Лекция 2. Построение сетей электросвязи

1 Построение сетей электросвязи

2 Классификация линии связи по принципу сетей связи

3 Обобщённая схема сети связи

4 Топология сетей связи

5 Городские телефонные сети

Сеть связи представляется узлами (пункты коммутации) и рёбрами (линиями связи), соединяющими эти узды между собой.

ЕНССУ объединяет сети всех уровней иерархии, строится на основе единой системы нумерации и единой системы построения каналообразующей аппаратуры. ЕНССУ делится на первичную сеть и вторичную. Первичная сеть – это совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В её состав входят линии связи и каналообразующая аппаратура. Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения, (телефонных, телевидения, передачи данных и др.), образуемых на базе первичной сети. Вторичная сеть образуется на базе первичной.

Топология сетей связи представляет структурное построение сети. Существует несколько вариантов топологий:

- полносвязная (каждый с каждым), при которой любой узел сети имеет прямые связи со всеми остальными узлами;

- узловая, при которой несколько пунктов группируются в узлы и последние соединяются между собой;

- радиальная (звёздообразная), при которой имеется один узел, который соединяется радиальными линиями с другими пунктами.

Распространённой является топология сочетающая радиальную и узловую структуры. В этом случае узлы одного уровня иерархии соединяются с нижестоящими узлами между собой.

В информационно – вычислительных сетях используются шинные, древовидные, решётчатые (ячеистые) структуры.

Построение городской телефонной сети (ГТС). Как любая сеть связи, ГТС должна быть высоконадёжной и экономичной. Надёжность сети обеспечивается её разветвлённостью, наличием обходных путей. Экономичность достигается минимизацией расстояний между узлами сети. ГТС организуется на основе полносвязной, радиальной, узловой и гибридной топологий. ГТС представляет совокупность станционных сооружений, линий связи, оконечных абонентских устройств, обеспечивающих возможность передачи различных видов информации.

Линии связи ГТС состоят из абонентских и соединительных линий. Абонентские линии – это участок сети от АТС до абонента, соединительные линии (СЛ) соединяют АТС между собой, а также АТС с междугородной телефонной станцией.

2 Что представляют узлы и ребра сети связи?

3 Дайте определение ЕНССУ.

4 Дайте определение первичной, вторичной, транспортной сетей.

5 Дайте определение магистральной, зоновой, местной сети.

6 Какие требования предъявляются к ГТС, чем они обеспечиваются?

7 Какие устройства входят в состав ГТС?

8 Перечислите схемы построения ГТС, охарактеризуйте их.

9 Поясните структуру абонентской линии.

10 Охарактеризуйте шкафную систему построения ГТС, какое преимущество этой системы.

Письменные задания
1 Приведите иерархическую структуру сети связи, охарактеризуйте её.

Приведите схемы следующих топологий: полносвязной, радиальной, радиально – узловой, ячеистой (сетчатой), древовидной. Сравните эти топологии.

2 Составьте схему построения районированной и нерайонированной ГТС.

Приведите схемы межстанционных соединений ГТС: «каждая с каждой», с УВС, с УВС и УИС. Сравните эти схемы.

3 Составьте схему АЛ с прямым питанием.

4 Опишите схему организации связи на основе транспортного кольца.

5 Приведите структуру сельской сети связи.

6 Рассчитать длину усилительного участка АСП с линейным спектром частот 500…..20000 кГц. Усилительная способность системы передачи . Затухание кабеля на частоте 1 МГц составляет 3дБ/км.

7 Рассчитать длину регенерационного участка для системы передачи ИКМ – 480. Недостающие данные взять по варианту у преподавателя.

8 Определить количество пар на магистральном участке кабеля, если ёмкость АТС составляет 1000 номеров, в зоне прямого питания находится 100 абонентов, в резерве оставлено 5% номеров АТС, эксплуатационный запас кабеля составляет 10%. АТС обслуживает 3 шкафных района с количеством абонентов в 1 – ом районе 300, во втором – 400. Все номера АТС, кроме резервных задействованы. Привести схему сети.

1 Электрические кабели. Определение электрического кабеля связи

2 Классификация кабелей связи

3 Основные конструктивные элементы кабеля

4 Оптические кабели. Классификация

5 Оптические кабели. Особенности

Основные конструктивные элементы кабеля: изолированные проводники (жилы) в СК; коаксиальные пары (в КК); защитные оболочки; броневые покровы.

Проводники кабелей связи должны иметь малое электрическое сопротивление, достаточную гибкость, механическую прочность. Они изготавливаются из меди или алюминия, могут быть сплошными и многожильными, а также биметаллическими. В КК используются ленточные, гофрированные проводники и оплётка.

Изоляция проводников должна иметь большое электрическое сопротивление, большую электрическую прочность (пробивное напряжение). Практически идеальным диэлектриком является воздух, у которого , , .

Защитные оболочки герметизируют кабель, выполняются из полиэтилена, поливинилхлорида, свинца, алюминия, стали.

Броневые покровы накладываются поверх оболочек и предохраняют кабель от возможных повреждений.

Рисунок 3.1 – Классификация кабелей связи

Оптические кабели. Направляющей системой оптического кабеля (ОК) является волоконный световод (ВС). Требования к ОК обусловлены условиями его прокладки и эксплуатации. Конструкция ОК должна обеспечивать его прочность в процессе прокладки, монтажа и эксплуатации, предохранять ВС от растягивающих продольных усилий, возникающих при прокладке кабеля.

Конструктивные элементы ОК: модуль волоконно – оптический (МВО); силовые и армирующие элементы; заполняющие элементы; защитные покровы; броневые покровы; жилы дистанционного питания.
Вопросы и задания для самоконтроля
1 Дайте определение кабеля связи.

2 По каким признакам классифицируются кабели связи:

3 Назовите конструктивные элементы кабелей связи.

4 Какие требования предъявляются к проводникам и изоляции токоведущих жил?

5 Какие требования предъявляются к кабелям связи?

6 Какое назначение броневых покровов и защитных оболочек?

7 Какие кабели применяются для магистральной, зоновой и местной связи?

8 Объясните особенности конструкции оптических кабелей.

9 Объясните маркировку оптических кабелей.

Письменные задания

2 Приведите эскизы защитных и броневых покровов.

3 Приведите эскизы коаксиальных пар с разными типами изоляции.

4 Приведите поперечные сечения различных скруток СК: парной, звёздной, двойной парной, двойной звёздной. Объясните необходимость скрутки проводников в кабеле.

5 Приведите эскизы поперечных сечений кабелей: – 7 x 4 x 1.2; МКТБ – 4, ЗКП – 4 x 1.2, ТЗПП – 4 x 1.2, . Укажите все конструктивные элементы, область применения, способ прокладки.

6 Приведите эскиз поперечного сечения оптических кабелей ОКЛБ –

7 Обоснуйте выбор кабеля для линии связи для передачи 10000 КТЧ между 2-я крупными городами.

8 Обоснуйте выбор кабеля соединительной линии ГТС для передачи 100 КТЧ.

9 Обоснуйте выбор типа кабеля для распределительной сети ГТС.

10 Сколько пар в кабеле ТПП повивной скрутки, если в центральном повиве 4 пары всего повивов 12.

1 Задачи распространения электромагнитной энергии по направляющим системам

2 Применения уравнения Максвелла для решения задач в НС

3 Теорема Умова-Пойтинга.

4 Режимы передачи по направляющим системам

5 Классы и типы волн в НСС

6 Уравнение однородной линии

7 Первичные и вторичные параметры передач

Каждый из этих процессов определяет те или иные свойства НС. При анализе НС параметры среды усредняются по объему, среда обладает следующими свойствами:

- изотропностью, т.е

- линейностью, т.е. ;

- однородностью, т.е. параметры среды не зависят от координаты.

При анализе НС анализируются гармонические колебания, т.к.

