Внутренний диэлектрик

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.

Рассмотрим раздельно электрическое и магнитное поле коаксиальной пары.

Результирующее магнитное поле коаксиальной пары представлено на рис. 3, где показаны также напряженности магнитного поля Н^а_φ и Н^б_φ каждого проводника (а и б) в отдельности. В металлической толщине проводника а магнитное поле Н^а_φ возрастает, а вне его уменьшается по закону:

Н^а_φ=I/2πr, (5)

где r‑расстояние от центра проводника.

Поле Н^б_φ проводника б изображено в соответствии с законами электродинамики, согласно которым внутри полого цилиндра магнитное поле отсутствует, а вне его выражается таким же уравнением, как и для сплошного проводника:

Н^б_φ=I/2πr, (6)

где r‑расстояние от центра полого проводника. Поэтому при определении внешних магнитных полей коаксиального кабеля параметр r для проводников а и б принимается одинаковый и исчисляется от центра проводников (нулевой точки).

Рис. 3

Учитывая, что токи в проводниках а и б равны по величине и обратны по знаку, магнитные поля внутреннего и внешнего проводников Н^а_φ и Н^а_φ в любой точке пространства вне коаксиальной пары также будут равны по величине и направлены в разные стороны. Следовательно, результирующее магнитное поле вне коаксиальной пары по принципу суперпозиции, равно нулю:

Н_φ= Н^а_φ+ Н^б_φ= I/2πr+(-I/2πr)=0. (7)

Таким образом, силовые линии магнитного поля коаксиальной пары располагаются в виде концентрических окружностей внутри нее; вне коаксиальной пары магнитное поле отсутствует. Электрическое поле будет также замыкаться внутри коаксиальной пары по радиальным направлениям между проводниками а и б, поэтому за ее пределами оно равно нулю.

На рис. 4 представлены электромагнитные поля симметричной и коаксиальной пар. Как видно, электромагнитное поле коаксиальной пары полностью замыкается внутри ее, а силовые линии электромагнитного поля симметричной пары действуют на довольно значительном от нее расстоянии. Отсутствие внешнего электромагнитного поля обусловливает основные достоинства коаксиальных кабелей: высокая защищенность от взаимных и внешних помех, малые тепловые потери в соседних цепях и оболочках, однокабельная система связи.

Рис. 4. Электромагнитное поле симметричной (а) и коаксиальной (б) цепей

Рассмотрим действие поверхностного эффекта (скин–эффект) и эффекта близости в коаксиальных парах и определим характер распространения плотности токов в проводниках при различных частотах.

Распределение плотности тока в проводнике определяется лишь действием поверхностного эффекта (рис. 5). Силовые линии внутреннего магнитного поля, пересекая толщину проводника, наводят в ней вихревые токи, направленные согласно закону Ленца против вращения рукоятки буравчика. Как показано на рис. 5, вихревые токи I_в.т в центре проводника имеют направление, обратное движению основного тока, протекающего по проводнику, а на периферии их направления совпадают. В результате взаимодействия вихревых токов с основным происходит такое перераспределение тока по сечению проводника, при котором плотность тока возрастает к поверхности проводника. Это явление, называемое поверхностным эффектом (скин–эффектом), увеличивается с возрастанием частоты тока, магнитной проницаемости, проводимости и диаметра проводника.

Рис. 5

При достаточно высокой частоте ток протекает лишь по поверхности проводника, что вызывает увеличение его активного сопротивления.

Во внешнем проводнике плотность тока увеличивается в направлении к ее внутренней поверхности. Это объясняется воздействием поля внутреннего проводника. Если бы внутреннего проводника не было, то переменный ток, проходя по внешнему проводнику, вследствие поверхностного эффекта вытеснялся бы на внешнюю поверхность. При наличии внутреннего проводника плотность тока увеличивается на внутренней поверхности внешнего проводника.

Рассмотрим процесс перераспределения плотности тока во внешнем проводнике б за счет воздействия внутреннего проводника а. Как показано на рис. 6, переменное магнитное поле, создаваемое током проводника а, наводит в металлической толще полого проводника б вихревые токи I_в.т.

Рис. 6 Рис. 7

На внутренней поверхности проводника б вихревые токи совпадают по направлению с основным током (I+I_в.т), а наружной поверхности они движутся против последнего (I-I_в.т). В результате ток в проводнике б перераспределяется таким образом, что его плотность возрастает в направлении к внутренней поверхности. Следовательно, токи в проводниках а и б как бы смещаются и концентрируются на взаимно обращенных поверхностях проводников (рис. 7). Чем выше частота тока, тем сильнее эффект смещения тока на внешнюю поверхность проводника а и внутреннюю поверхность проводника б.

По-другому поверхностный эффект можно объяснить как проникновение электромагнитного поля в толщину проводника. Причем чем выше частота, тем меньше глубина проникновения поля в металл.

Эквивалентной глубиной проникновения θ называется глубина проникновения в толщу проводника, при которой поле (ток) уменьшается (затухает) в е=2,718 раз. С увеличением частоты передаваемого тока глубина проникновения резко уменьшается. В результате энергия сосредотачивается внутри коаксиального кабеля в диэлектрике, а проводники задают лишь направление распространения волн электромагнитной энергии.

Мешающее электромагнитное поле высокой частоты, создаваемое соседними цепями передачи или другими источниками помех, действует на внешний проводник коаксиальной пары, также будут распространяться не по всему сечению кабеля, а лишь по его наружной поверхности. Таким образом, внешний проводник коаксиальной пары выполняет две функции: