Коаксиальные линии

Содержание

1.Введение            3

2.Конструкция коаксиальных кабелей        5

3.Требования к кабелям                12

4.Основные параметры коаксиальных  кабелей             14

5.Входной контроль кабельной  продукции             19

6.Расчёт аттенюатора на коаксиальных  линиях            24

7.Заключение                  28

8.Список литературы                29 

1. Введение

Однако к конструкциям кабелей для систем телевидения предъявляются особые требования. Во-первых, от радиочастотных кабелей для систем телевидения требуется, по возможности, минимальное затухание. Известно, что стоимость кабелей увеличивается пропорционально уменьшению коэффициента затухания, которая компенсируется магистральными усилителями. При достаточно большом количестве усилителей при конечной длине линии можно найти оптимальные размеры кабеля, при которых при заданных параметрах усилителя стоимость кабельной сети в целом будет минимальной.

Очень важно обеспечение высокой стабильности кабелей. Наиболее существенной дестабилизирующий  фактор – это изменение температуры  окружающей среды, а также изменение  влажности, различные механические нагрузки. Очень важно в СКТВ требование высокой регулярности (однородности) волнового сопротивление кабеля, определяющей искажения телевизионного сигнала. Требуемые параметры к  высокой регулярности могут быть получены только при весьма жестких  допусках на диаметры внутреннего и  внешнего проводников. Конструкция  кабелей для СКТВ должна обеспечивать особенности прокладки и монтажа  РК, которые, как правило, связаны  с допустимыми радиусами изгибов, перемотками кабеля и допустимыми  растягивающими усилителями.

Исходя  из указанных и ряда других требований, внутренний проводник РК, который  вносит затухания существенно большее чем внешний проводник, выполняется сплошным, из меди.

В специальных кабелях для СКТВ внешний проводник из оплетки  не применяется, т.к. он существенно  увеличивает затухания на высокой  частоте и не обеспечивает требуемого затухания экранирования. Поэтому  для уменьшения затухания кабеля, увеличения экранирования коаксиальной цепи от внешних высокочастотных  полей, сохранение достаточной гибкости РК и т.д. внешний проводник изготавливается в виде сплошных медных гофрированных или гладких трубок или ленту. Для получения высокой однородности по волновому сопротивлению, исключению проникновения влаги внутрь кабеля, обеспечение высокого сопротивления изоляции в качестве изоляционного материала обычно применяется пористый пропилен. Оболочки кабелей выполняются из светостабилизированного полиэтилена.

В зависимости от функционального  применения все кабели для СКТВ обычно подразделяются на: магистральные, распределительные, абонентские. В соответствии  с указанными требованиями отечественной промышленностью была разработана и выпускается серия радиочастотных кабелей специально для СКТВ. Все они имеют волновое сопротивление 75 Ом. Для субмагистральных и магистральных линий используются кабели типа РК-75-17-13С и РК-75-11-11С, для распределительных – РК-75-7-19 и для абонентских – РК-75-4-11 Наряду с этим используются целый ряд других типов кабелей с аналогичными параметрами.

2. Конструкция коаксиальных кабелей

Основным элементами любого коаксиального  кабеля являются внутренний проводник, изоляция, внешний проводник и  оболочка.

Внутренний проводник

Внутренний проводник радиочастотных кабелей, как правило, изготовляется  из медной отожженной проволоки. Кроме  того, используются медные луженые, медные серебреные, сталемедные (биметаллические), сталемедные серебреные и алюминиевые  проводники.

Рис. 1. Элементы коаксиального кабеля

Луженая проволока применяется на температурах от 100 до 150°С. Толщина покрытия должна составлять от 2 до 7 микрон. Удельное электрическое сопротивление олова в 8 раз больше, чем меди, но олово обладает большей стойкостью против коррозии. Поэтому кабель с луженым внутренним проводником имеет большую стабильность характеристик во времени.

