Расчет параметров электромагнитной волны в коаксиальном кабеле марки РК-50-3-11 (стр. 1 из 4)
Курсовая работа
по дисциплине
«Электромагнитные поля и волны»
"РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ В КОАКСИАЛЬНОМ КАБЕЛЕ МАРКИ РК-50-3-11"
Чита 2007
Содержание
Введение
1. Общие сведения
2. Конструкция коаксиального кабеля
3. Электрические процессы в коаксиальном кабеле
4. Электромагнитное поле коаксиальной цепи
5. Основные параметры коаксиального кабеля
7. Применение коаксиального кабеля
8. Расчет основных параметров коаксиального кабеля марки РК‑50–3–11
Заключение
Список литературы
Введение
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. Задача кабельных систем заключается в передаче сигнала на заданное расстояние с требуемой скоростью. При этом кабель должен защищать сигнал от искажений и помех. Все кабели можно разделить на три большие группы: электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP); электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable) и оптоволоконные кабели (fibre optic).
– Витые пары проводов используются в дешевых и сегодня, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов.
– Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку.
– Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.
Развитие телекоммуникационного оборудования содействовало прогрессу в области разработки и производства коаксиальных линий передачи, предназначенных для работы в ВЧ и СВЧ диапазонах.
Основными достоинствами коаксиальной линии являются следующие:
– отсутствие потерь на вихревые токи и джоулево тепло в окружающих металлических частях,
– минимальное мешающее влияние коаксиальной линии на соседние цепи и малая подверженность помехам извне,
– возможность передачи широкого спектра частот сигналов.
1. Общие сведения
Коаксиальная линия передачи (часто используется термин «коаксиальный кабель») представляет собой два металлических проводника цилиндрической формы, расположенных один внутри другого так, что их оси совпадают. Пространство между ними заполнено изолирующим диэлектриком. Внешний проводник окружен непроводящей оболочкой, обеспечивающей защиту от воздействия окружающей среды. Основными достоинствами коаксиальной линии являются следующие:
· отсутствие потерь на вихревые токи и джоулево тепло в окружающих металлических частях;
· минимальное мешающее влияние коаксиальной линии на соседние цепи и малая подверженность помехам извне;
· возможность передачи широкого спектра частот сигналов.
К недостаткам можно отнести малую защищенность от помех в области нижних частот (до 60 кГц).
Электромагнитное поле в коаксиальной линии заключено в пространстве между центральным и внешним проводниками. При передаче по коаксиальному кабелю высокочастотной энергии по проводникам текут переменные токи, которые благодаря скин-эффекту сосредоточены в тонком слое металла (единицы микрометров), причем толщина этого слоя уменьшается с ростом частоты сигнала. Ток, возбуждаемый источником сигнала, протекает по внутренней поверхности оплетки. Токи, создаваемые внешними источниками (помехи), протекают по наружной поверхности оплетки.
Параметрами, характеризующими геометрию коаксиального кабеля, являются:
· диаметр центрального проводника;
· внутренний диаметр оболочки (оплетки);
· наружный диаметр защитной термопластовой оболочки.
Коаксиальные кабели, предназначенные для работы в СВЧ диапазоне, называются еще радиочастотными кабелями.
По ГОСТ 11.326.0–71 радиочастотные кабели разделяются на три типа:
1. РК – радиочастотные коаксиальные кабели,
2. РС – радиочастотные кабели со спиральными проводниками, центральный проводник у них имеет вид проволочной металлической спирали,
3. РД – радиочастотные симметричные кабели, двухжильные или из двух коаксиальных пар.
Последние два вида применяются сравнительно редко.
Для кабелей РК установлены следующие номинальные значения волновых сопротивлений Z
:50, 75, 100, 150, 200 Ом. Наиболее применяются кабели с Z равным 50 и 75 Ом.2. Конструкция коаксиального кабеля
Рис. 1
На рисунке показано устройство коаксиального кабеля. Он состоит из четырех основных элементов:
1. Центральный проводник,
2. Внутренний диэлектрик,
3. Экран,
4. Оболочка.
