3 Электродинамика направляющих систем

4 Закон сохранения энергии в электромагнитном поле. Теорема Умова-Пойтинга

5 Кабели с индуктивно - увеличенной индуктивностью

6 Физические основы передачи электромагнитной энергии по оптическим волокнам

7 Оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления

Магистральная первичная сеть связи страны на данном этапе развития базируется на использовании кабельных, радиорелейных и спутниковых линий связи. Кабельные линии связи, обладающие высокой защищенностью каналов связи от атмосферных влияний и различных помех, эксплуатационной надежностью и долговечностью, являются основой сети связи республики; по кабельным сетям передается до 75% всей информации.

В настоящее время наиболее распространенными являются коаксиальные кабели, которые позволяют передавать достаточно мощные пучки связи различного назначения.

По коаксиальным кабелям работают как аналоговые , так и цифровые системы передачи . Тем не менее, металлические кабели обладают существенными недостатками: ограниченная полоса пропускания частот; большая вероятность грозового поражения; дорогое содержание антикоррозийного оборудования; большое потребление цветных металлов (кабельная промышленность потребляет до 50% меди и до 25% свинца от общих ресурсов); наличие большого количества промежуточных усилительных пунктов - приводит к снижению надежности системы и ее удорожанию 1

.Возможность резкого увеличения объема передаваемой информации наиболее полно реализуется в результате применения волоконно-оптических кабелей связи, которые по сравнению с такими широко распространенными средствами, как спутниковая связь и радиорелейные линии, имеют значительно более широкую полосу пропускания.

Применение оптического кабеля целесообразно и экономически эффективно на всех участках взаимоувязанной сети связи. Это не только значительно повышает технико-экономические показатели систем передачи, но и обеспечивает возможность поэтапного перехода к цифровым сетям интегрального обслуживания (сети ISDN). Особенно актуально внедрение ВОЛС именно сейчас, когда во всем мире ощущается острый дефицит цветных металлов, особенно меди.

Лекция 1 Современные направляющие системы передачи

кабель связь оптический волокно

Цель лекции: ознакомить студентов с современными направляющими системами передачи высокочастотной энергии

Современные направляющие системы передачи

Направляющая система- симметричные, коаксиальные кабели волоконно- оптические кабели и т. д ., то есть такая система,в которой распространение сигналов в них от одного абонента ( станции . устройства и так далее ) к другому абоненту осуществляется только по специально заданным цепям и трактам линий связи.

Направляющие системы предназначены для передачи электромагнитных сигналов в заданном направлении с должным качеством и надежностью .

ЕСТ - единая автоматизированная система связи (общегосударственная сеть связи страны). Она объединяет магистральные, зоновые и городские сети связи. Составными частями ЕСТ являются: общегосударственная автоматизация коммутированная телефонная сеть ОАКТС или СТОП; телеграфная сеть страны ТГ; общегосударственная сеть передачи данных (ОГСПД); сеть факсимильной связи ФС; сеть телевизионного вещания ТПВ.

Современные направляющие системы передачи высокочастотной энергии

разделяются на- воздушные ЛС, симметричные кабели(СК), коаксиальные(КК),волноводы(В), световоды (С),оптические кабели (ОК), радиочастотные кабели и так далее.

Линии связи:

1 Радио - РЛ, РР, СЛ.

2 Проводные (направляющие ЛС) - ВЛ, КЛ(СЛ, КЛ), В и С(В и С)

Область применение линий линий связи- международные, местные - ГТС, СТС.

Междугородняя связь- магистральные и зоновые линии связи

Проводные системы делятся на: наземно-воздушные и подземно-кабельные.

Системы построения сети связи.

Сеть связи включают в себя устройство передачи информации (каналы); устройства коммутации каналов; оконечное устройство.

Сеть связи подразделяется на первичную и вторичную.

Первичная сеть связи- совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В состав ее входят линии и каналообразующая аппаратура.

Вторичная сеть связи состоит из каналов одного назначения (телефонная, телеграфная), которая образуется на базе первичной сети. Включает в себя коммутационное оборудование, узлы, оконечные пункты и каналы, выделенные на первичной сети.

Варианты построение сети:

- узловое; радиальное ; радиально-узловое.

Рисунок 1- Варианты построения сетей

Основная система связи передачи реализуется в виде телефонного канала шириной 4 кГц. (на базе 0,3-0,4 кГц), этот канал называется - каналом тональной частоты.