Медь при 200°С и выше окисляется. Образующаяся при этом пленка окислов меди непрочно связана с основой. При изгибах кабеля она отслаивается и засоряет изоляцию. Кроме того, окисление меди приводит к уменьшению сечения проводника, особенно на поверхности внутреннего проводника (электрическое сопротивление медной проволоки диаметром 0,86 мм при 450°С в течение 840 ч возрастает на 14%). В условиях герметизации существенного окисления меди не происходит до 300 °С. В незащищенном состоянии применение медного внутреннего проводника допустимо при температурах не выше 150°С. Для защиты медной проволоки от окисления и повышения стабильности кабелей поверхность ее серебрят. Серебрение медной проволоки производится обычно для кабелей, работающих при температуре до 250 °С (кабели с изоляцией из фторопласта-4). Кроме защиты от окисления, серебряное покрытие обеспечивает уменьшение сопротивления проводника. Для этого необходимо, чтобы слой покрытия был не меньше глубины проникновения тока в рабочем диапазоне частот. Так как глубина проникновения обратно пропорциональна частоте, то для высокочастотных кабелей достаточно толщины покрытия от 10 до 15 мк для того, чтобы ток протекал в поверхностном слое серебра.

Наиболее распространенной конструкцией внутреннего проводника радиочастотных кабелей является одиночная сплошная круглая проволока (рисунок 2, а). Для повышения гибкости и увеличения вибростойкости внутренний провод радиочастотных кабелей изготавливается многопроволочным, скрученным из семи, 19 и более проволок (рисунок 2, б, в).

Рис. 2. Конструкции внутреннего  проводника радиочастотных кабелей

Для повышения механической прочности  радиочастотных кабелей внутренний проводник изготавливается из биметаллической  проволоки (стальной сердечник с  медным покрытием) (рисунок 2, г). Биметаллическая  проволока имеет предел прочности 600-900 Н/мм2. За счет поверхностного эффекта ток проникает на меньшую глубину, чем толщина медного слоя проволоки, и практически биметаллический проводник работает, как сплошной медный. Серебрением биметаллической проволоки достигается понижение ее электрического сопротивления.

Внутренний проводник сверхпроводящих  радиочастотных кабелей изготовляют  из ниобия или его сплавов. Внутренний проводник радиочастотных кабелей  нормируют по его внешнему диаметру.

Изоляция кабелей

Радиочастотные кабели изготавливаются  со сплошной, воздушной и полувоздушной  изоляцией. Выбор того или иного  типа определяется в основном электрическими характеристиками, причем главными требованиями являются получение минимальных  потерь в изоляции и заданного  значения волнового сопротивления.

Сплошная изоляция. Под сплошной изоляцией понимается такая изоляция, в которой весь промежуток между внутренним и внешним проводами заполнен твердым изоляционным материалом. Сплошная изоляция может быть однородной или состоять из двух или нескольких слоев с одинаковыми или различными свойствами.

Основным видом изоляции радиочастотных кабелей в настоящее время  является полиэтилен, обладающий стабильностью  электрических характеристик в  широком диапазоне частот, достаточной  механической прочностью и простотой  технологии наложения на провод.

Кабели с повышенной стабильностью  электрических характеристик, предназначенных  для работы в диапазоне сверхвысоких частот, изготавливаются из чистого  стабилизированного полиэтилена для  работы при температурах от минус 60 до плюс 85 °С.

Для изоляции кабелей, предназначенных  для длительной работы при температуре  до 200°С и кратковременной до 300°С, применяется политетрафторэтилен (фторопласт-4). Изоляция из политетрафторэтилена в интервале от 250 до 290°С мало изменяет свои электроизоляционные и механические свойства. При дальнейшем повышении температуры до 327°С наблюдается быстрое ухудшение свойств (второе фазовое изменение политетрафторэтилена). При снижении температуры электроизоляционные свойства восстанавливаются.

Радиочастотные кабели, предназначенные  для работы в условиях повышенной гибкости, в которых требования к  электрическим характеристикам  невысоки, изготовляют с резиновой  изоляцией. Ввиду низких характеристик  кабелей с резиновой изоляцией  их изготовляют в незначительных количествах только для старых радиоэлектронных установок.

