Коаксиальные линии

Коаксиальные радиочастотные кабели являются основным типом линии  передачи ТВ вещания и ОВЧ ЧМ сигналов в сети КТВ. В наиболее сложных  климатических условиях эксплуатируются  кабели снижения приемных антенн и  кабели линейного тракта, используемые на воздушных переходах при троссовой подвеске. Они подвергаются воздействию атмосферных осадков, ветровых нагрузок, солнечной радиации, значительному перепаду температур (-50…+50 С). Магистральные и субмагистральные  линии эксплуатируются в основном в условиях кабельной канализации, т.е. в относительно узком температурном диапазоне, однако могут подвергаться воздействию высокой влажности и даже воды в случаях затопления канализации. Современные отечественные кабели, получившие применение в СКТВ имеют однопроволочные медные внутренние проводники, изоляцию из сплошного или пористого полиэтилена. Внешние проводники выполнены из медных или алюминиевых лент, гладких или гофрированных, наложенных продольно внахлест или с продольным сварным швом. Защитная оболочка представляет собой шланговое покрытие из полиэтилена или поливинилхлорида. Применяются также коаксиальные кабели с внешним проводником в виде оплетки. Изоляция из сплошного полиэтилена повышает стойкость кабелей к воздействию повышенной влажности. Использование пористого полиэтилена снижает эксплуатационную надежность линий передач, но позволяет существенно снизить километрическое затухание в линиях КТВ.

Наиболее важной характеристикой  кабелей является частотная зависимость  коэффициента затухания. нормируемое  значения данного параметра устанавливается  у учетом требования обеспечения  практически 100% вероятности не выхода измеренного уровня за установленный. Поскольку расчет требуемого числа  усилительных участков проводиться  для экстремальных условий средний  коэффициент запаса равен 1,45.

Для радиочастотных кабелей  важное значение имеет обеспечение  однородности волнового сопротивления  кабеля по длине. Неравномерность волнового  сопротивления, выраженная в единицах КСВ, для кабелей СКТВ не должна превышать 1,35. В этом случае отклонения волнового  сопротивления от номинального значения 75 Ом не будет превышать 3 Ом. помехозащищенность линии передачи определяется путем  измерения сопротивления связи. Модуль сопротивления нормируется  в ТУ на кабели на частоте 30 МГц. Для  представленных конструкций кабеля с внешними проводниками из металлических  лент и трубок сопротивление связи  с ростом частоты уменьшается, а  помехозащищенность увеличивается. наибольшей стабильностью волнового сопротивления обладают кабели «С», требования к климатическим параметрам вытекают из многообразных условий эксплуатации радиочастотных кабелей, которые характеризуются многими видами воздействий и учитываются при проектировании СКТВ.

Недостатками кабелей  с оплетками являются сравнительно невысокая экранировка, существенное изменение затухания во времени  и значительные затраты при изготовлении. По этим причинам в последнее время  часто отдают предпочтение кабелям  с внешними проводниками, выполненными в виде сплошных трубок (гофрированных  или гладких), к недостатку которых  следует отнести худшую по сравнению  с оплеточными кабелями гибкость даже при гофрированных трубках. В качестве изоляционного материала  применяют пористый или сплошной полиэтилен. Пористый полиэтилен обеспечивает меньшие затухание и массу  кабеля, чем сплошной. Кабели с изоляцией  из сплошного полиэтилена более  надежны при сложных условиях прокладки, стойки к внешним воздействиям. При использовании изоляции из сплошного  полиэтилена упрощается технология ее наложения и появляется возможность  получения высокой стабильности размеров путем внедрения прецизионной технологии. Последнее обстоятельство весьма важно, так как позволяет  получить высокую однородность по волновому  сопротивлению.

В коаксиальных линиях обычно распространяется поперечная электромагнитная волна, которую  чаще называют Т-волна и которая  не имеет частоты отсечки, поэтому  коаксиальный кабель может передавать энергию на любых частотах, включая  постоянный ток. Однако на очень высоких  частотах в коаксиальном кабеле могут  возникать высшие типы волн. Наинизшей такой волной является тип Н₁₁, для которой значения критической длины волны , где D и d – внешний и внутренний диаметры коаксиального кабеля соответственно. Волновое сопротивление коаксиальной линии вычисляется по формуле

 

 

Затухание сигнала (дБ/м) в коаксиальной линии  с медными проводниками:

α=α_м+α_д

;

 

Минимуму  затухания коаксиального кабеля соответствует отношение диаметров, равное 3,6; при этом характеристическое сопротивление линии составляет 77 Ом. Этим объясняется большое распространение 75-омных кабелей в телевидении. На частотах более 1 ГГц часто предпочитают все же 50-омные кабели, т.к. в них  меньше сказываются неоднородности соединителей.

