книги из ГПНТБ / Гроднев, И. И. Линейные сооружения связи учебник

На рис. 1.12 приведен сравнительный частотный график коэф­ фициента затухания симметричного (СК) и коаксиального (КК) кабелей, волновода (В) и световода (С).

3.45. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПО ЛИНИЯМ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ

Одной из разновидностей направляющих систем передачи высокочастотной энергии, получившей применение в последнее время, является линия поверхно­

стной волны — ЛПВ.

Линия поверхностной волны представляет собой одиночный металлический провод, покрытый изоляцией. Изготовляемая в настоящее время ЛПВ имеет стандартизованный биметаллический провод диаметром 4 мм и полиэтиленовую оболочку толщиной 3 мм. Общий диаметр провода — 10 мм (рис. 3.72). Провод ЛПВ обычно подвешивается на воздушной столбовой линии (рис. 3.73). ЛПВ возбуждается с помощью рупора, показанного на рис. 3.74.

Рис. 3.73. Подвеска ЛПВ на воздушной линии

Распространение электромагнитной энергии по ЛПВ происходит следующим образом. Известно, что -в области сверхвысоких частот глубина проникновения поля в провод ничтожно мала и вся энергия распространяется фактически в диэлектрике, окружающем этот провод. Провод служит направляющим рельсом передачи энергии.

Если бы провод находился в воздушном пространстве (без диэлектрика), то поле заполняло бы это пространство на большом удалении от провода. При

— 192 —

Рис. 3.74. Рупор возбуждения ЛПВ

Рис. 3.75. Внешнее поле:

а) одиночного неизолированного про­ вода; б) линии поверхностной волны

наличии изоляционного покрытия из диэлектрика с е>.1 поле концентрируется а этом диэлектрике вблизи провода и имеет ограниченный радиус удаления (рис. 3.75). Чем толще слой диэлектрика и больше диэлектрическая проницаемость, тем сильнее концентрация поля у провода. Но одновременно с увеличением

Внешнее поле ЛПВ с ростом частоты уменьшается, так как происходит более сильная концентрация поля в диэлектрике вблизи провода и радиус действия внешнего поля уменьшается.

На рис. 3.76 и 3.77 показана частотная зависимость затухания (а) и внеш­ него поля (W) линии поверхностной волны. Для сравнения здесь же показаны значения а и W для одиночного неизолированного провода из меди.

Из графиков видно, что затухание ЛПВ больше, чем затухание неизоли­ рованного провода. Внешнее поле неизолированного провода с ростом частоты

ЗАТУХАНИЕ а И ВНЕШНЕЕ ПОЛЕ W ЛПВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДИАМЕТРАХ ПО ИЗОЛЯЦИИ

•ч

Рис. 3.78. Частотная зависимость потерь в ЛПВ при различ­ ных диаметрах медных проводов

— 194 —

следует, что с увеличением толщины изоляции затухание возрастает, а внешнее

затухание в диэлектрике и лишь 25% — затухание в металле. И вообще с уве­ личением О роль внутреннего провода убывает, сводясь в конце концов лишь к роли элемента, поддерживающего тип волны, но почти не участвующего в переносе энергии.

По ЛПВ распространяется волна типа ТМ. Для передачи обычно исполь­ зуется диапазон частот 200-Н800 МГц. Длина усилительного участка по ЛПВ диаметром 10 мм составляет порядка ТО км.

На рис. 3.78 приведены характеристики затухания ЛПВ с полиэтиленовой изоляцией при различных частотах и различных диаметрах проводов.

Оценивая линию поверхностной волны в целом как направляющую систему передачи высокочастотной энергии, следует отметить, что ЛПВ является откры­ той системой и поэтому подвержена всевозможным помехам; кроме того, зату­ хание в ней происходит за счет потерь в металле, диэлектрике и потерь на излучение. ЛПВ уступают волноводам по частотным возможностям использова­ ния, по затуханию и помехозащищенности.

Основными достоинствами ЛПВ являются простота конструкции и деше­ визна изготовления. В соответствии с этим ЛПВ отводится лишь роль антенно­ фидерных линий, а также телевизионных линий связи на ограниченные расстоя­ ния порядка до іІОО км для устройства телевизионных ответвлений от магист­ ральных кабельных и радиорелейных линий.

ЛПВ целесообразно применять также на магистралях связи с периодиче­ ским ответвлением каналов по трассе (автомагистрали, трубопроводные линии и др.).

3.46. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭНЕРГИИ

Основные показатели различных направляющих систем пере­ дачи высокочастотной энергии сведены в табл. 3 .1 8 . Из табли­ цы видно, что по частотному диапазону использования наиболее широкие возможности открывают волноводы и световоды, а так­ же коаксиальный кабель. Весьма ограниченный диапазон имеют симметричные цепи. Воздушные линии и симметричные кабели за­ нимают диапазон не выше 105Ч - 1 0 6 Гц. Коаксиальные цепи маги­ стральной связи и телевидения используются в диапазоне до ІО8 Гц, а по антенно-фидерным коаксиальным кабелям передаются мет­ ровые, дециметровые и реже сантиметровые волны (до ІО9 Гц). Примерно в этом же частотном диапазоне ( 1 0 8-7 -1 0 9 Гц) исполь­ зуются линии поверхностной волны и полосковые линии. Волно­ воды занимают сантиметровый и, главным образом, миллиметро­ вый диапазон волн (101 0 -=-ІО11 Гц). Световоды работают в оптиче­

СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

— 196 —

Продолжение

197

обеих этих конструкциях как закрытых системах отсутствуют по­ тери на излучение (аи). Затухание диэлектрического волновода со­ стоит из а д и аю а потерь в металле нет. В световодах, кроме по­ терь в среде (поглощение и отражение в линзах, в воздухе), име­ ются дифракционные потери, связанные с геометрической неод­ нородностью реальных систем. Остальным линиям свойственны все три вида потерь (ссм + а д + а и ) .

Сопоставляя приведенные системы по наличию внешнего элек­ тромагнитного поля и защищенности от взаимных и внешних по­ мех, можно признать, что в наивыгоднейших условиях находятся коаксиальная цепь и волновод. Эти конструкции являются полно­ стью экранированными закрытыми системами, не имеют излуче­ ния и свободны от взаимных и внешних помех.

Из таблицы видно, что коаксиальные и симметричные, а также полосковые линии работают на основной волне, имеющей попе­ речное электромагнитное поле (ТЕМ). Эти линии — двухпровод­ ные и определяющими в них являются токи проводимости в ме­ талле (Іаѵ). По металлическим и диэлектрическим волноводам,, а также линиям поверхностной е о л н ы передаются волны высшего порядка (ТЕ и ТМ), обусловленные токами смещения в диэлек­ трике (7СЫ). Эти линии имеют один лишь полый или сплошной провод, который выполняет роль направляющего рельса передачи высокочастотной энергии.

Сравнивая различные линии по допустимой мощности переда­ чи, следует признать, что лучшие данные у металлического волно­ вода, затем идет коаксиальный кабель и, наконец, полосковая ли­ ния и симметричная цепь.

Сравнительная- технико-экономическая эффективность различ­ ных направляющих систем может быть охарактеризована стоимо­

Сравнивая приведенные системы в целом, можно признать, что в сумме показателей наилучшими системами являются коаксиаль­ ная цепь и волновод. Основным достоинством их является отсут­ ствие внешнего электромагнитного поля и малое затухание в ши­ роком диапазоне частот. Коаксиальный кабель используется для дальней связи и телевидения в диапазоне 10-ь60 МГц, а также в в радиочастотной технике в качестве фидерных устройств до

1000 МГц.

Волноводы эффективны как для междугородной связи, так и для антенно-фидерных устройств в диапазоне сантиметровых и, главным образом, миллиметровых волн. Наилучшим средством пе­ редачи широкополосной информации является металлический вол­ новод ів сочетании с поперечно-электрической волной Н01 (по-дру­ гому ТЕоі). Такой волновод позволяет получить большое число те­ лефонных и телевизионных каналов.

Линии поверхностной волны используются в качестве антен­ но-фидерных устройств. Они иногда применяются в качестве ли­ нии передачи телевизионных программ на ограниченные расстоя-

— 198 —

Стоимость 1 пан-мм

)

ЛПВ — 200^-800 МГц. Основной их недостаток — плохая помехоза­ щищенность и зависимость передачи от атмосферных условий. Дог стоинство — простота и дешевизна конструкции.