Таблица1-Цифровые системы передачи

Принципы организации международной связи по кабельным линиям.

1. На международных линиях связи организуется по 2-х и 4-х проводным схемам. При 2-х проводной схеме передача осуществляется в прямом и обратном направлении по одной паре проводов. При 4-х проводной схеме передача в прямом направлении осуществляется по одной паре, а в обратном по другой паре. Если сравнивать обе схемы то по числу организуемых каналов обе схемы равно цены.

2. По взаимно - защищенности преимущество за 2-х проводными схемами.

3. По устойчивости и дальности связи преимущество за 4-х проводными схемами

Основные требования ,предъявляемые к линиям связи.

1.Дальность связи- в пределах страны до 12500 км,. за пределами страны до 25000 км.

2.Широкополосность и пригодность для передачи различных видов информации.

3.Защищенность цепей от взаимных и внешних полей от грозы и коррозий.

4.Стабильность электрических параметров надежность и устойчивость линии.

5.Экономичность систем связи.

Типы линии: радиолинии, радиорелейные линии ,спутниковые линии, кабельные линии, воздушные линии.

Используемый диапазон частот:

105 Гц - воздушные;106 Гц - симметричный;108 Гц - коаксиальный (магистральная связь);109 Гц - коаксиальный (антенна - фидерные тракты);109 Гц - сверх проводящие кабели коаксиальной системы;1011 Гц - волноводы;1014 Гц - световоды

Радиолинии используют диапазон длинных, средних и коротких волн.

РРЛ - на волнах прямой видимости, дециметровых (0,3 … 3 ГГц), сантиметровый (3 … 10 ГГц).

Лекция 2 Конструкция и некоторые характеристики кабелей связи

Цель лекции: дать характеристику кабелей связи ; ознакомить студентов с их конструкцией

Конструкция и некоторые характеристики кабелей связи

Кабель - это электротехническое изделие, содержащее изолированные проводники и объединенные в единую конструкцию , заключенную в единую металлическую, пластмассовую оболочку и защитные покровы.

По конструкции кабели делятся на симметричные и коаксиальные. Симметричный кабель состоит из 2-х совершенно одинаковых электрических и конструктивных изолированных проводников. Коаксиальный кабель - это два цилиндра, с совмещенной осью, один цилиндр сплошной проводник концентрически расположен внутри другого.

Маркировка- это система условных обозначений ,отражающих при помощи букв и цифр основные классификационные признаки и конструктивные особенности кабеля.

Материал и структура изоляции.

Материал-воздушно-бумажная изоляция; .кордельно-бумажная,. кордельно- стирофлексная,;пористо - полиэтиленовая,. балонно - полиэтиленовая,.шайбово- полиэтиленовая

Рисунок 2- Симметричный и коаксиальные кабели

Оболочка бывает металлическая и пластмассовая. Металлическая - свинец, алюминий и т.д.

Первые буквы: одна или две буквы определяют назначение или область применения. Городские телефонные кабели: всегда присутствует буква Т. Городской телефонный кабель с полиэтиленовой изоляции - ТПП. С кордельно - бумажной и пористой оболочкой-Т3, Т3ПП. Для сельской связи - КСПП. -одночетверочный кабель сельской связи с полиэтиленовой изоляций.

Кабель КМ - магистральный коаксиальный. МК - магистральный симметричный.

Последние 1 или 2 буквы обозначают род защитного покрова.

Г - голый о свинцованный кабель.

С - стальной кабель.

Б - бронированный кабель.

Если присутствует буква Р - принадлежность провода к радио связи.

КМГ, КМБ, КМК - коаксиально магистральные кабели.

Международный симметричный кабель свинцовой оболочки с кордельно - бумажной изоляцией МКГ, МКБ, МКК.

Проводники - токопроводящие жилы из меди и алюминия с удельными сопротивлениями :

Удельный вес: для

Диаметр жил:

= 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 мм.

= 1,15; 1,55; 1,8 мм.

1-гибкие, 2-сплошные, 3-биметаллическая, 4 -многопроводная жила (подводный).

Рисунок 3- Конструкции жил

Изоляция - это диэлектрик, с абсолютной диэлектрической проницаемостью

> ,

, .

