Волновое сопротивление кабеля что это

Волновое сопротивление линии

Волновое сопротивление — один из параметров электропроводящей линии, состоящей из металлических проводников. Оно показывает, какое сопротивление оказывает линия источнику энергии (генератору). Этот параметр необходимо учитывать при создании различных электрических схем, чтобы избежать значительных потерь энергии.

Природа волнового сопротивления

Волновое сопротивление линии передачи определяется отношением напряжения к току в электромагнитной волне, распространяющейся вдоль линии передачи. Оно является характеристикой среды распространения электромагнитной волны. Волновое сопротивление любого проводника не зависит от его длины, сопротивления нагрузки на линии и выходного сопротивления источника напряжения. Оно определяется лишь конструктивными параметрами сечения передающих проводников.

Для коаксиальных кабелей такими параметрами являются диаметры центрального и внутреннего проводников, а также значение диэлектрической постоянной материала заполнителя. Для линии, состоящей из двух проводов, — это расстояние между проводами, их диаметр и характеристики материала, используемого для заполнения пространства между ними.

Численно волновое сопротивление равно входному сопротивлению бесконечно длинной линии с конечной нагрузкой, равной ее собственному волновому сопротивлению. Измеряется оно в Омах и показывает, в каком соотношении находятся электрическая и магнитная составляющие электромагнитной волны.

Несмотря на то, что ток по проводнику распространяется практически мгновенно, любой электрический провод или кабель обладает волновым сопротивлением. Обычный электрический провод включает два проводника, изолированные друг от друга. Если проверить омическое сопротивление между ними, оно будет бесконечным. Если при помощи омметра проверить его, подключившись к разным концам одного проводника, то станет видно, что оно нулевое.

На маркировке кабеля указывается его импеданс (сопротивление). В большинстве обычных ситуаций он примерно равен 50 или 75 Ом. Если воспользоваться омметром, будет получен результат, о котором было рассказано выше. Важно понимать, что на самом деле речь идёт не об омическом, а о волновом сопротивлении.

Виды сопротивлений в электрических цепях

В электроцепях существует три вида сопротивлений, имеющих разную природу:

Активное сопротивление

Напряжение, приложенное к электрической цепи, создаёт ток, сила которого пропорциональна имеющейся разнице потенциалов. Коэффициент пропорциональности между ними является активным сопротивлением, которое также называют омическим. Когда в приведённом выше примере измерение проводилось омметром, то речь шла именно о таком сопротивлении. Величина активного сопротивления определяется из закона Ома.

Реактивное сопротивление

Если в цепи присутствует ёмкость, то возникает такой вид сопротивления, как емкостное. Оно равно нулю в том случае, когда ток постоянен. Ёмкостное сопротивление проявляется в цепи переменного тока, а также в тех случаях, когда между деталями нет прямого контакта.

Действие этого сопротивления основано на том, что расположенные рядом, но не имеющие непосредственного соединения проводники накапливают электрические заряды до определённой предельной величины, а затем постепенно разряжаются. При этом возникающий ток направлен противоположно его первоначальному изменению.

Это свойство используется в конденсаторах. Однако нужно учитывать, что ёмкость возникает практически в любых расположенных рядом проводниках, по которым течёт ток. В частности, это относится к двум жилам, из которых состоит электрический провод. В результате любое изменение силы тока в них обеспечит возникновение емкостного сопротивления.

Также существует индуктивное сопротивление. При изменениях напряжения создаётся переменное электромагнитное поле, которое индуцирует ток. Он всегда направлен противоположно первоначальному изменению. То есть, увеличивающееся индукционное сопротивление создает ток, который тормозит первоначальное изменение и наоборот.

Этим свойством обладают катушки индуктивности, но практически любые электрические детали имеют индуктивность, которая действует указанным образом. Это относится также к электрическим проводам. Они имеют определённую индуктивность, которую можно определить, поэтому оказывают сопротивление переменному току. Индуктивное сопротивление возникает также при включении или выключении нагрузки в цепи постоянного тока.