Диэлектрические волноводы не получили широкого примене­ ния Известно лишь их применение в сантиметровом диапазоне в антенно-фидерных устройствах. Передача осуществляется при по­ мощи дипольных волн. Недостатком диэлектрических волноводов является наличие открытого внешнего поля.

Полосковые линии в последнее время получили широкое при­ менение в печатных схемах радио- и проводной аппаратуры. До­ стоинством этих линий является простота изготовления и малога­ баритность конструкций; недостатком — наличие внешнего поля. По этому параметру полосковые линии существенно хуже коакси­ альной цепи и волновода. Ограниченное применение полосковые линии могут получить также при устройстве фидеров радиотехни­ ческих станций.

Световоды могут рассматриваться как перспективное средство передачи широкополосной информации в узконаправленном луче

—199 —

оптического диапазона (5+-9)-101 4 Гц. Однако работы в области световодов еще не получили практической реализации, так как имеется ряд трудностей, связанных с фокусировкой луча внутри трубы и созданием световодных трактов с малыми потерями в оп­ тических кабелях.

Симметричные цепи (воздушные линии и симметричные кабе­ ли) получили широкое применение для устройства дальних и ме­ стных связей в ограниченном диапазоне частот (как правило, до 1 МГц). Этим цепям свойственны все недостатки открытых сис­ тем — большие потери энергии и плохая защищенность от взаим­ ных и внешних помех.

Из рис. 3.79 видна вполне обоснованная закономерность сни­ жения стоимости одного канало-километра связи с увеличением числа каналов. В этом плане имеется прямая связь между эконо­ мичностью системы и ее широкополосностью. Поэтому самой де­ шевой является связь по волноводу, затем радиорелейная линия и коаксиальный кабель и, наконец, самой дорогой является связь по воздушным линиям.

Ниже приведена сравнительная технико-экономическая эффек­ тивность наиболее широко применяемых в настоящее время нап­

Из приведенных данных очевидна высокая эффективность ко­ аксиальных кабелей и радиорелейных линий.

— 200 -

Целесообразность применения тех или иных типов линий свя­ зи во мьогом зависит от потребного числа каналов связи и телеви­ дения на проектируемой магистрали, а также от принятых систем уплотнения, соотношения стоимости кабеля и аппаратуры и от других факторов. Однако если раньше считалось, что коаксиаль­ ные кабели по сравнению с симметричными эффективны, начиная с 500 каналов связи и больше, то с появлением малогабаритных ■коаксиальных кабелей существенно расширилась область эффек­ тивности коаксиальных систем и становится целесообразным их применять, уже начиная с 1 2 0 каналов связи.

На магистралях с очень большой пропускной способностью

(свыше 20 000—30 000 каналов) преимущество сохраняется за вол­ новодами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как классифицируются электромагнитные поля?

2 . Особенности электромагнитного поля в ближней и дальней зонах.

3.Дайте физическое объяснение уравнений Максвелла.

4.Дайте вывод уравнения однородной линии.

5.Вторичные параметры линий связи.

6 . Объясните особенности свойств неоднородных линий.

7. Физический смысл поверхностного эффекта и эффекта бли­ зости.

8 . Методика вывода формул активного сопротивления и индук­ тивности: воздушной линии, коаксиального кабеля и симметрич­ ного кабеля.

9. Методика определения емкости и проводимости изоляции ли­ ний связи.

10.Какие электрические процессы происходят в коаксиальных кабелях?

11.Какие существуют оптимальные соотношения проводников

вкоаксиальных кабелях?

12 . К чему приводят неоднородности в коаксиальных линиях?

13.Какие физические процессы происходят в волноводах? Классификация и структура волн в волноводах.

14.Затухание и скорость распространения волн в волноводах. Критическая частота передачи.

15.Какие особенности свойственны волне Н01 в цилиндриче­

ских волноводах?

16.Конструкции и использование линий поверхностной волны.

17.Использование оптического диапазона волн для передачи сигналов связи по световодам.

18.Конструкции линзовых световодов и оптических кабелей, частотный диапазон и принцип их действия.

19.Дайте сравнение различных направляющих систем переда­ чи (воздушные линии, симметричные кабели, коаксиальные кабе­

ли, волноводы, световоды, линии поверхностной волны).

—201 —