Угол потерь - - характеризует высокочастотные потери

В качестве диэлектрика используются : кабельная бумага из сульфатной целлюлозы; бумажный кордель; полистирол (стирофлекс) ;жидкий стирол; полиэтилен;пористый - полиэтилен.

Типы изоляции:

-трубчатая, кордельная, сплошная, пористая, баллонная, шайбовая, спиральная, кордельно - трубчатая.

Отдельные жилы скручиваются в группы, которые называют элементами симметричного кабеля. Скрутка устраняет электромагнитную связь между цепями и повышает защищенность от взаимных и внешних полях.

1. Виды скруток изолированных проводников в группы: повивная и пучковая

- -

Рисунок 4 - Виды скруток (парная, звездная, двойная парная, двойная звездная ,восьмижильная)

1 Парная скрутка -две изоляционные жилы скручивают вмести в пару с шагом скрутки не менее 300 мм. (шаг - линейное расстояние скрутки).

2 Звездная скрутка -- 4 изоляционные жилы расположены по углам квадрата скручивается с шагом не более 250-300 мм.

3 Двойная парная -- две предварительно свитые пары скручивается между собой в четверку, шагом - 200 мм.

4 Двойная звезда -- четыре предварительно свитые пары вновь скручивается по способу звезды образуя восьмерку. Шаг 250-300 мм.

5 Восемь жил - располагаются концентрически вокруг сердечника из изоляционного материала. Шаг - 300мм.

Группы располагается последовательными - концентрическими слоями (повивы), вокруг центрального повива, состоящего из 1-5 групп. Диаметр центрального повива определяется:

,

где d - диаметр группы, n - число групп центрального повива. В каждой паре или четверке жилы должны иметь изоляцию разного вида. Сочетания этих цветов - расцветка. Защитные оболочки - броня.

Междугородние коаксиальные кабели.

Один из самых распространенных:

1 кабель - КМ - 4(2,6/9,5).

2. малогабаритный кабель - МКТ-4 (1,2/4,6).

3. комбинированный кабель - КМ 8/6 (2,1/9,7), где 4, 8/6 - число коаксиальных пар. В числителе- число коаксиальных пар - внутренние.жилы, в знаменателе-- внешние.

Зоновые (внутриобластные) кабели.

имеют медные жилы диаметром 1,2 мм.

МКСШ - малогабаритный ,диаметр жил 1,5 мм.

Первая пара четверки состоит из жил синего, зеленого цвета. В центре четверки находится полистирольный кордель с d=1,1 мм. Имеет алюминиевую оболочку толщиной = 1мм.

Городские телефонные кабели.

ГТС подразделяются по назначению: абонентские, делающие связь от станции АТС к абонентам и соединительные. Соединительные связывают АТС между собой и междугородняя станцию МТС. Для ТПВ используется и кабели междугороднего типа МКС - , коаксиальный МКТ -4.

Абонентские телефонные кабели различаются:

а) с бумажной изоляцией;

б) с пластмассовой изоляцией.

Городские кабель имеет парную скрутку с шагом скрутки 100 мм и повивную скрутку .

Сельские кабели.

Кабели сельской связи подразделяются на межстанционные и абонентские. Для межстанционной связи применяются одно-и двухчетверочные кабели типов КСПП-1Х4 и КСПП-2Х4 для цифровых систем передачи ИКМ-15,ИКМ-30 . Дальность связи на межстанционнцых соединительных линиях достигает 100км. Токопроводящие жилы кабеля КСПП имеют диаметры 0.9 и1.2мм.

Кроме одночетверочных кабелей на СТС находит применение однопарный кабель ПРППМ-1Х2 ,чаще с медными жилами диаметрами 0.8;0.9;1.2мм,с полиэтиленовой изоляцией и оболочкой. Перспективными для организации СТС являются абонентские кабели с биметаллическими( алюмомедными жилами диаметром 0,5 и0,9 мм)и влагостойким гидрофобным заполнением. Они имеют маркировку ТППЗ и емкостью 5Х2и 10Х2.

Сельские кабели - имеют упрощенную структуру вида: одной четверки или одной пары.

Лекция 3 Электродинамика направляющих систем

Цель лекции: ознакомить студентов с электродинамикой направляющих систем связи

Электродинамика направляющих систем

Направляющие системы требуют для описания своих процессов решения уравнений классической электродинамики и уравнений Максвелла. Применяется методы теории цепей и лучевой оптики.

