Основные требования к линиям передачи

В общем виде требования, предъявляемые высокоразвитой современной техникой электросвязи к междугородным линиям связи, могут быть сформулированы следующим образом:

осуществление связи на расстояния до 12500 км в пределах страны и до 25 000 для международной связи;

широкополосность и пригодность для передачи различных видов современной информации (телевидение, телефонирование, передача данных, вещание, передача полос газет и т.д.);

защищенность цепей от взаимных и внешних помех, а также от грозы и коррозии;

стабильность электрических параметров линии, устойчивость и надежность связи;

экономичность системы связи в целом.

Кабельная линия междугородной связи представляет собой сложное техническое сооружение, состоящее из огромного числа элементов. Так как линия предназначена для длительной работы (десятки лет) и на ней должна быть обеспечена бесперебойная работа сотен и тысяч каналов связи, то ко всем элементам линейно-кабельного оборудования, и в первую очередь к кабелям и кабельной арматуре, входящим в линейный тракт передачи сигналов, предъявляются высокие требования. Выбор типа и конструкции линии связи определяется не только процессом распространения энергии вдоль линии, но и необходимостью защитить расположенные рядом ВЧ цепи от взаимных мешающих влияний. Кабельные диэлектрики выбирают исходя из требования обеспечения наибольшей дальности связи в каналах ВЧ при минимальных потерях.

В соответствии с этим кабельная техника развивается в следующих направлениях:

Преимущественное развитие коаксиальных систем, позволяющих организовать мощные пучки связи и передачу программ телевидения на большие расстояния по однокабельной системе связи.

Создание и внедрение перспективных ОК связи, обеспечивающих получение большого числа каналов и не требующих для своего производства дефицитных металлов (медь, свинец).

Широкое внедрение в кабельную технику пластмасс (полиэтилена, полистирола, полипропилена и др.), обладающих хорошими электрическими и механическими характеристиками и позволяющих автоматизировать производство.

Внедрение алюминиевых, стальных и пластмассовых оболочек вместо свинцовых. Оболочки должны обладать герметичностью и обеспечивать стабильность электрических параметров кабеля в течение всего срока службы.

Разработка и внедрение в производство экономичных конструкций кабелей внутризоновой связи (однокоаксиальных, одночетверочных, безбронных).

Создание экранированных кабелей, надежно защищающих передаваемую по ним информацию от внешних электромагнитных влияний и грозы, в частности кабелей в двухслойных оболочках типа алюминий — сталь и алюминий — свинец.

Повышение электрической прочности изоляции кабелей связи. Современный кабель должен обладать одновременно свойствами как высокочастотного кабеля, так и силового электрического кабеля, и обеспечивать передачу токов высокого напряжения для дистанционного электропитания необслуживаемых усилительных пунктов на большие расстояния.

Расчет преобразователя микроконтроллера с CAN-шиной
Быстрое развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в различных сферах человеческой деятельности, в том числе и промышленности, а так же высочайшая степень сложности выполняемых ими функций являются одними из ос .

Разработка лабораторного макета для исследования RS-триггеров
Устройство, имеющее два устойчивых состояния, называют триггером. В одном из них на выходе триггера присутствует высокий потенциал, в другом — низкий. Аналогично мультивибратору, переход триггера из одного состояние в др .

Линии передачи служат для направления энергии электромагнитной волны от источника (генератора СВЧ энергии) к потребителю, например, от передатчика к антенне, от приемной антенны к входу приемника и т.д. Линии передачи называют также направляющими системами, а электромагнитные волны, распространяющиеся по ним, — направляемыми, в отличие от свободно распространяющихся в пространстве волн.

На рис.3.1 изображены наиболее часто применяемые на практике линии передачи: коаксиальная (а), двухпроводная (б), полосковая (в), микрополосковая (г) и щелевая линии (д), а также копланарный волновод (е), волноводы прямоугольной (к), круглой (з), П- и Н-образной форм (и, к), круглый открытый диэлектрический волновод (л).

Линии передачи можно разделить на два больших класса: открытые линии (бе, л) и закрытые, или экранированные линии (а, жк). В закрытых линиях энергия волны сосредоточена в пространстве, ограниченном металлической оболочкой. В открытых линиях почти вся энергия сосредоточена в непосредственной близости от направляющих проводников или границы раздела сред. Открытые линии подвержены влиянию внешних факторов и, в частности, климатических условий.