1. Центральный проводник
Центральный проводник кабеля предназначен для передачи сигнала из одной точки в другую. Его делают из материалов, хорошо проводящих электрический сигнал. Обычно используется медь, которая подходит для этих целей по своим электрическим, механическим и стоимостным параметрам. Другие материалы также могут применяться в каких-то специальных целях. К ним можно отнести алюминий, серебро и золото. Центральный проводник может быть как одножильный, так и многожильный.
2. Внутренний диэлектрик
Внутренний диэлектрик, называемый также внутренней изоляцией кабеля, выполняет в коаксиальных кабелях важную роль. Прежде всего, это материал, который изолирует центральный проводник от экрана.
Обычно в кабелях общего назначения используется полиэтилен, а для производства негорючих кабелей фторсодержащие полимеры.
Вообще, материал диэлектрика играет огромную роль, влияя на электрические и эксплуатационные свойства кабеля. Дешевые кабели имеют диэлектрик из твердого полиэтилена. Более серьезный производитель использует вспененный полиэтилен, который обеспечивает более низкое затухание сигнала в кабеле на высоких частотах.
3. Экран
Экран выполняет две важных роли. Он работает как второй проводник, подключенный к общему заземляющему проводу оборудования. В то же время он экранирует центральный проводник от посторонних излучений. Существуют различные методы экранировки для кабелей, выполняющих различные задачи. Это экран из фольги, плетеный экран и комбинации из фольги и оплетки.
Оплетка – экран, который изготавливается из множества тонких проводников, сплетенных в виде сетки, охватывающей центральный проводник с внутренним диэлектриком. Оплетка обычно обладает меньшим сопротивлением, чем фольга и обладает лучшей устойчивостью к постороннему электромагнитному полю и электромагнитным наводкам. Наводки могут иметь различный характер и происхождение. Это могут быть низкочастотные наводки (например, от промышленной сети питания), так и высокочастотные (ВЧ шум от работы электронных приборов и при искрении электрических машин). Оплетка может сочетаться с другими видами экранов, например, с алюминиевой или медной фольгой для обеспечения необходимого процента экранировки.
Фольга – может обеспечить до 100% экранировки в сочетании с оплеткой. Учитывая, что оплетка может обеспечить эффективность экранировки до 90%, чтобы получить 100% необходимо две оплетки, что существенно увеличивает стоимость кабеля, его вес и ухудшает гибкость. Гораздо более легко добиться 100% эффективности экранировки можно сочетанием оплетки и фольги.
4. Оболочка
Необходимая защита внутренних компонентов кабеля обеспечивает внешняя оболочка. Оболочка защищает кабель от климатического, химического, и воздействия солнечного света. По типу оболочки кабели можно разделить на кабели стандартного и специального исполнения.
3.Электрические процессы в коаксиальном кабеле
Основные уравнения электромагнитного поля – уравнения Максвелла. Запишем закон полного тока:
(1)т.е. циркуляция вектора напряженности магнитного поля
вдоль произвольного замкнутого контура L равна полному току I.Найдем напряженность магнитного поля, продифференцируем выражение (1), получим:
(2)Замкнутый контур L (длина окружности проводника) равен:
L=2πr, (3)
где r – расстояние от центра проводника.
Тогда уравнение примет вид:
(4)Способность коаксиальной пары пропускать широкий спектр частот конструктивно обеспечивается коаксиальным расположением внутреннего и внешнего проводников. Особенности распространения электромагнитной энергии по коаксиальной паре обусловлено возможностью уплотнения в широком спектре частот и ставят высокочастотные связи в преимущественное положение по сравнению с низкочастотными. Взаимодействие электромагнитных полей внутреннего и внешнего проводников коаксиальной пары таково, что внешнее поле равно нулю.