сигнал любой формы может быть представлен супперпозицией гармонических составляющих в виде ряда Фурье.

Уравнения Максвелла (первое и второе) обобщают основные законы электродинамики: закон полного тока и электромагнитной индукции. Уравнения записываются в интегральной (4.1) и дифференциальной форме (4.2).

Используя выражение Максвелла можно получить выражение:

Это выражение известно как теорема Умова-Пойтинга. Левая часть выражения характеризует расход электромагнитной энергии в единицу времени. Первое слагаемое правой части представляет поток энергии в единицу времени через замкнутую поверхность S объема V в окружающее пространство. Энергия, распространяющаяся в единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению потока энергии, определяется величиной называется вектором Пойнтинга. Второе слогаемое определяет энергию внутри объема, которая преобразовалась в тепло.

Режимы передачи по направляющим системам. В зависимости от используемых длин волн и среды распространения электромагнитной энергии выделяется пять различных режимов передачи.

Статический режим относится к процессам электростатики и магнитостатики, характеризуется отсутствием временной зависимости поля.

Стационарный режим относится к случаю передачи по проводникам постоянного тока І=Е, который создает магнитное поле, электрическое поле при этом не индукцируется.

Квазистационарный режим охватывает диапазон до 10¹⁰ Гц, в этом режиме индуцируется вихревое электрическое поле, вызванное изменением электрического поля.

Приведенная классификация режимов характеризует универсальность уравнений Максвелла, единство законов электродинамики.

ТЕМ-волны содержат толко поперечные составляющие поля, т.е. силовые линии поля целиком лежат в поперечных плоскостях и в точности повторяют картину силовых линий статического и стационарного режимов. Эта волна существует лишь в линиях, содержащих два изолированных проводника, находящихся под разными потенциалами. Эта волна является основной в проводных НС, характеризуется токами проводимости и практически нулевыми токами смещения.

Волны Е и Н кроме поперечных составляющих содержат по одной продольной составляющей поля. Силовые линии этих волн располагаются как в поперечном, так и в продольном сечениях НС. Эти волны возбуждаются в однопроводных линиях (волноводах). По поперечному сечению НС должно уложиться целое число полуволн (не менее одной).

Гибридные волны содержат шесть компонент поля, в том числе и продольные составляющие и . Такие волны возбуждаются в световодах и диэлектрических волноводах.

Классы волн делятся также по типам. Модам тип волны или мода определяется сложностью структуры поля в поперечном сечении НС, т.е. числом максимумов и минимумов поля в этом сечении.

Мода – это самосогласованное распределение поля, которое сохраняется при распространении волны вдоль НС, не содержащей неоднородностей. Число распространяющихся мод в НС бесконечно, эти волны отличаются наличием тех или иных составляющих поля, а, следовательно, и его структурой. Различают основной тип волны и волны высших типов. Основная мода имеет простейшую структуру. В двухпроводных НС основной является ТЕМ-волна. Типы волн обозначаются двумя числовыми индексами n и m, которые означают число полных изменений (вариаций) поля по поперечным координатам.

Вследствие поверхностного эффекта ток с ростом частоты вытесняется на края проводника, т.е. протекает только по поверхности проводника, что приводит к увеличению его сопротивления при увеличении частоты. Переменный ток распространяется по сечению проводника неравномерно и затухает пропорционально , - коэффициент затухания в металле. Поверхностный эффект характеризуется эквивалентной глубиной проникновения. Эквивалентная глубина проникновения  - это такая глубина проникновения поля в проводник, при которой напряженность поля (или плотность тока) уменьшается в =2,718 раз.

В кабеле всегда располагается несколько симметричных пар, есть другие металлические элементы. В этом случае возникает перераспределение электромагнитных полей, приводящее к изменению распределения плотности токов, что также увеличивает сопротивление цепи.

