Физические свойства высокочастотных линий. Основные определения и классификация кабелей. Параметры линии

1. Лекция №4

• Физические
свойства
высокочастотных
линий
• Основные
определения и
классификация
кабелей
• Параметры линии

2. Физические свойства высокочастотных линий

Для передачи максимальной мощности необходимо
согласовать сопротивление генератора Ri ( например,
оконечного каскада передатчика) с сопротивлением
потребления Rа (скажем, антенны). В аналогичном
согласовании нуждается и антенный фидер. Его волновое
сопротивление Z должно быть равно и Ri , и Rа :
Ri = Z = Rа
В
случае
такого
согласования
потери
энергии
при
передаче
ограничивается потерями в
меди и диэлектрике кабеля.

3.

Распределение напряжения в двухпроводной
линии
Если к концу двухпроводной линии без потерь
подключить нагрузочное сопротивление Rа ,
соответствующее волновому сопротивлению линии Z, то
передаваемая мощность будет полностью поглощена
сопротивлением Rа . При этом напряжение (а также и
ток) во всех точках линии окажутся одинаковыми.
Пример такого согласования показан на рис.
Распределение напряжения в линии при
согласовании

4.

Если удалить нагрузочное сопротивление, то на открытом
конце линии сопротивление току окажется бесконечно
большим (Rа = ).
Волна, посланная передатчиком к концу линии, не найдет
там потребителя и потом полностью отразится к исходной
точке. Тем самым в линии формируются прямая и обратная
волны. Поскольку время пробега линии волнами конечно, они
накладываются друг на друга, интерферируют, и на отрезке
фидера длиной L появляются максимумы и минимумы
напряжения, причем на разомкнутом конце всегда образуется
максимум напряжения, аналогичные соображения применимы
и к распределению тока. Протекание тока на разомкнутом
конце невозможно, потому там всегда минимум тока. Благодаря
этому максимум напряжения в линии соответствует минимуму
тока и наоборот, то есть напряжение и ток сдвинуты по фазе на
900. В соответствии с синусоидальной формой тока и
напряжения их максимумы и минимумы сменяют друг друга
через λ/4. Такое распределение тока и напряжения называются
стоячими волнами.

5.

Распределение напряжения в разомкнутой линии
При наличии отраженных волн всегда возникает
стоячая волна. Напряжение в каждой точке лини
является векторной суммой напряжений прямой и
обратной волн. При этом полное сопротивление в
произвольной точке лини равно отношению
напряжения к току.

6.

Согласование лини выражается коэффициентом стоячей волны (КСВ):
U max
s
U min
Где Umax и Umix - наибольшее и наименьшее напряжения в
линии соответственно, так что всегда s ≥ 1.
Если линия согласована, в ней возможна только прямая
волна, поскольку на нагрузочном сопротивлении Rа отражения
не происходит. В этом случае КСВ составляет s = 1.
Величина, обратная коэффициентом стоячей волны s,
называется коэффициентом бегущей волны (КБВ) m:
m
(всегда m ≤ 1).
U min
U max

7.

При коротком замыкании на конце линии максимумы
напряжения в ней смещаются на λ/4 относительно своих
положений в разомкнутой лини, поскольку на нулевой
нагрузке (Rа = 0) напряжение равно нулю.
Распределение напряжения в короткозамкнутой линии
Холостой ход и короткое замыкание являются предельными
ситуациями в линии передачи энергии. Они проявляются в том, что
через каждые λ/2 в линии следует четкие нулевые точки.

8.

Если сопротивление нагрузки Rа превышает волновое сопротивление
линии Z, отражение оказывается неполным, так как более или менее
значительная часть энергии потребляется нагрузкой. Лишь «избыток»
энергии, который не может потреблен на нагрузке Rа из – за ее величины,
связанной с рассогласование (Rа > Z), отразится обратно к источнику и
породит стоячие волны. Но теперь отношение максимального и
минимального напряжений, то есть КВС, будет гораздо меньше своего
значения при котором замыкании или на холостом ходу, и нулевые точки
исчезнут.
Распределение напряжения в линии при рассогласовании

9.

Случай Rа < Z. На конце линии появляется минимум. Величину отраженной
составляющей характеризует коэффициент отражения:
Ra
1
r Z
Ra
1
Z
или
Ra Z
r
Ra Z
В случае чисто активного сопротивления нагрузки Rа (без
реактивной составляющей) коэффициент отражения r также активен.
Он положителен при Rа > Z и отрицателен при Rа < Z. В общем
случае r является комплексной величиной.

10.

Существуют следующие зависимости между размерными
коэффициентами m, r, и s:
s
1 r
1 r
( s 1... )
r
m
1 r
1 r
( m 0...1)
1 m s 1
( r 0 1 или 0 100%)
1 m s 1
При чисто реактивной нагрузке линии (емкостной или индуктивной)
преобладает то же распределение напряжения, что и на холостом ходу или
при коротком замыкании, поскольку реактивная нагрузка лишь отражает, а
не расходует энергию. Она сдвигает распределение напряжения вдоль
проводника настолько, чтобы напряжение на конце линии соответствовало
напряжению на конденсаторе или катушке.