По характеру направляемых волн различают линии передачи:

1) с TEM-волной (рис.3.1 а, б, в), которая имеет только поперечные компоненты

2. Линии с волноводными E(TH)- или H(TE)-волнами (рис.3.1,ж,з), электрические волны (E-волны); магнитные волны (H-волны). Волны E- или H-типа распространяются в полых волноводах или в волноводах полностью заполненных однородным диэлектриком.

3. Линии с гибридными или смешанными волнами: либо , где — волновое сопротивление среды. Такие волны могут существовать, например, в волноводах, частично заполненных по сечению диэлектриком.

Рассмотрим основные технические характеристики линии передачи.

Рабочий диапазон частот (диапазонность) — интервал частот, в котором происходит передача электромагнитной энергии с допустимыми потерями без возникновения высших (нерабочих) типов волн. Этот диапазон называется полосой одноволнового режима.

КПД и вносимые потери. Для оценки эффективности линии передачи вводятся коэффициенты передачи по мощности и напряжению .

,

где — КПД линии передачи, равный отношению мощности в нагрузке к мощности на входе линии передачи; — коэффициент отражения по мощности. Если линия согласована , то коэффициент передачи совпадает с КПД, который в этом случае принимает максимальное значение:

,

где l длина линии передачи; — коэффициент затухания по полю ( — коэффициент затухания по мощности).

Вносимое затухание вызывают следующие виды потерь:

джоулевы потери в металлических проводниках линии;

диэлектрические потери при наличии диэлектрика в линии;

потери на излучение (в случае открытой линии, а также при условии не плотного сочленения волноводов);

потери, связанные с преобразованием одного типа волны в другой, которые проявляются в сравнительно протяженной линии передачи, где в качестве рабочей волны выбрана волна высшего типа (а не основная волна);

поляризационные потери, обусловленные, например, одновременным распространением двух ортогонально поляризованных волн.

Под электрической прочностью линии передачи понимают допустимый уровень мощности , переносимой рабочей волной. Обычно , где — предельная мощность, соответствующая мощности, передаваемой по линии передачи в режиме чисто бегущей волны, при которой в какой-либо точке поперечного сечения линии напряженность электрического поля достигает пробивного (предельного) значения ; — коэффициент запаса электрической прочности, . Он учитывает местные неоднородности, увеличивающие концентрацию электрического поля в линии, а также наличие отраженных волн и ряда факторов, влияющих на . К последним относятся: климатические факторы (давление и температура газа, заполняющего линию передачи), состояние ионизации, скважность передаваемых импульсов, порядок несущей частоты и др.

Габариты и вес чрезвычайно важные характеристики при проектировании линий передачи, особенно линий, используемых в бортовых устройствах, а также в микроэлектронике.

Технические требования, предъявляемые к линиям передачи

обеспечивать передачу энергии в заданном диапазоне частот на каком-либо одном типе волны;

иметь по возможности максимальный коэффициент передачи (обычно не ниже 0.7);

обладать достаточной электрической прочностью, обеспечивающей надежную передачу требуемой мощности без искрений, пробоя, а также без перегрева изоляторов или других элементов тракта;

4) иметь по возможности минимальные габариты, вес, надежное сочленение отдельных участков высокочастотного тракта, удобную сборку и демонтаж, а также простую и технологичную конструкцию.

Передача информации при использовании электрической энергии в течение длительного времени осуществляется по открытым проводным линиям связи, однако этот обычный вид передачи энергии в диапазоне сверхвысоких частот используется редко. Ограниченное применение находит и передача волн вдоль однопроводной линии [61, 234, 265]. Такой способ передачи был исследован для канализации энергии на большие расстояния [60] и с этой целью проведен количественный эксперимент на линиях ограниченной длины [59]. Было обнаружено, что в коротковолновом участке сверхвысокочастотного диапазона на передачу энергии оказывают влияние дождевые капли, тогда как в длинноволновом участке становятся весьма большими размеры питающих рупоров. К недостаткам системы относится то, что рупор воспринимает нежелательную энергию, а также явление излучения с неоднородностей, в том числе с изгибов. Поэтому такой вид канализации энергии применяется лишь для специальных целей [262, 276, 300] и только на небольшие расстояния. От указанных недостатков можно избавиться ценой резкого увеличения стоимости за счет перехода на экранированные коаксиальные линии. Обычно коаксиальная линия состоит из внутреннего провода, окруженного внешним цилиндрическим экраном. Хотя воздушные коаксиальные линии и применяются для передачи на небольшие расстояния энергии на частотах до на более высоких частотах применять такие линии уже нецелесообразно из-за сильно возрастающих потерь и неравномерностей волнового сопротивления.