Уравнение однородной линии. Качество передачи по линейным цепям и их электрические свойства полностью определяются параметрами этих цепей - параметрами передачи, которые делятся на две группы - первичные и вторичные. По физической природе параметры цепей, образованных НС аналогичны параметрам колебательных контуров, составленных из элементов . В контурах эти параметры являются сосредоточенными, а в цепях связи они равномерно распределены по всей длине линии. Эти параметры являются погонными, т. е. определяются на длину линии в 1 км. Сопротивление R и индуктивность L являются продольными параметрами, они включены последовательно. Ёмкость C и проводимость изоляции G – поперечные параметры, они включены параллельно. Следует отметить, что индуктивность цепи определяется двумя составляющими – внешней и внутренней, т.е. . Внешняя индуктивность определяется только геометрией направляющей системы и не зависит от частоты, а внутренняя – поверхностным эффектом и с ростом частоты уменьшается.

Вторичные параметры передачи: затухание цепи , постоянная распространения , волновое сопротивление , постоянная фазы , скорость распространения энергии . Эти параметры полностью определяются первичными параметрами.

1. 
   Какие процессы возникают при распространении электромагнитной энергии?
   
2. 
   Какие допущения принимаются при анализе НС?
   
3. 
   Объясните смысл первого и второго уравнений Максвелла.
   
4. 
   Объясните смысл третьего и четвертого уравнений Максвелла.
   
5. 
   Что такое ток смещения? Приведите примеры возникновения тока смещения.
   
6. 
   Объясните процесс распространения электромагнитной энергии.
   
7. 
   Объясните смысл уравнения 4.4.
   
8. 
   Объясните смысл уравнения 4.5.
   
9. 
   Дайте определение вектора Пойтинга, объясните физический смысл его составляющих.
   
10. 
    Какое назначение проводников в направляющей системе?
    
11. 
    Назовите режимы передачи по НС.
    
12. 
    Охарактеризуйте каждый режим передачи.
    
13. 
    В каком режиме передачи используются симметричный кабель, коаксиальный кабель, световод?
    
14. 
    Чем определяется наличие тока смещения в НС?
    
15. 
    Дайте определение класса волны.
    
16. 
    Охарактеризуйте классы электромагнитных волн.
    
17. 
    Дайте определение типа волны (моды).
    
18. 
    Дайте определение основного типа волны.
    
19. 
    Чем определяется длина волны основной моды в волноводе?
    
20. 
    Какие классы волн распространяются в волноводах и световодах?
    
21. 
    Объясните сущность поверхностного эффекта.
    
22. 
    Объясните зависимость сопротивления проводника от частоты.
    
23. 
    Что такое глубина проникновения?
    
24. 
    Объясните сущность поверхностного эффекта.
    
25. 
    Объясните, какие физические процессы происходят в диэлектриках.
    
26. 
    Объясните сущность эффекта близости и эффекта действия окружающих масс.
    
27. 
    Что такое глубина проникновения?
    
28. 
    В каких проводных НС можно пренебречь эффектом близости?
    
29. 
    В каких НС нет эффекта действия окружающих масс?
    
30. 
    Назовите первичные параметры передачи, объясните их смысл.
    
31. 
    Назовите вторичные параметры передачи.
    
32. 
    Поясните эквивалентную схему двухпроводной цепи.
    
33. 
    Поясните смысл выражения 4.12.
    
34. 
    Поясните смысл уравнений 4.16.
    
35. 
    Дайте определение волнового сопротивления, объясните его смысл.
    
36. 
    Какая линия называется однородной и согласованной?
    
37. 
    Дайте определение коэффициента распространения. Поясните смысл действительной и мнимой его частей.
    
38. 
    Объясните необходимость перехода к логарифмическим единицам при определении затухания.
    
39. 
    Какие скорости существуют в НС, объясните их смысл.
    

Письменные задания

1. 
   Определить, при какой частоте грунт с удельным сопротивлением =100 Омм/мм² приобретет свойства проводника, _r=2,5.
   
2. 
   Определить, при какой частоте медный проводник с удельным сопротивлением =0,0175 Ом•мм²/м приобретет свойства диэлектрика.
   
3. 
   Получить выражения для радиальной и продольной составляющих вектора Пойнтинга.
   
4. 
   Доказать, что тангенциальной составляющей вектора Пойнтинга не существует.
   
5. 
   Цепь содержит источник и последовательную RC -цепь. Обозначьте на схеме такой цепи токи проводимости и токи смещения.
   
6. 
   Изобразите процесс распространения электромагнитного поля в свободном пространстве, укажите место тока смещения.
   
7. 
   Укажите путь токов проводимости и смещения в волноводе.
   
8. 
   Какие составляющие вектора Пойнтинга преобладают в кабеле, в антенне?
   
9. 
   Объясните, какой ток (проводимости или смещения) преобладает в проводной НС, в волноводе.
   
10. 
    Какой ток (проводимости или смещения) существует в ВС?
    
11. 
    Заполните приведенную ниже таблицу
    

12.Изобразите структуру ТЕМ-волны в:

а) свободное пространство; б) проводящие плоскости.

13.Изобразите преобразование 2-х проводящих плоскостей и линии поля для следующих структур:

а) преобразование в б) преобразование в

коаксиальную цепь; симметричную цепь.

14.Прямоугольный волновод имеет размеры 24 см. Могут ли в нем распространяться гармонические колебания с частотой 10 МГц?

15.Определить типы НС, если:

a)

б)

в)

г)

16. Волновод имеет поперечные размеры 13 см. По волноводу распространяются моды с =1,5 см; =3 см; =1 см; =0,5 см. Какие из этих мод являются модами высшего порядка?

17.Запишите выражение для сопротивления проводников воздушной линии связи и витой пары.

18.Как отличается глубина проникновения в стальном проводнике по сравнению с медным ?

19.Приведите графики зависимостей глубины проникновения для медных и стальных проводников от частоты.

20.Как изменится глубина проникновения поля в металле при увеличении частоты в М раз?

21.Проводники имеют одинаковую проводимость и ; ; . Сравните глубину проникновения в каждом из этих проводников на частоте f.

22.Запишите выражение для полного активного сопротивления витой пары, ленточного кабеля, воздушной линии связи.

23.Приведите зависимость волнового сопротивления от частоты.

24.Из 4.18 получите аналитические выражения для затухания и коэффициента фазы.

25.Приведите характер изменения тока вдоль линии.

26.Приведите частотную зависимость скорости распространения электромагнитной энергии.

27.Приведите частотную зависимость фазовой скорости от частоты для Т- волны и для Е, Н – волны.

28.Определите километрическое затухание линии длиной 10 км., если мощность сигнала в начале линии Вт, а в конце линии мВт.

29.Определите километрическое затухание линии длиной 5 км, если дБ, а мВт.

30.При измерении волновых сопротивлений симметричной цепи на частоте 0.5 кГц, 20 кГц, 200 кГц получили следующие значения Ом, Ом, Ом. Какой частоте соответствуют измеренные волновые сопротивления?

1. 
   Передача энергии по симметричной цепи с учётом потерь
   
2. 
   Электрические процессы в коаксиальных цепях
   
3. 
   Параметры передачи коаксиальных цепей
   
4. 
   Свойства неоднородных линий
   
5. 
   Причины неоднородных цепей
   

Передача энергии по симметричной цепи с учётом потерь. При передаче энергии по НС потери в проводнике определяются радиальной составляющей вектора Пойтинга, которую формирует составляющие и . Мощность потока энергия для цилиндрического проводника определяется:

откуда , (5.1)

где L – внутренняя индуктивность проводника, а R - его активное сопротивление.

Анализируем гармонические колебания в квазистационарном режиме, среда не содержит сторонних токов, токи смещения отсутствуют, т.е. .

Коаксиальные цепи. Электрические процессы в коаксиальных цепях.

Основой коаксиального кабеля является коаксиальная пара. Коаксиальная пара - закрытая система, распространение поля в этой НС в радиальном направлении ограниченно и полностью сосредоточено в пространстве между проводниками (рисунок 5.1).