Кабели со сплошной изоляцией изготовляют  на волновое сопротивление 50 Ом (с отклонением  от 2 до 5 Ом), 75 Ом (с отклонением от 3 до 5 Ом) и 100 Ом (с отклонением от 5 до 10 Ом в зависимости от диаметра по изоляции).

Воздушная изоляция. Под воздушной изоляцией понимается изоляция, при которой на внутреннем проводнике через определенные интервалы насажены изоляционные детали в виде шайб различной конфигурации, колпачков и т.п. Промежутки всюду заполнены воздухом.

За последнее время кабели с  шайбовой и колпачковой изоляцией вытесняются кабелями со спиральной изоляцией. Поверх внутреннего провода накладывается спираль из полиэтилена с определенным шагом, обматывается полиэтиленовой лентой в качестве бандажа и заключается в алюминиевую оболочку, являющуюся одновременно внешним проводником.

Полувоздушная изоляция. Полувоздушная (воздушно-пластмассовая) изоляция представляет собой каркас из пластмассы, пустоты в котором заполнены воздухом. В поперечном разрезе воздушно-пластмассовая изоляция имеет не менее одного оплошного твердого слоя изоляционного материала. Чем больше содержание воздуха в объеме изоляции кабеля, тем ниже его эквивалентная диэлектрическая проницаемость.

Наиболее распространенной конструкцией воздушно-пластмассовой изоляции радиочастотных коаксиальных кабелей являются нить из полиэтилена или политетрафторэтилена, наложенная по спирали на внутренний проводник, и трубка поверх этой спирали.

К полувоздушной изоляции относится  также пористая полиэтиленовая или  полистирольная изоляция, накладываемая  на внутренний проводник сплошным слоем. При нагреве такой изоляции в  результате разложения порообразующего вещества происходит бурное выделение газообразных продуктов с образованием большого количества пор, заполненных газом. В результате применения полиэтилена повышенной чистоты и введения в него азота получается изоляция, не уступающая воздушной изоляции в форме спирали.

Кабели с полувоздушной изоляцией  изготовляют на волновое сопротивление 50±2,0 Ом, 75±(3÷5) Ом, 100±(5÷10) Ом и 150±10 Ом (в  зависимости от диаметра по изоляции).

Внешний проводник

Идеальной формой внешнего проводника является цилиндр, обеспечивающий наименьшие потери в кабеле. Недостатком сплошной трубы является ее жесткость, не позволяющая  изготавливать кабель в больших  длинах и транспортировать его на барабанах. Поэтому радиочастотные кабели с внешним проводником  из медной трубы изготовляют короткими  длинами с фланцевым их соединением.

Основная серия радиочастотных кабелей с полиэтиленовой изоляцией  изготавливается с внешним проводником  в виде оплетки из медной, медной луженой или медной серебреной проволоки. Внешний проводник кабелей (оплетку) можно изготовлять из медной ленты  шириной, равной ширине пасмы проволок. В любом сечении кабеля допускается пропуск пасмы проволок длиной не более четырех шагов при условии сохранения в месте пропуска пасмы проволок противоположного направления. Сращивание оплетки или отдельных пасм не допускается. Оплетка должна плотно облегать изоляцию.

Исследованы температурные изменения  физической длины радиочастотных коаксиальных кабелей с полиэтиленовой изоляцией  с внешним проводником – оплеткой медными проволоками. При нагревании кабеля его физическая длина увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Объясняется  это изменением объема изоляции при  нагревании, воздействующим на оплетку. Противодействие оплетки изменению  объема изоляции зависит от угла ее наложения. Оплетка, наложенная под  углом более 40°, за счет малого шага получается практически несжимаемой  в радиальном направлении, но легко  растягивается. При большем шаге достигается малая способность  к растягиванию, но облегчается увеличение объема изоляции в радиальном направлении (за счет изменения диаметра).