Электрическое поле характеризуется силовым воздействием на неподвижные, а также на движущиеся заряды. Магнитное поле - характеризуется силовым воздействием на движущиеся заряды.

; . ,

где В- индукция магнитного поля, Н- напряженность магнитного поля

закон Ома в дифференциальном виде,

где - проводимость электромагнитного поля.; Е- напряженность электрического поля

Закон полного тока в дифференциальной форме.

Закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме.

-

где Ф- магнитный поток;

S- площадь контура охватываемого потоком

Плотность тока:

В правую часть уравнения1 подставляем плотность полного тока

Получены уравнения Максвелла в дифференциальной форме..

Уравнения Максвелла характеризуют взаимосвязь всех полей. Любое изменение электромагнитного поля во времени ведет к изменению магнитного я.

- данное уравнение характеризует непрерывность магнитных силовых линий.

полная система уравнений электромагнитного поля

- объемные электромагнитные заряды

Граничные условия.

 (на границе раздела двух диэлектриков с разными диэлектрическими проницаемостями равны касательные составляющие векторов электрической напряженности).

на границе раздела двух диэлектриков равны нормальные составляющие векторов электрического смещения.

На границе раздела двух сред с разными электрическими проводимостями равны касательные составляющие векторов электрической напряженности и нормальные составляющие векторов плотности токов

На границе раздела двух сред с разными магнитными проницаемостями равны касательные составляющие векторов магнитной напряженности и равны нормальные составляющие векторов магнитной индукции.

Граничные условия , первое и второе уравнения Максвелла составляют полную систему уравнений электромагнитного поля.

Полная система уравнений электромагнитного поля для гармонических сигналов.

;

1-ое уравнение Максвелла в дифференциальной форме.

- 2-ое

уравнение Максвелла- для гармонических воздействий.

Для направляющих систем для решения задач электродинамики, необходимо знать продольные составляющие .

Берем 1-ое уравнение Максвелла.

(*), от левой и правой части берем rot.

(**)

,

Используя уравнения

.,

- уравнение Гельмгольца.

Проделав аналогичные операции со 2-ым уравнением Максвелла, мы получаем такое же уравнение только для вектора.

- уравнение Гельмгольца.

Теперь делаем замену в этих уравнениях, вводя параметр (волновое число среды).

дифференциальные уравнения 2-го порядка.

· -набла, Лапласиан

Для продольных составляющих ;

Лекция 4 Закон сохранения энергии в электромагнитном поле. Теорема Умова-Пойтинга

Цель лекции: показать студентам энергетические соотношения в электромагнитном поле, ознакомить с теоремой Умова-Пойнтинга

Закон сохранения энергии в электромагнитном поле

Теорема Умова-Пойтинга.

вектор Пойнтинга, который выражает собой поток электромагнитной энергии в единицу объема сквозь замкнутую поверхность, охватывающую данный объем.

Энергия электрического поля

Энергия магнитного поля-.

.

Электромагнитная энергия:

1-ая формула теоремы Умова-Пойтинга.

,.

где ds - это элемент поверхности -S , ограниченной объемом V. Изменение электромагнитной энергии сопровождается возникновением потока и выделением тепла. Левая часть характеризует расход электромагнитной энергии в единицу времени, правая часть указывает, на что расходуется энергия, 1-ое слагаемое - это поток электромагнитной энергии через замкнутую поверхность объема V в окружающее пространство. 2-ое слагаемое это энергия внутри объема, преобразуемая в тепло в единичном времени.

П - это вектор Пойтинга -количество энергии, распространяемой в единицу времени через площадь, перпендикулярную направлению потока энергии.

.

Режимы передачи по направляющим системам.

1.Статический режим.

2.Стационарный режим.

3.Квазистационарный режим.

4.Волновой и оптический режим.

5.Электродинамический режим.

Определения:

Статический режим - соответствует объемным статистическим зарядам, и относятся к процессом электростатики.

Стационарный режим - случаи перекачки энергии по проводникам постоянного тока, который индуцирует магнитное поле, электрическое поле не индуцируется.

Квазистационарный режим - почти что стационарный режим, для которого (воздушные линии, коаксиальный кабель, симметричный кабель).