Особенности распространения электромагнитной энергии по коаксиальной цепи обуславливают возможность передачи широкого спектра частот. Взаимодействие электромагнитных полей внешнего и внутреннего проводников коаксиальной пары таково, что поле за пределами проводника практически отсутствует.

В коаксиальной цепи распространяется ТЕМ–волна. Электрическое поле имеет составляющие и . Радиальная составляющая обуславливает наличие тока смещения в диэлектрике , продольная составляющая тока проводника. Кроме этих составляющих существует тангенциальная составляющая магнитного поля , которую порождает протекающий вдоль проводников ток проводимости .

Параметры передачи коаксиальных цепей. Методика определения первичных параметров передачи коаксиальной цепи такая же как и для симметричных цепей. Для частот свыше кГц (что практически всегда выполнимо для КК) используются специальные расчётные формулы (рассматриваются на практике).

Оптимальное соотношение диаметров проводников коаксиальной цепи. Оптимальная конструкция коаксиальной пары предполагает при минимальных затратах материалов получить минимально возможные потери энергии.

Если по кабелю необходимо обеспечить передачу большой мощности, то . Если же по кабелю необходимо передать максимальное напряжение, обеспечить максимальную электрическую прочность, то .

Для кабелей связи необходимо обеспечить минимальные потери энергии . Условие передачи максимальной мощности или достижение максимальной электрической прочности необходимо – в фидерах электро питании.

В неоднородной линии появляются отраженные волны, которые искажают характеристику собственного волнового сопротивления линии.

Рабочее затухание - более общий параметр, т.к. кроме собственного затухания кабеля , учитывает также влияние несогласованности на стыках кабеля с нагрузкой.

В линиях неоднородных по длине различают внутренние неоднородности - в пределах строительной длины кабеля, и стыковые – обусловленные разбросом конструктивных, а следовательно, и электрических параметров.

Стыковые неоднородности, как правило, превышает внутренние неоднородности в кабеле сказываются, главным образом, на волновом сопротивлении кабеля, величина которого в месте сосредоточенной неоднородности отличается от номинальной.

Реальный кабель является неоднородной цепью. Электромагнитная волна, распространяясь по такой цепи и встречая на своём пути неоднородность, частично отражается от неё и возвращается к началу линии. При наличии нескольких неоднородных участков при распространении волны возникают многократные частичные отражения, что вызывает увеличение рабочего затухания и искажения характеристик цепи.

Неоднородности в кабеле приводят к появлению в цепи двух дополнительных потоков энергии: обратного (встречного), движущегося к началу цепи (генератору), и попутного, совпадающего с основным потоком.

Попутный поток особенно проявляется на длинных линиях. Попутный поток искажает форму передаваемого сигнала, создаёт помехи. Появление попутного потока отрицательно влияет на передачу телевизионных сигналов,

т. к. в этом случае нарушаются фазовые соотношение в структуре ТВ сигнала.

Величина попутного потока не должна превышать 1% основного. В аналоговых системах передачи попутный лимитируется на участке ОП1 – ОП2 линии, а в цифровых – на длине регенерационного участка.

Для повышения однородности электрических характеристик линии производится группирование строительных длин кабеля. При этом строительные длины располагают так, чтобы величины их волновых сопротивлений нарастали от начала регенерационного (усилительного) участка к его середине. На концах линии прокладываются кабели с номинальным волновым сопротивлением.

Свойства неоднородных линий. Проведённый анализ процессов и явлений в симметричных и коаксиальных цепях предполагал однородность линии. Однородная линия имеет постоянные электрические характеристики на всём протяжении, она нагружена на концах сопротивлениями, равными волновому .

При изготовлении кабелей вследствие не совершенства технологии возникают различные дефекты: деформации изоляции, проводников, отклонения диаметров проводников и толщины изоляции от номинальных значений, эллиптичность проводников в коаксиальной паре, их несоосность и др. Вследствие этого кабель становится неоднородным по длине, изменяются его параметры, линия становится неоднородной.

