабелей, тогда как в ГОСТе есть специфические требования, которые не нашли отражения в стандарте МЭК, например стойкость к климатическим и биологическим факторам. Особое внимание следует обратить на методы контроля электрических параметров. В стандарте МЭК появились новые параметры, такие как, например, обратные потери при передаче импульсных сигналов различной формы; прописаны три метода контроля эффективности экранирования, что говорит о важности контроля этого параметра при производстве коаксиальных кабелей.
Таблица 8
| Сравнение методов испытаний радиочастотных кабелей | |
| ГОСТ 11326.0–78 | МЭК 61196 |
| Материал и конструкция кабеля | |
| Внешний осмотр Размеры | Внешний осмотр Размеры Овальность Эксцентриситет изоляции Испытание серебряного покрытия Содержание сажи Выделение галогеносодержащих кислотных газов Кислородный индекс Потеря массы ПВХ-пластиката Прочность при растяжении и относительное удлинение после разрыва токопроводящей жилы Прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве токопроводящей жилы (для сталемедных жил) Испытание плакированных медью металлов на скручивание Прочность при растяжении и относительное удлинение для пластмасс Паяемость |
| Механические и теплофизические характеристики | |
| Стойкость к перегибам Стойкость к перемоткам Стабильность размеров (текучесть полиэтиленовой изоляции) | Адгезия изоляции и оболочки Стойкость к изгибу Стойкость к изгибу при низкой температуре Прочность кабеля при растяжении Стойкость к раздавливанию Стойкость изоляции к тепловой деформации Стойкость к тепловому удару Поведение при нагреве (для полужестких кабелей) Стабильность размеров Стойкость к истиранию |
| Стойкость к внешним воздействующим факторам | |
| Стойкость к акустическому шуму Стойкость к синусоидальной вибрации Стойкость к механическому удару одиночного действия Стойкость к механическому удару многократного действия Стойкость к линейному ускорению | Стойкость к растрескиванию под напряжением Испытание на нераспространение горения одиночно проложенного кабеля Испытание на нераспространение горения пучка кабелей |
| Стойкость к климатическим и биологическим факторам | |
| Повышенная температура Пониженная температура Пониженное атмосферное давление Повышенное атмосферное давление Повышенная влажность воздуха Изменение температуры от максимальной рабочей температуры при эксплуатации до пониженной температуры окружающей среды Стойкость к инею Солнечная радиация Соляной туман Стойкость к минеральному маслу, соленой воде и бензину Озоностойкость Стойкость к динамической пыли | Требования не предъявляются |
| Электрические характеристики | |
| Электрическое сопротивление проводников Электрическое сопротивление изоляции Электрическая емкость и емкостная асимметрия Температурный коэффициент емкости (стабильность емкости) Электрическая прочность изоляции и оболочки Частичный разряд в изоляции Среднее значение волнового сопротивления Неоднородность волнового сопротивления по длине Неравномерность волнового сопротивления Коэффициент укорочения длины волны Температурный коэффициент фазы (стабильность коэффициента фазы) Коэффициент затухания Стабильность коэффициента затухания Температурный коэффициент затухания: сопротивление связи (метод триаксиальной линии) Потери на связь Напряжение начала внутренних разрядов в изоляции Номинальная мощность Сопротивление связи | Электрическое сопротивление проводников Электрическое сопротивление изоляции Электрическая емкость и емкостная ассимметрия Стабильность емкости Электрическая прочность изоляции и оболочки Частичный разряд в изоляции – в стадии рассмотрения Среднее значение волнового сопротивления Относительная скорость распространения Электрическая длина и фазовая задержка Стабильность коэффициента фазы Неравномерность волнового сопротивления Коэффициент затухания Искажения передачи Обратные потери при передаче импульсного сигнала Обратные потери при передаче сигнала формы ступенчатой функции Обратные потери при импульсном / ступенчатом сигнале при использовании быстрого преобразования Фурье Номинальная мощность Эффективность экранирования: сопротивление связи (метод инжекционной линии); сопротивление связи (метод триаксиальной линии); проводимость емкостной связи; затухание экранирования (метод поглощающих зажимов); помехи, вносимые при механическом воздействии |
| Указания по установлению пределов сопротивления связи затухания экранирования | |
| Не имеются | Имеются |
Не надо объяснять, насколько важна роль стандарта при разработке, производстве и приемке кабеля. Система, выработанная в советские времена для нормирования параметров при разработке и производстве радиочастотных кабелей, позволяла обеспечивать военно-промышленный комплекс изделиями с «большим запасом прочности». Этот подход был целесообразен, когда не нужно было конкурировать с зарубежными производителями. Яркий тому пример, когда современный потребитель удивляется, что два практически одинаковых кабеля имеют различный уровень потерь: у РК 50–7–11 коэффициент затухания по ГОСТ 11326.4–79 имеет значение 14 дБ/100 м при частоте 200 МГц, а такой же по конструкции кабель RG-213, привезенный из Германии, имеет, по данным поставщика, потери на 20 % меньше. Неужели так все плохо? Берем образец кабеля РК50–7–11 производства Подольского кабельного завода и образец импортного кабеля, проводим испытания и убеждаемся, что кабели имеют абсолютно одинаковый уровень потерь.
Этот пример касается «классических» кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией, разработанных 30–40 лет назад при прежней системе «ценностей», когда запас в 30–50 % при приемо-сдаточных испытаниях казался далеко не лишним.
Надо отметить имевшее место некоторое время назад технологическое отставание отечественных производителей коаксиальных кабелей. Так, большая часть производимых в настоящее время за рубежом кабелей имеют пористую полиэтиленовую изоляцию, полученную по методу физического вспенивания. Данный тип изоляции позволяет снизить потери и цену кабелей, что ставит перед производителями задачу по внедрению новых технологий и конструкций. Первая серия коаксиальных кабелей с пористой полиэтиленовой изоляцией (рис. 8) среди предприятий отрасли была разработана в НПП «Спецкабель» (г. Москва), а их производство с применением технологии физического вспенивания освоено на заводе «Самарской кабельной компании». Сейчас аналогичные кабели производятся в России заводами «Чувашкабель» (г. Чебоксары) и «Кирскабель» (г. Кирс), в Украине заводом «Одескабель». Указанные предприятия обладают современным оборудованием для наложения толстостенной изоляции по технологии «skin-foam-skin», что позволяет производить современные кабели с низким уровнем потерь.
Рис.8. Радиочастотные кабели для систем приема телевидения с пористой полиэтиленовой изоляцией физического вспенивания
Большое значение для радиочастотных коаксиальных кабелей имеет неравномерность волнового сопротивления, которая может быть выражена в единицах КСВн. Данный параметр «чувствителен» к мельчайшим периодическим неоднородностям, возникающим в изоляции и проводниках при изготовлении кабеля. На рис. 9 представлены графики КСВн в диапазоне частот 300 КГц ÷ 3 ГГц для четырех образцов кабелей типа LMR 400, изготовленных на четырех разных предприятиях. Гарантированно, что при прочих равных условиях потребитель предпочтет кабели с более равномерной частотной характеристикой, показанной на графиках 1, 2 и 3, тогда как кабель, изготовленный на четвертом предприятии, будет иметь явные «провалы» в рабочей полосе частот (график 4). Поэтому при производстве коаксиальных кабелей важно уметь контролировать их конструктивные и электрические параметры и иметь возможность влиять на технологический процесс в части исключения периодических неоднородностей.
Рис.9. КСВН однотипных образцов радиочастотных кабелей различных производителей
Самыми непростыми в производстве являются крупногабаритные фидерные коаксиальные кабели, которые используются для передачи сигналов в трактах, соединяющих передатчик с антенной. В базовых станциях сотовой связи, в станциях радио-телевещания, в современных локационных установках необходимы полужесткие кабели со вспененной полиэтиленовой изоляцией и сварными гофрированными внешними проводниками. До настоящего времени такие кабели в России и странах СНГ не производились, но надо полагать, что в ближайшее время этот пробел будет восполнен.
Производство фидерных полужестких коаксиальных кабелей планируется в г. Саранске (ЗАО «Цветлит»), где совместно со специалистами НПП «Спецкабель» разработана новая серия коаксиальных кабелей (рис. 10) с использованием последних технологических достижений фирмы Rosendahl (Австрия), поставившей полный комплекс необходимого оборудования.
Рис.10. Полужесткие радиочастотные кабели со вспененной полиэтиленовой изоляцией
Теперь остается только отвоевать утерянные позиции на отечественном рынке. Поэтому перед производителями встает следующий вопрос: как обеспечить конкурентоспособный уровень вышеуказанной продукции? Решение этой проблемы, по все видимости, невозможно без снижения себестоимости производимых кабелей и выполнения требований международных стандартов [14].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В коаксиальной линии передачи энергии для электромагнитной волны типа ТЕМ нет критических частот, т.е. в коаксиальной ЛП может существовать и постоянное электрическое поле (передача постоянного тока).
2. При частоте
3. Электромагнитное поле в коаксиальной линии существует только между внутренним и внешним проводниками, исходя из этого, помех связанных с внешним электромагнитным полем быть не может. Поэтому коаксиальную линию называют полностью экранированной.
4. Коаксиальную линию можно использовать практически в любых средах и в любой аппаратуре.
5. Существует и ряд недостатков:
На частотах выше нескольких тысяч мегагерц коаксиальные кабели становятся уже малоэффективными, и приходится применять другие линии. Дело в том, что на таких частотах сильно возрастают потери как в проводах экранированной линии, так и в диэлектрике, которым разделены её внутренний и внешний провода.
На коротковолновом участке диапазона сверхвысоких частот невозможно передать по такой линии большую мощность. Она ограничивается напряжением между проводниками, при котором наступает пробой. Это напряжение может быть повышено, пропорциональным увеличением диаметров проводников.
6. В России производство коаксиальных кабелей возрастает, и с ним растёт и их качество. Поэтому можно говорить о конкурентоспособности отечественных производителей среди зарубежных фирм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. – 440 с.
2. Григорьев А. Д. Электродинамика и техника СВЧ: Учеб. для вузов по спец. «Электронные приборы и устройства». – М.: Высш. шк., 1990. – 335 с.
3. Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны. – М.: Советское радио, 1971. – 664 с.
4. Ефимов И. Е., Шермина Г.А. Волноводные линии передачи. – М.: Связь, 1979. – 232 с.
5. Загик С. Е., Капчинский Л. М. Коаксиальные кабели. – М.: Радио, 1959. – 41 с.
6. Изюмова Т. И., Свиридов В. Т. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. – М.: Энергия, 1975. – 112 с.
7. Лобова Г. Н. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие. – Омск: ОмГТУ, 2006. – 132 с.
8. Чернушенко А. М., Петров Б. В. Конструирование экранов и СВЧ - устройств. – М.: Радио и связь, 1990. – 352 с.
9. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1990.
10. www.telesputnik.ru
11. www.secoin.ru
12. www.linga.ru
13. www.radioscanner.ru
14. www.spcable.ru