Разницу емкостного и индуктивного сопротивлений называют реактивным сопротивлением.

Импеданс

При определении импеданса или полного сопротивления учитываются все три физические разновидности сопротивления. С этой целью используют прямоугольный треугольник, у которого длина одного катета выражает значение активного сопротивления, а другого — разницу между величинами емкостного и индуктивного сопротивления.

Гипотенуза в этом случае является полным сопротивлением. Его можно определить, воспользовавшись теоремой Пифагора.

Практически в любой электрической цепи присутствуют все виды сопротивления. Однако некоторые из них могут быть пренебрежимо малы. При рассмотрении двух жил, составляющих электрический провод, учитывается лишь емкостное и индуктивное сопротивление. Следовательно, их полное сопротивление будет выражаться лишь реактивной составляющей. В этом случае можно сказать, что волновое сопротивление — это импеданс в кабеле. Он учитывает емкостную и индуктивную нагрузки.

Волновое сопротивление проводов

Если представить себе провод бесконечной длины, состоящий из двух жил и подключённый к источнику питания, то можно заметить, что не только переменный ток, но и постоянный в моменты включения и выключения создаёт волновое сопротивление.

В момент включения распространение тока по проводам будет иметь очень большую скорость, но, тем не менее, конечную. При этом в первые доли секунды ток можно рассматривать как переменный. Так как расположенные рядом провода условно являются пластинами конденсатора, начнётся процесс зарядки ёмкости, что обеспечит возникновение емкостного сопротивления.

Оба провода имеют индуктивность. Она пренебрежимо мала по сравнению с тем, какая у катушки, но она существует. Это в момент включения порождает индуктивное сопротивление. На самом деле получающийся импеданс можно измерить. Именно он представляет собой волновое сопротивление кабеля или провода.

Это относится к различным видам кабелей и справедливо как для многожильных, так и для коаксиальных кабелей. Предположение о значительной длине провода позволяет не рассматривать наложение на распространяющуюся волну отражённых волн. Расчет волнового сопротивления выполняется по специальным формулам.

Формулы для расчёта

Для двухпроводной электролинии без потерь значение внутреннего сопротивления рассчитывается по формуле:

Поскольку при определении волнового сопротивления используется понятие бесконечного проводника, имеющего идеальную форму, то для расчёта применяются формулы, учитывающие геометрические особенности и материал проводников. Далее приведены те, которые применяются в наиболее простых случаях.

Если рассматривается электропровод, состоящий из двух жил, то волновое сопротивление определяется по формуле:

При использовании коаксиальных кабелей формула будет выглядеть таким образом:

Практическое использование волнового сопротивления

Зная эту характеристику, можно предвидеть, какое будет полное сопротивление при пропускании тока высокой частоты через кабель. Чем волновое или полное сопротивление выше, тем меньше он приспособлен работать с высокой частотой. Поэтому в каждом случае использование определённого кабеля подразумевает определённые требования к волновому сопротивлению кабеля.

На практике наибольшее распространение получили коаксиальные кабели с сопротивлением 50 Ом. Это связано с тем, что они способны обеспечить передачу радиосигналов с наименьшими потерями по мощности. Применение коаксиальных кабелей 75 Ом в телевидении объясняется таким их достоинством, как наименьшее ослабление сигнала, что для телевизионного приемника является необходимым условием.

Волновое сопротивление очень важно при использовании сложных систем. Обычно его подбирают таким образом, чтобы оно соответствовало характеристикам платы, заземления и другим особенностям оборудования. Смысл волнового сопротивления подразумевает, что при использовании кабеля с неподходящей характеристикой поведение устройства может стать непредсказуемым.

Рассматриваемая характеристика измеряется для идеального провода. Он, в частности, должен не иметь изгибов, неровностей, скручиваний и аналогичных особенностей. Каждая из них нарушает идеальность распространения волны вдоль проводника, создаёт искажения и отражения. Эти изменения могут существенно влиять на электрические параметры кабеля, чего нельзя допускать. При использовании волнового сопротивления такие отклонения должны быть учтены.