При заданной плотности оплетки  существует область углов наложения  оплетки, при которых в процессе нагревания образец кабеля практически  не изменяет свою длину. Таким свойством  обладает кабель в оплетке, наложенной под углом 40до45°. Изменяя параметры  оплетки, можно влиять на характер изменения  длины кабеля при нагревании. При  охлаждении все образцы независимо от конструкции оплетки укорачивают  свою длину. Это связано со снятием  внутренних напряжений, возникших во время изготовления кабеля. Кабель в оплетке, наложенной под углом 60°, после трех циклов нагрева имеет  наибольшую усадку, а в оплетке  под углом 40 и 70° наименьшую. Таким  образом, оплетка, наложенная под углом 45°, является устойчивой механически  и сохраняет стабильность после  нагрева и охлаждения кабеля.

Для повышения экранирования особо  ответственных кабелей и защиты от коррозии внешнего проводника на него накладывают вторую оплетку проволокой такого же диаметра, как и первая. Специальные радиочастотные кабели изготовляют со слоем изоляции поверх внешнего проводника, экраном и дополнительной третьей оплеткой.

Оболочка кабеля

Радиочастотные кабели предназначены  для эксплуатации в самых разнообразных  условиях. Для предохранения изоляции и внешнего провода от старения, влаги, воздействия различных химических веществ и растворителей большинство  кабелей снабжается оболочками и  защитными покровами. Материал и  конструкция защитных покровов радиочастотных кабелей выбирается в зависимости  от вида изоляции, требуемой гибкости и внешних условий, при которых  будет эксплуатироваться кабель. Наиболее распространено применение оболочек из стабилизированного и пигментированного  полиэтилена, поливинилхлоридного  пластиката, резины.

Большинство радиочастотных кабелей  с полиэтиленовой изоляцией (в том  числе из пористого полиэтилена) изготавливается в оболочке из поливинилхлоридного  пластиката. Пластикат для этих оболочек должен содержать пластификаторы с  минимальной склонностью к миграции в полиэтиленовую изоляцию.

Для кабелей с изоляцией из лент фторопласта-4 часто применяют комбинированную  защитную оболочку, состоящую из повива лент фторопласта-4 и оплетки из стекловолокна, пропитанной кремнийорганическими лаками.

Радиочастотные кабели, предназначенные  для стационарной длительной эксплуатации и для работы в установках, требующих  герметичности, изготовляют в металлической  оболочке из алюминия или свинцового сплава.

Кабели, предназначенные для внутриприборного монтажа, могут изготовляться без оболочки и защитных покровов поверх внешнего проводника. Некоторые типы кабелей поверх внешнего проводника оплетают хлопчатобумажной пряжей, шелком, пластмассовыми нитями или стекловолокном.

3. Требования к кабелям.

Коаксиальные  кабели относятся к категории  элементов, параметры которых в  значительной степени определяют возможности  системы в целом. В связи с  этим кабели должны обладать достаточно низким затуханием при высокой стабильности частот в рабочем диапазоне частот, высокими однородностью волнового сопротивления и экранным затуханием, механической прочностью и стойкостью к воздействию окружающей среды, высокой экономичностью и технологичностью изготовления.

Перечисленным требованиям удовлетворяет широкая  номенклатура кабелей, которые условно  разделим на 3 категории:

• магистральные, используемые для подачи сигналов от головной станции до субмагистральных линий;
• распределительные, применяемые в субмагистральных линиях и линиях домовой сети;
• абонентские, предназначенные для подключения оконечных устройств.

Таблица 1- Категории кабелей в зависимости  от затухания

Основным  параметром, определяющим категорию  кабеля, является затухание, значение которого тесно связано с его  диаметром. Обычно в качестве магистральных  используемых используются кабели с  диаметром внутренней изоляции 14…22 мм, распределительных с диаметрами 9…13 мм и абонентских – менее 5 мм. В зависимости от затухания кабели делят на категории в соответствии с таблицей 1.

В этой же таблице приведены допуски  на отклонение значений волнового сопротивления  от номинального 75 Ом.

К числу наиболее важных параметров кабелей  относятся затухание экранирования, от значения которого зависит отношение  сигнала к наведенной помехи. Установлено, что при создании систем в районах  с напряженностью поля 100мВ/м требуются  кабели с затуханием экранирования  не менее 60 дБ.

4. Основные параметры коаксиальных  кабелей

Коаксиальные  кабели характеризуются рядом параметров, которые могут быть разделены  на параметры стандартизации, конструктивные, технологические, электрические, механические, климатические, параметры надежности и качества. В группу параметров стандартизации включается марка кабеля, номер технических условий. Конструктивные параметры – это описание материалов, размеров и массы отдельных элементов. К  электрическим относятся первичные  и вторичные параметры передачи, параметры экранирования. для радиочастотных коаксиальных кабелей наиболее важны  электрические параметры: волновое сопротивление Z_в, коэффициент затухания a, электрическое сопротивление проводников R, электрическое сопротивление изоляции R_из, электрическая емкость С, индуктивность С, сопротивление связи Z_с, коэффициент отражения, коэффициент стоячей волны (КСВ), неравномерность частотных характеристик затухания и фазы. Для расчета конструкции кабеля, определения его максимальных возможностей помимо диаметра по изоляции и волнового сопротивления надо знать эквивалентную диэлектрическую проницаемость, диаметр внутреннего проводника. Характерные значения эквивалентной диэлектрической проницаемости: для сплошной полиэтиленовой изоляции 2,2…2,3, для пористой полиэтиленовой 1,5.

В СКТВ широко применяются кабели с полужесткими, полугибкими конструкциями внешних проводников. При этом существующая система маркировки кабелей представляется не совсем удачной.

Для кабелей, стандартизированных МЭК, установлены следующие правила  маркообразования: сначала учитывается номер стандарта: 96 МЭК (96 IEC), затем волновое сопротивление, округленно диаметр по изоляции и порядковый номер конструкции при данных присоединительных параметрах.

Пример: МЭК 9675-5-1. В указанном примере  конструктивные схемы могут быть различны, но в маркировке это не отражается. Следовательно, такая система маркообразования имеет тот же недостаток, что и принятая ГОСТ 1326.0-78.

Во  многих стандартах наибольшую известность  получила система стандартов MIL-C-17, состоящая из двух разделов:

• общие требования и методы испытания MIL-C-17-F;
• частные спецификации на отдельные маркоразмеры кабелей.

Пример: М17/152-00001. Здесь М17 – индекс стандарта; 152- трехзначный порядковый номер  использования по техническим условиям.

Данная  система чисто порядковая – в  марке отсутствуют особенности, определяющие электрические и конструктивные признаки кабеля. Все зарубежные фирмы-производители  радиочастотных кабелей поставляют кабели в соответствии с требованиями MIL-C-17.

Радиочастотные кабели используются не самостоятельно, а  в комплекте с оборудованием  СКТВ. Это особенность комплектующих  изделий и приводит к необходимости  стандартизации присоединительного параметра. Указанный параметр – важнейший  показатель, указывающий на возможность  соединения кабеля как с активной (усилителем), так и с пассивной (ответвителями, разветвителями) аппаратурой КТВ. В понятие «присоединительный параметр» входят волновое сопротивление и диаметр по изоляции. Последний определяет ряд параметров кабеля и прежде всего такие важные, как коэффициент затухания и номинальная мощность. фактически из стандартизированного ряда используются коаксиальные кабели со следующими значениями диаметра по изоляции, мм: 3,7; 5,6; 7,25; 9,0; 11,5; 13,0; 17,3 ; 24,0.

При проектировании и эксплуатации систем необходимо располагать значениями параметров кабелей. Приведем формулы  для расчета основных характеристик  и справочные материалы по кабелям, используемые РС.

Волновое сопротивление  Z_в= .

Для коаксиального кабеля коэффициент затухания, дБ/км:

,  

Для кабелей с проводниками, выполненными из меди, коэффициент  затухания, дБ/км:

,                                     

где D₁ – диаметр внутреннего проводника, мм;

D₃ - внутренний диаметр внешнего проводника, мм;

m_а, m_в – магнитная проницаемость материала диэлектрика;

f – частота, Гц;

r _а, r _в – удельное сопротивление материалов соответственно внутреннего и внешнего проводников;

tg d - тангенс угла диэлектрических потерь материала изоляции.