Однородность линии определяется постоянством волнового сопротивления по длине линии. Мерой неоднородности линии является коэффициент отражения p в месте сосредоточенной неоднородности (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 – Схема однородной (а) и неоднородной (б) линии

Вопросы и задания для самоконтроля

2. 
   Какие слагаемые в формуле сопротивление постоянному току; сопротивление, вызванное поверхностным эффектом; сопротивление, вызванное эффектом действия окружающих масс?
   
3. 
   Дайте определение внутренней и внешней индуктивности цепи.
   
4. 
   Какие процессы происходят в диэлектрике НС?
   
5. 
   Вопросы и задания для самоконтроля
   
6. 
   Какие особенности распространения энергии в коаксиальной цепи?
   
7. 
   Какие составляющие поля существуют в коаксиальной цепи?
   
8. 
   Объясните сущность эффекта самоэкранирования в коаксиальной цепи.
   
9. 
   Как используется эффект самоэкранирования в коаксиальных кабелях различного назначения?
   
10. 
    Объясните связь между составляющими поля и токами в коаксиальной цепи.
    
11. 
    Объясните, почему коаксиальные кабели используются в области высоких частот.
    
12. 
    Какими процессами определяется затухания в металле и затухание в диэлектрике?
    
13. 
    Объясните смысл коэффициента фазы.
    
14. 
    Как постоянная фазы и скорость распространения влияют на распространение цифровых сигналов?
    
15. 
    Чем определяется волновое сопротивление КЦ на высоких частотах?
    
16. 
    Каким конструктивным параметром определяется затухание коаксиального кабеля?
    
17. 
    Какими параметрами диэлектрика определяется волновое сопротивление КК?
    
18. 
    Какие свойства КП определяют различные соотношения её диаметров?
    
19. 
    Дайте определение однородной и неоднородной линии.
    
20. 
    Чем характеризуется степень однородности линии?
    
21. 
    Какие факторы приводят к неоднородности линии?
    
22. 
    Дайте определение рабочего затухания.
    
23. 
    Объясните смысл всех слагаемых в 5.1.
    
24. 
    Как образуются встречный и попутный потоки?
    
25. 
    Как влияют встречный и попутный потоки на передачу различных сигналов?
    
26. 
    Какие неоднородности существуют в кабелях?
    
27. 
    Какие меры применяются для повышения однородности линии?
    

Письменные задания

1. 
   Приведите зависимость первичных параметров передачи от частоты.
   
2. 
   Изобразите поля симметричной цепи, воздушной линии связи, ленточного кабеля (2 проводника). Поясните, как распределение полей влияет на параметры и .
   
3. 
   Получите расчётные соотношения для внешней индуктивности и ёмкости симметричной цепи.
   
4. 
   Рассчитать сопротивление ленточного кабеля с медными проводниками, если диаметр проводников мм, а расстояние между ними мм на частоте 300 кГц.
   
5. 
   Рассчитать первичные параметры передачи симметричной витой пары, если диаметр проводников мм, изоляция сплошная полиэтиленовая, толщина изоляции мм, частота кГц.
   
6. 
   По результатам задачи 5 рассчитать вторичные параметры передачи.
   
7. 
   Привести графики зависимостей вторичных параметров передачи симметричной цепи от частоты.
   
8. 
   Пользуясь формулой определить пределы изменения в зависимости от частоты, сделать вывод.
   
9. 
   Приведите структуру электромагнитного поля коаксиальной пары.
   
10. 
    Приведите графики зависимостей первичных и вторичных параметров передачи от частоты.
    
11. 
    Определите параметры передачи кабеля на частоте МГц, если , проводники алюминиевые, изоляция полиэтиленовая шайбовая.
    
12. 
    Рассчитать зависимость затухания КК в зависимости от соотношения диаметров на частоте МГц, изоляция полиэтиленовая пористая мм. Интервал изменения D/d принять от 3 до 4,2 с шагом 0,2.
    