Нужно также учитывать затухание сигнала, которое происходит при его реальном прохождении через проводник. Его величина будет зависеть от используемой частоты.

Когда используется электрическая энергия, важно, чтобы система обладала максимальным коэффициентом полезного действия. Одним из важных условий для этого является равенство трёх сопротивлений – передатчика, приёмника и линии передачи. Рассогласование между ними приводит к потере энергии и соответствующему снижению КПД.

Что делать, если не указано волновое сопротивление

При использовании кабеля важны все его характеристики. Однако нельзя исключить ситуацию, когда в руки попадает такой, волновое сопротивление которого остаётся неизвестным.

В этом случае нужно воспользоваться соответствующей формулой. Сказанное будет пояснено на примере. Выше была приведена формула расчёта для коаксиального кабеля. Мастер, взяв его в руки, понял, что были использованы следующие материалы:

Расстояние от провода до оболочки равно 7.5 мм. Толщина провода составляет 2.7 мм. Используемый коэффициент выражает свойства используемого изолятора. Для пористого полиэтилена он составляет 1.5.

Если бы для изоляции применялся обычный полиэтилен, коэффициент был бы равен 2.5, а для ПВХ — 3.5.

Чтобы получить ответ, необходимо подставить имеющиеся значения в формулу. Таким образом, можно подсчитать:

138/√1.5 × (log(7.5мм/2.7мм) = 49.9 Ом.

В формуле расчета волнового сопротивления учитываются и погонное сопротивление проводов, и погонное сопротивление изоляции между ними. Но на высокой частоте эти факторы оказывают на волновое сопротивление настолько незначительное влияние, что ими вполне можно пренебречь.

Если же сопротивление нагрузки равняется волновому сопротивлению линии, то через кабель заданного диаметра можно передать максимальный уровень мощности с наименьшими потерями.

Видео по теме

Источник

Волновое сопротивление

Оно свойственно данному типу кабеля и зависит только от его первичных параметров и частоты.

Волновое сопротивление связано с первичными параметрами следующим простым соотношением:

Волновое сопротивление численно равно входному сопротивлению линии бесконечной длины, которая имеет оконечную нагрузку, равную ее собственному волновому сопротивлению. Оно измеряется в омах и определяет количественное соотношение между электрической и магнитной составляющей электромагнитной волны. В общем случае волновое сопротивление является комплексной величиной, его модуль падает по мере роста частоты и на высоких частотах стремится к фиксированному активному сопротивлению:

Кабели на витых парах на звуковых частотах, то есть при передаче телефонных сигналов, имеют сопротивление около 600 Ом, по мере увеличения частоты оно быстро падает и на частотах свыше 1 МГц вплоть до верхней граничной частоты конкретного кабеля не должно отличаться от 100 Ом более чем на + 15%.

Частотная зависимость первичных параметров электрического кабеля

Затухание

При распространении по витой паре электромагнитный сигнал постепенно теряет свою энергию.

Этот эффект называется ослаблением, или затуханием.

Затухание принято оценивать в децибелах как разность между уровнями сигналов на выходе передатчика и входе приемника.

Один децибел соответствует изменению мощности в 1,26 раза или напряжения в 1,12 раза.

Принято различать собственное и рабочее затухание кабеля.

Под собственным затуханием кабеля понимается затухание при работе в идеальных условиях.

В обобщенном виде его величину теоретически можно определить как реальную часть так называемого коэффициента распространения γ, который связан с первичными параметрами следующим простым соотношением:

Экспериментально собственное затухание кабеля можно определить как разность уровней входного и выходного сигналов в том случае, если сопротивление источника сигнала и нагрузки равны между собой и волновому сопротивлению кабеля.

В процессе реальной эксплуатации это условие выполняется не во всех случаях, что обычно сопровождается увеличением затухания.

Такое затухание называется рабочим.

Из изложенного следует важный практический вывод о том, что для минимизации рабочего затухания и его приближения к собственному сопротивление источника сигнала и нагрузка должны быть равны волновому сопротивлению, то есть, по терминологии электротехники, должна быть обеспечена согласованная нагрузка как источника сигнала, так и самого кабеля.

Из формулы выше следует, что затухание является частотнозависимой величиной и, как все входящие в него параметры, зависит от длины кабеля.

Результаты анализа формулы показывают, что затухание связано с длиной витой пары линейной зависимостью на всех частотах.

Для упрощения выполнения инженерных расчетов удобно пользоваться параметром коэффициента затухания или погонного затухания α, который численно равен затуханию кабеля фиксированной длины (применительно к кабелю типа витой пары это обычно 100 м).

Величины коэффициента затухания α, длины L и затухания А связаны между собой следующим простым соотношением:

А |дБ| = α |дБ/100 м| х L |м|/100

Чем меньше величина затухания, тем более мощным оказывается сигнал на входе приемника и тем устойчивее при прочих равных условиях связь. Затухание вызывается активным сопротивлением и потерями в диэлектрической изоляции. Определенный вклад в затухание вносят также излучение электромагнитной энергии и отражения.

Любой проводник, по которому течет переменный ток, является источником излучения в окружающее пространство. Оно отбирает у сигнала энергию и ведет к возрастанию затухания сигнала. Это явление резко возрастает с увеличением частоты сигнала. При λ

Как было отмечено выше, в идеальной симметричной цепи электромагнитное излучение отсутствует. На практике таких идеальных симметричных цепей не существует. Дело в том, что в такой цепи проводники должны бесконечно плотно прилегать друг к другу и в пределе быть стянутыми в бесконечно тонкую линию, суммарный протекающий через которую ток равен нулю. Проводники с меньшим диаметром и более тонкой изоляцией плотнее прилегают друг к другу. Однако чрезмерное уменьшение сечения проводника и утоньшение изоляции ведет к повышению затухания за счет роста активного сопротивления и увеличения проводимости изолирующих покровов.

Частотная зависимость первичных параметров электрического кабеля

Из эквивалентной схемы можно сделать вывод о том, что затухание с ростом частоты имеет тенденцию к росту. Это обусловлено как ростом сопротивления продольной ветви в основном за счет элемента L, так и падением сопротивления поперечной ветви, которое обусловлено главным образом наличием емкости (элемент С). По стандарту TIA/EIA-568-А на длине 100 м и при температуре 20° С частотная характеристика A(f) максимально допустимого затухания, начиная с 0,772 МГц, для кабелей категорий 3, 4 и 5 определяется согласно следующему выражению

A (f) = k1√f + k2f + k3√f,

Кроме аналитического задания величины затухания стандарт TIA/EIA-568-А определяет этот параметр также в табличной форме с расширением нормируемых значений в область нижних частот. Это бывает полезным при выполнении инженерных расчетов трактов связи, предназначенных для поддержки работы некоторых приложений, а также позволяет сразу же получить необходимую информацию без выполнения вычислений.

Максимальное допустимое затухание кабелей категории 3,4 и 5 на длине 100 м при t=20ºС по стандарту TIA/EIA-568-A

На рисунке выше показаны частотные зависимости предельно допустимых затуханий кабелей различных категорий, вычисленные по формуле выше.

Аппроксимация по формуле оказалась очень удачной и достаточно часто используется многими производителями кабельной продукции для описания характеристик их изделий. При этом принимаются свои значения коэффициентов k₁-k₃, а область действия распространяется на частоты до 400 и даже 550 МГц.

Переходное затухание

При передаче сигнала часть его энергии вследствие неидеальности балансировки витой пары переходит в электромагнитное излучение, которое вызывает наведенные токи в соседних парах. Этот эффект называется переходными наводками. Наводки, накладываясь на полезные сигналы, передаваемые по соседним парам, могут приводить к ошибкам приема и в конечном итоге снижают качество связи.