11.

Наряду с активным сопротивлением, генератор и потребитель
часто характеризуется реактивной составляющей. Реактивное
сопротивление обозначается буквой Х со знаком «плюс»
(индуктивное сопротивление, или ХL) либо «минус» (емкостное
сопротивление, или ХС). Реактивные составляющие оконечного
каскада передатчика устраняются разными способами
согласования.
Реактивные
составляющие
входного
сопротивления антенны возникают, когда она не находится в
состоянии резонанса с возбуждающей частотой. В этом случае
следует или добиться резонанса путем изменения длины
антенны, или скомпенсировать емкостную реактивную
составляющую
индуктивностью
и
наоборот.
Полное
согласование осуществимо лишь при компенсации реактивных
составляющих.

12. Основные определения и классификация кабелей

Кабелем связи называется конструкция, состоящая из нескольких
изолированных и скрученных определенным образом токопроводящих жил
заключенных в общую защитную оболочку.
Состоит из металлической токопроводящей жилы (ТПЖ) – это
первичный элемент конструкции кабеля.
В зависимости от конструкции и расположения ТПЖ различают:
- симметричные;
- коаксиальные.
Коаксиальная цепь образована различными по конструкции и
электрическим характеристикам ТПЖ, изолированными друг от друга, но
имеющими совпадающие геометрическую и электрическую оси.
Симметричная цепь состоит из двух одинаковых по конструкции ТПЖ,
имеющих одинаковые электрические характеристики.
Кабели связи имеющие в своем составе симметричные цепи
называют симметричными кабелями.

13.

В стационарных симметричных кабелях ТПЖ представляют собой
сплошной медный провод, а в полевых – скручена из отдельных медных
проволок
Назначение скрутки заключается в обеспечении:
- взаимного перемещения ТПЖ при сгибах кабеля,
- обеспечении кабелю устойчивой круглой формы,
-уменьшении электромагнитных влияний между соседними цепями
(взаимных влияний) и внешних влияний.
Передача ЭМЭ по симметричным кабелям характеризуется двумя
явлениями:
- распространение энергии вдоль цепи
- взаимный переход энергии между цепями

14. Параметры линии

1. R - сопротивление, которое испытывает переменный ток,
проходя по цепи. R – характеризует потери энергии в
металлических частях кабеля на вихревые токи.
2. L - характеризуется отношением магнитного потока внутри ТПЖ
и между ними к току, создавшему этот поток.
3. C - емкость конденсатора, где роль обкладок выполняют
поверхности ТПЖ, а диэлектриком служит расположенный
между ТПЖ изоляционный материал.
4. G - характеризует количество изоляции ТПЖ.
5. Коэффициент распространения ЭМЭ γ – характеризует
затухание энергии и сдвиг фазы в цепи кабеля длиной 1 км,
является комплексной величиной и может быть представлен
суммой действительной и мнимой ее частей:
γ = α + jβ;
α – коэффициент затухания
β – коэффициент фазы
Связь между коэффициентом затухания и величинами ток,
напряжение и мощность на входе кабеля и соответственно на
выходе определяется формулами:

15.

U0
20 lg
Ue
U0
lg
Ue
Нп = 8,689 дб ;
I0
P0
20 lg
10 lg
Ie
Pe
I 0 1 P0
lg
lg
I e 2 Pe
дб/км
Нп/км
1дб = 0,115 Нп
6. Затухание согласованно нагруженной цепи кабеля длиной L называют собственным
затуханием, которое определяется как произведение коэффициента затухания на
длину линии.
W
7. Волновое сопротивление в
Это сопротивление, которое встречает ЭМВ при
распространении вдоль согласованной нагрузочной цепи. Оно свойственно данному
типу кабеля и зависит его первичных параметров и частоты передаваемого тока.
8. Скорость распространения – ЭМЭ зависит от параметров цепи, частоты тока.

16.

Вторичные рабочие параметры
1. Рабочее затухание цепи – это затухание цепи длиной L км, измеренное при
реальных нагрузках. По своей физической природе рабочее затухание состоит из
двух – собственного затухания цепи и дополнительного затухания за счет
отражения сигнала в несогласованной нагрузке:
a р ae a * l a
2. Входное сопротивление Z вх - это сопротивление измеренное со стороны
входа цепи нагруженное на противоположном конце на реальную нагрузку.
Z вх Z волновое

17.

Параметры влияния
1. Электрическая связь – отношение наведенного тока I 2 в цепи
подверженной влиянию, к разности потенциалов
во влияющей
U1
цепи
I2
K12
U1
2. Магнитная связь - отношение ЭДС наведенной в цепи,
подверженной влиянию, к току , во влияющей цепи :
M 12
E2
I1