 

6. Расчёт аттенюатора на коаксиальных линиях

 

Рис.3 – Структурная схема

6.1 Выбор коаксиального кабеля

При разработке аттенюатора на коаксиальных линиях целесообразно будет выбрать  кабель серии РК – радиочастотный коаксиальный кабель с входным сопротивлением 75 Ом, т.к. он традиционно применяется  в телевизионных системах передачи сигнала. Выберем среднегабаритный кабель с диаметром изоляции 9 мм и однослойным экраном из медной проволоки.

Кабель РК 75-9-12 полностью соответствует  предъявляемым требованиям. Его  частотный диапазон 30 – 270 МГц.

6.2 Расчёт коэффициента затухания

Коэффициент затухания в коаксиальной линии (дБ/м) в общем случае обусловлен потерями в проводниках и в  диэлектрике: α=α_м+α_д. Для каждого слагаемого справедливы формулы:

;

где R_s – удельное сопротивление квадрата поверхности проводника (Ом), определяемое по формуле:

 

D и d - диаметры изоляции и проводника соответственно (см), λ₀ – длина волны (см).

Расчёт будем производить для  частоты 75 МГц.

Определим длину волны λ₀:

 

Сопротивление R_s:

 

Диэлектрическая проницаемость для  материала изоляции – полиэтилена  – ε_r=2,25, магнитная проницаемость для меди µ_r=1.

Согласно параметрам кабеля РК 75-9-12, D=9 мм, d=1,4 мм.

Тангенс диэлектрических потерь для  полиэтилена при температуре 20 °C =0,01

Исходя из этих данных, мы можем  рассчитать обе составляющие коэффициента затухания:

 

 

 

Полученный результат фактически соответствует табличному значению, приведённому в 5 части работы.

Рассчитав коэффициент затухания  кабеля РК 75-9-12, несложно получить длины коаксиальных линий, необходимых для разработки аттенюатора, работающего в диапазоне от 0,1 дБ до 1 дБ. Результаты представлены в таблице:

Таблица 4

Ослабление, дБ	Длина, м
0,1	0,73
0,2	1,46
0,3	2,19
0,4	2,92
0,5	3,65
0,6	4,38
0,7	5,11
0,8	5,84
0,9	6,57
1	7,3

 

 

Произведём  расчёт для частоты 50 МГц:

Определим длину волны λ₀:

 

 

Сопротивление R_s:

 

 

 

 

Ослабление, дБ	Длина, м
0,1	1,05
0,2	2,1
0,3	3,15
0,4	4,2
0,5	5,25
0,6	6,3
0,7	7,35
0,8	8,4
0,9	9,45
1	10,5

 

Произведём  расчёт для частоты 100 МГц:

Определим длину волны λ₀:

 

 

Сопротивление R_s:

 

 

 

 

Ослабление, дБ	Длина, м
0,1	0,57
0,2	1,14
0,3	1,71
0,4	2,28
0,5	2,85
0,6	3,42
0,7	3,99
0,8	4,56
0,9	5,13
1	5,7

Рассчитаем погрешности при  отклонении от частоты 75 МГц.

При увеличении частоты до 100 МГц погрешность  будет составлять:

 

При уменьшении частоты до 50 МГц погрешность  будет составлять:

 

 

 

7.Заключение

В данном курсовом проекте я привёл теоретические сведения о конструкции  коаксиальных кабелей, рассмотрел их основные параметры. В практической части  мне было дано задание произвести расчёт аттенюатора на коаксиальных линиях, работающего в диапазоне частот от 50 до 100 МГц и от 0,1 до 1 дБ. Я выяснил, что при отклонении от частоты 75 МГц в сторону увеличения погрешность может составлять до 43%, а в сторону уменьшения – до 28%. Я считаю, что такая погрешность слишком велика для современного прибора, и поэтому аттенюатор на коаксиальной линии целесообразно использовать лишь тогда, когда требуется получить фиксированное значение ослабления на фиксированной частоте.  

8. Список литературы

1. Антенны и устройства СВЧ / Д.М. Сазонов – М.: Высшая школа, 1988

2. Электромагнитные поля и волны  / А.Н. Бабенко, А.Н. Громыко –  Йошкар-Ола, МарГТУ, 2003

3. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов / Зюко А. Г., Финк Л. М. и др. – М.: Связь, 1988

4. ГОСТ 11326.0-78 Кабели радиочастотные. Общие технические условия

5. http://www.sds-group.ru/articles_3.htm - по состоянию на 19.2.2013

6. http://www.spcable.ru/info/statja01_1.html - статья «Новая серия телевизионных кабелей» / Лобанов А.В. - по состоянию на 21.2.2013