Разность между уровнями передаваемого сигнала и создаваемой им помехи на соседней паре называется переходным затуханием. В зависимости от места и метода измерения этого параметра различают несколько видов переходного затухания, см. рисунок, на котором через Ii обозначены токи наводок, создаваемые различными участками влияющей витой пары во влияемой.

Переходные наводки на ближнем (слева) и дальнем (справа) концах соседней пары

Чем выше значение NEXT и FEXT, тем меньший уровень имеет наводка в соседних парах, и соответственно тем более качественным является кабель. С практической точки зрения представляет интерес частотная зависимость переходного затухания на ближнем и дальнем концах, а также зависимость этих параметров от длины линии. Влияющая пара и пара, подверженная влиянию, проложены параллельно под общей защитной оболочкой. За счет этого их проводники могут рассматриваться как обкладки конденсатора. Это означает, что с ростом частоты переходное затухание падает. Стандарт TIA/EIA-568-A нормирует минимальные значения переходного затухания на ближнем конце при длине кабеля 100 м. Для определения минимально допустимого параметра NEXT на частотах, превышающих 0,772 МГц, используется следующее аппроксимирующее выражение:

Дополнительно стандарт нормирует значения NEXT на частотах менее 0,772 МГц, что бывает необходимо для некоторых приложений. Нормируемые значения в этом случае представляются в табличной форме.

Результаты расчетов по формуле выше приведены на рисунке.

Максимально допустимые значения NEXT для кабелей категории 3,4 и 5 на длине 100 м по стандарту TIA/EIA-568-A

Суммирование отдельных составляющих одной частоты переходной помехи на ближнем конце происходит с различными фазами (по напряжению). Поэтому реальный график частотной зависимости величины NEXT имеет вид шумообразной кривой с резкими перепадами величин переходного затухания на близких частотах. Стандарты нормируют только минимальную величину параметра NEXT, и кабель считается соответствующим требованиям стандарта, если во всем рабочем частотном диапазоне реальная величина NEXT не падает ниже определенного нормами значения.

Типовая зависимость переходного затухания на ближнем и дальнем концах от длины линии показана на рисунке.

Зависимость переходного затухания не дальнем и ближнем концах от длины линии

Переходное затухание на ближнем конце с увеличением длины линии сначала несколько уменьшается, а затем стабилизируется. Качественное объяснение этого эффекта состоит в том, что, начиная с определенной длины линии, токи помех с отдаленных участков приходят на ближний конец настолько ослабленными, что практически не увеличивают взаимного влияния между цепями, и величина NEXT остается постоянной. Отсюда следует, что значения NEXT для двух концов одной пары могут существенно различаться между собой, поэтому все стандарты требуют его измерения с обеих сторон. График зависимости переходного затухания на дальнем конце от длины линии носит экстремальный характер. Вначале, пока длина линии мала, увеличение ее протяженности увеличивает мощность помехи. По мере увеличения длины начинает проявляться рост затухания помеховых составляющих, и FEXT монотонно возрастает.

Для улучшения параметра NEXT в симметричных кабелях применяют различный шаг скрутки витых пар. Кроме ослабления электромагнитной связи отдельных пар такое решение не позволяет им плотно прилегать друг к другу по всей длине, что дополнительно увеличивает переходное затухание.

Известно, что сетевое оборудование различного назначения по-разному использует симметричный кабель как среду передачи. Поэтому в зависимости от приложения и метода использования кабеля нормирование величины переходных помех или, что эквивалентно, переходного затухания выполняется по-разному.

Наиболее популярными ЛВС в настоящее время являются сети Ethernet. При использовании полнодуплексного режима передатчик и приемник работают одновременно, и эта аппаратура использует для работы две витые пары одного кабеля. Этот случай в схематическом виде изображен на рисунке.