Температурная зависимость  коэффициента затухания:

,                                                    

где a₂₀ – коэффициент затухания при температуре 20 °С, дБ;

a_a - температурный коэффициент затухания;

t -  рабочая температура, °С.

Значения температурного коэффициента затухания приведены  в таблице 2. Экранное затухание А_э=20 lg (1/1,03*10⁴*Z_св), дБ, где Z_св – сопротивление связи.

Таблица 2 - Значения температурного коэффициента затухания

Модуль сопротивления  связи обычно нормируют по частоте 30 МГц, зависимости сопротивления  связи для кабелей, имеющих внешний  проводник из оплетки и медной ленты, приведены на рисунке 1.

Коэффициент укорочения определяется диэлектрической проницаемостью диэлектрика  и составляет 1,51 для кабелей со сплошным полиэтиленом и 1,23 – с пористым.

Рис. 3 - Зависимость от частоты сопротивления связи кабелей с внешними проводниками: 1 – из медной ленты; 2 – из оплетки

Для магистральных и  распределительных  кабелей значения затухания приведены в таблице 2, где указаны также значения температурного коэффициента затухания.

Следует отметить, что в  соответствии с вышеприведёнными формулами зависимость коэффициента затухания кабелей пропорционально . Это позволяет рассчитать затухание кабеля при нормировании его лишь на одной частоте. пусть известно, что на частоте f₁=200 МГц затухание отрезка кабеля a₁ = 50 дБ. Требуется найти его затухание на частоте f₂=100 МГц. В соответствии с (1) искомое значение =33,5 дБ. Температурная зависимость коэффициента затухания кабелей определяется (3). на рисунке 4 приведены зависимости коэффициента затухания магистрального кабеля длиной 1 км при разных температурах. На частоте 50 МГц изменение затухания этого кабеля составляет 3,2 дБ, а на частоте 200 МГц 7 дБ, т.е. разность изменений затухания в диапазоне температур –50…+50С равна 3,8 дБ.

Рис. 4. - Характеристики затухания магистрального кабеля  при разных температурах

5. Входной контроль кабельной  продукции

До начала монтажных  работ кабельная продукция должна быть подвергнута входному контролю. Кабели, не имеющие соответствующей документации, к входному контролю не допускаются. Кабели подвергаются внешнему осмотру и проверки на соответствии сопроводительной документации. У всех 100% кабелей при разработке, выпуске и эксплуатации должны быть измерены следующие параметры: конструктивные размеры; сопротивление проводников (на постоянном токе); сопротивление изоляции (на постоянном токе); электрическая емкость (на частоте 1 кГц); волновое сопротивление (на частоте 1 …200 МГц); коэффициент затухания (на рабочей частоте); сопротивление связи (на частоте 30 МГц); коэффициент укорочения длины волны; коэффициент отражения (в полосе рабочих частот).

Измерение параметров высокочастотных  кабелей рекомендуется проводить  на частотах 2, 10, 15, 30, 45, 60, 200, 600, 1000 МГц. при необходимости измерения  параметров выполняются в полосе частот, определенной технической документацией.

Нормы на параметры кабелей, используемых в СКТВ, крупных СКПТ, приведены в таблице 

Таблица 3 - Нормы на параметры  кабелей, используемых в СКТВ, крупных  СКПТ

Примечание. В таблице  для кабелей типа ТВК – кабели телевизионные, предназначенные для  использования в магистральных (ТВК 75-11) , распределительных (ТВК 75-9) и абонентских (ТВК 75-4) линиях сетей КТВ приведены  данные рекламных проспектов ЗАО «Самарская кабельная компания». На ЗАО «СКК» освоена технология изготовления и производство данных конструкций для СКТВ и СКПТ. Применительно  к сетям КТВ все 100% кабелей до прокладки подвергаются испытания проводников (отсутствие их обрыва) и отсутствие сообщения проводников между собой.