Для передачи сверхвысокочастотной энергии целесообразно применять волноводы, отличающиеся простотой изготовления, надежной экранировкой и небольшим затуханием [260, 261]. В прямоугольном волноводе при возбуждении в нем волны вида будет распространяться только один вид волны. Последнее позволяет вводить в профиль волновода изгибы, острые углы и подвижные элементы. Теоретическое значение затухания медного волновода сечением 58,1 X 29,2 мм равно на частоте на частоте при сечении . В случае использования больших волноводов на более высоких частотах в них могут появиться и другие виды волн и они мало пригодны для

передачи высокочастотной энергии. Поэтому большое внимание было уделено цилиндрическим волноводам (94, 161, 279).

Теоретическое значение затухания медного волновода диаметром 6,54 см на частоте при распространении в нем волны вида равно для волн вида Оба указанных значения меньше соответствующих затуханий в прямоугольном волноводе. Было произведено исследование [94] процесса распространения волны вида в волноводе длиной Величина затухания оказалась на 15% большей теоретической, рассчитанной в основном из-за явления перехода одного вида волн в другой и неровностей поверхности волновода. Уровень энергии волн появляющихся при вышеуказанном переходе, был на

50 дб ниже уровня энергии основного вида волн вида обнаружено не было.

Эффект преобразования вида волн проявлялся в основном в появлении эллиптической поляризации, обусловленной наличием нерегулярности кривизны стенок. Было найдено, что уровень поперечной составляющей, обязанной своим появлением явлению вращения плоскости поляризации на 1—2°, находится в диапазоне от —35 до —55 дб. Амплитуда поперечной составляющей волны изменялась в пределах не более 10 дб даже в том случае, когда волновод при длине прогибался на 20 см. Такие круглые волноводы целесообразно применять при осуществлении коротких линий связи. Возможность же одновременного прохождения по волноводу двух видов волн с разными плоскостями поляризации позволяет получить два независимых канала. Эффект преобразования вида волн можно свести к минимуму путем применения таких систем модуляции, как импульсно-кодовая, или путем разделения двух каналов по частоте. В последнем случае высокая степень изоляции двух по-разному поляризованных волн позволяет заметно ослабить требования к характеристикам частотного фильтра. Волны вида находят применение [161] только в сравнительно коротких линиях связи.

Значительное влияние на процесс канализации энергии оказывают отражения от небольших неоднородностей линии передачи [35, 125]. На практике линии передачи представляют собой совокупность отрезков небольшой длины, точки сочленения которых являются причиной появления отраженных волн. Теоретический анализ и экспериментальные данные указывают на то, что эти отражения в основном некогерентны. В силу вышеуказанного уровень неоднородности желательно сводить к минимуму, а промежуточные секции делать более длинными. Наличие отражений оказывает более сильное влияние на процесс канализации энергии в случае, когда передаче подлежит целый спектр частот [40, 45, 225]. В частности, было произведено исследование [111] влияния двух отражающих неоднородностей, расположенных на противоположных концах длинной линии, на качество частотно-модулированных колебаний. Исследование сводилось к оценке величины [17] частотных искажений видеосигнала на выходе идеального демодулятора.

Полученные соотношения для величины частотных искажений, обусловленных взаимным влиянием каналов друг на друга, были использованы [110] для анализа процессов передачи энергии по линиям значительной длины.

Измерения [94], проведенные в ходе эксперимента с круглым волноводом длиной при распространении в нем волны вида показали, что потери, обусловленные отражением от неоднородностей в линии, находились на уровне дб в диапазоне В состав данного волновода входили концевые подвижные парные элементы. Результаты эксперимента показали [237], что комплексные коэффициенты отражения в крайних точках волновода можно сделать идентичными путем подбора и, следовательно, расположить эти точки оптимальным образом.

Оставьте комментарий