К определению NEXT

При этом ослабленный после прохождения по витой паре информационный сигнал взаимодействует на входе приемника с мощной переходной помехой работающего на этом же конце передатчика. Поэтому достаточно нормировать следующий параметр:

Величина max Р_п берется на наихудший случай, так как заранее неизвестно, какие две пары будут использоваться сетевым оборудованием для организации информационного обмена.

В последнее время при построении сетевого оборудования четко обозначилась тенденция использования им для передачи информации одновременно нескольких пар (оборудование ЛВС 100Base-T4, 100VG AnyLAN и 1000Base-TX). С другой стороны, сигналы нескольких приложений все чаще передаются в одном многопарном кабеле. В данной ситуации нормирование только параметра NEXT оказывается недостаточным, так как на приемник одновременно действует несколько источников помех. Для учета этого обстоятельства используется более сложная расчетная модель, которая для 4-парного кабеля имеет вид, изображенный на рисунке (все пары действуют на одну), и нормируется параметр так называемой суммарной мощности (power sum).

К определению PS-NEXT

Из-за разного расстояния между парами, различного шага скрутки и т.д. разность между величинами NEXT и PS- NEXT оказывается равной не 4,8 д Б, а примерно 2 дБ.

Наконец, в новейших перспективных приложениях типа Gigabit Ethernet вход приемника и выход передатчика развязаны с помощью дифференциальной системы. Это позволяет одновременно использовать одну витую пару для приема и передачи сигналов. В этой ситуации дополнительно к переходным помехам на ближнем конце необходимо учитывать также помехи на дальнем конце и соответственно нормировать величину переходного затухания на дальнем конце:

К определению PS-NEXT

И, наконец, некоторые производители начинают нормировать так называемую глобальную переходную помеху GXT (global crosstalk), которая равна сумме наведенных переходных помех на обоих концах кабеля.

В настоящий момент официальными редакциями стандартов задаются только величины NEXT и PS-NEXT (последнее значение приводится для многопарных и комбинированных кабелей), нормирование величин FEXT и GXT производится ограниченным количеством фирм.

Защищенность

Для оценки качества передачи информации в технике проводной связи широко используется параметр защищенности от помех, или просто защищенности, который представляет собой разность между уровнями полезного сигнала и помехи в рассматриваемой точке.

К определению NEXT

то есть зависит только от величин затухания и переходного затухания.

К определению параметра защищенности

Расчетные значения минимально допустимых параметров ACR по данным стандарта TIA/EIA-568-A для кабелей категории 3,4 и 5 на длине 100 м

Из этого рисунка видно, что, в худшем случае, сигнал на входе приемника должен превышать шумы наводок от соседней пары не менее чем на 10 дБ, что эквивалентно отношению сигнал/шум в 3,16 раз по напряжению или в 10 раз по мощности.

Введение параметра ACR позволяет конкретизировать понятие верхней граничной частоты кабеля. Считается, что кабели из витых пар с установленными на них оконечными разъемами обеспечивают устойчивую полнодуплексную работу любого приложения с такой верхней граничной частотой, на которой параметр ACR составляет 10 дБ. Это положение отдельно выделено на рисунке.

К определению параметра защищенности

Исключением из данного правила являются кабели категории 4, у которых на частоте 20 МГц ACR = 26 дБ. При этом верхнюю граничную частоту приложения не следует путать с максимальной частотой кабеля, на которой изготовитель сертифицирует его параметры, так как зачастую на ней значения ACR получаются отрицательными (особенно ярко это проявляется для неэкранированных конструкций с относительно невысоким NEXT). Необходимость сертификации параметров кабеля на этих частотах возникает для оценки возможности его использования для полудуплексной или однонаправленной (симплексной) передачи каких-либо сигналов, например телевизионных.

В случае высокочастотных приложений, которые в процессе работы используют для передачи информации все витые пары и одновременно в двух направлениях, нормирование только величины ACR оказывается недостаточным. Для расчета помеховой составляющей, создаваемой наводками на дальнем конце, используется аналогичная ACR величина

Источник