Волновой и оптический режим -начинают преобладать токи смещения.

Электродинамический режим - это режим высоких частот и коротких волн, когда учитывается токи смещения и токи проводимости.

Теория направляющих систем

В симметричных цепях наблюдаются следующие эффекты:

1.Эффект близости.

2.Вихревые токи.

3.Поверхностный эффект.

Параметры передачи без учета потерь ( первичные и вторичные параметры)

Первичные параметры симметричного кабеля:

Передача энергии по симметричным цепям ( с учетом потерь).

- в этих двух формулах присутствует функции Бесселя.

где d - диаметр проводника;

k - функция, зависимая от частоты;

R0 - это сопротивление постоянному у

При других видах скрутки :

сопротивление переменному току

где H - коэффициент укрутки;

Р - коэффициент учитывающий вид скрутки.

Н - принимает значение: 1,021,07.

Р=2 -парная скрутка.

Р=5 - для звездной скрутки.

Индуктивность симметричной цепи

Емкость и проводимость изоляции симметричной цепи.

С учетом близости соседних пар и влияния наружной металлической оболочки емкость для различных видов скрутки.

,

- поправочный коэффициент, учитывающей близость металлической оболочки проводников ; - относительная диэлектрическая проницаемость .

Проводимость между проводами

Вторичные параметры симметричного кабеля

Волновое сопротивление

,

где а - это расстояние между геометрическими осями.

Коэффициент затухания и коэффициент фазы

или

Лекция 5 Кабели с индуктивно - увеличенной индуктивностью

Цель лекции: показать способы снижения затухания в симметричных кабелях, используя способ пупинизации; рассмотреть параметры передачи сигналов по коаксиальным кабелям связи

Кабели с индуктивно - увеличенной индуктивностью.

Коэффициент затухания

1-ое слагаемое-затухание в металле; 2-ое слагаемое- затухание в диэлектрике.

Искусственно, через определенные расстояния, называемые шагом ,будем включать катушку индуктивности , с целью уменьшения коэффициента затухания. Данный способ называется пупинизацией.

Катушка сделана следующим образом : кольцеобразный сердечник, замкнутый,обматывается медным изолированным проводником, а сам сердечник сделан из феррита.

Шаг пупинизации и индуктивность пупинизированной катушки изменяются в следующих пределах:

Расчет пупинизированных цепей для полосы пропускания производится по формулам:

Коэффициент затухания для участка пупинизации

Теория направляющих систем для коаксиальных кабелей

Коаксиальный кабель.

Первичные параметры.

Волновое сопротивление:

Сопротивление:

Индуктивность

;

Емкость:

Тангенс угла диэлектрических потерь:

Проводимость:

Вторичные параметры.

Коэффициент фазы:

Длина волны

скорость распространения:

коэффициент затухания

,

где а, а - магнитная и диэлектрическая проницаемости материала диэлектрика, ra и rb - радиусы внутреннего и внешнего проводников, - коэффициент проводимости, k = 2/ - волновой вектор свободного пространства. Например: коаксиальный кабель кабель КМ-4 имеет 4 - коаксиальные пары, 5 - симметричных звездных четверок.

Рисунок 5- Коаксиальный кабель КМ-4

Каждая коаксиальная пара состоит из внутреннего медного проводника диаметром 2,6мм, а внешняя медная трубка -9,5мм. Кабель имеет свинцовую оболочку.. По данному кабелю можно организовать две системы К-1920, К-3600 и цифровые ИКМ-480 и ИКМ-1920. максимальная дальность связи - 12500 км.

Способность коаксиальной пары пропускать широкий спектр частот конструктивно обеспечивается коаксиальным расположением внутреннего и внешнего проводника. Особенности распространения электромагнитной энергии по коаксиальной паре обусловливают возможность передачи широкого спектра частот и ставят высокочастотные связи в преимущественное положение по сравнению с низкочастотными.

В реальных условиях проводники имеют конечную проводимость и создают дополнительные потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть учтены по закону Умова-Пойтинга , характеризующему радиальный поток энергии, направленный внутрь коаксиального кабеля.

Лекция 6 Физические основы передачи электромагнитной энергии по оптическим волокнам

Цель лекции- ознакомить студентов с физическими основами передачи электромагнитной энергии по оптическим волокнам

Отражение и света на границе преломление раздела двух диэлектрических сред