13. 
    Коаксиальный кабель для локальной вычислительной сети имеет волновое сопротивление Ом. Определить соотношение диаметров проводников для различных значений диэлектрической проницаемости. Приделы изменения от до , с шагом . При каком значении затухание будет минимальным, максимальным. Определить эти затухания, если тактовая частота в сети МГц, мм.
    
14. 
    Какое минимальное затухание может быть получено в кабеле для локальной сети со сплошной полиэтиленовой изоляцией на частоте МГц, если мм? Определить волновое сопротивление этого кабеля.
    
15. 
    В какой из коаксиальных пар будет больше затухание: с или ? Объяснить ответ.
    
16. 
    Определить рабочее затухание линии длиной 10 км, если затухание кабеля составляет 2 дБ/км, если волновое сопротивление кабеля Ом, Ом, Ом.
    
17. 
    Мощность генератора в начале линии Вт, длина линии км, её километрическое затухание составляет дБ/км. Определить мощность обратного потока в начале линии, если Ом, а Ом.
    
18. 
    Определить допустимое отклонение волнового сопротивления от номинального ( Ом), чтобы коэффициент отражения не превышал 0.02.
    
19. 
    Предложить вариант группирования строительных длин кабеля с волновыми сопротивлениями: Ом, Ом, Ом, Ом, Ом.
    

2. 
   Волновод. Особенности
   

1. 
   Применение уравнении Максвелла для исследования волноводов
   
2. 
   Классификация волноводов
   
3. 
   Структуры поля некоторых типов волн и их критические частоты
   
4. 
   Недостатки и достоинства волноводов.
   
5. 
   Область применения волноводов
   

Волновод – закрытая направляющая система, в которой распространение энергии ограничивается в поперечном направлении. Это однопроводная система, следовательно в ней могут распространяться поперечные электрические (TE,H) и поперечные магнитные (TH,E) волны, а поперечные электромагнитные волны распространяться не могут. В волноводах преобладают токи смещения, токи проводимости незначительны, они протекают по проводящим стенкам волновода и замыкаются токами смещения вследствие непрерывности линий тока. Наиболее распространенными являются прямоугольные и круглые волноводы. Особенность волновода, как направляющей системы, состоит в том, что в нем могут распространяться волны с длиной волны не превышающей критическую. Анализ проводится для гармонических колебаний, множитель опущен.

Приведенный анализ позволяет сделать важнейшие выводы:

-возможность распространения волн между двумя параллельными плоскостями определяется расстоянием между этими плоскостями;

-в пространстве между проводящими плоскостями могут распространяться поперечно-электрические и поперечно-магнитные волны;

-множество распространяющихся в системе волн (мод) является дискретным;

-распространение Н- и Е-волн начинается с определенной частоты, называемой критической, Н- и Е-волны с частотой ниже критической не распространяются;

-критическая частота (длина волны) определяется расстоянием между проводящими плоскостями.

Возможность распространения волн в прямоугольном волноводе определяется его поперечными размерами. Волна, имеющая простейшую структуру поля и наибольшую длину, называется основной, такой волной в прямоугольном волноводе является волна. Низшие типы волн имеют затухание меньшее, чем высшие типы. Возбуждение в волноводах высших типов волн приводит к увеличению потерь, эти волны возбуждаются при наличии неоднородностей. В волноводе основными являются токи смещения, токи проводимости, протекающие по стенкам волноводов незначительны, т.е. . Токи проводимости в волноводах являются поверхностными, они протекают по очень тонкому поверхностному слою его стенок (вследствие поверхностного эффекта). Для уменьшения потерь в волноводе его спинки изготавливаются с высокой степенью чистоты и покрываются тонким слоем металла с высокой проводимостью, как правило серебром.

Круглый волновод. В круглом волноводе электромагнитное поле представляется в виде совокупности поперечно – электрических (Н – волны) и поперечно – магнитных (Е - волны) различных типов.

Так же и в теории прямоугольных волноводов, из уравнений Максвелла можно получить волновое уравнение для или составляющих (подробно на СРП).

Как видно из анализа, в круглом волноводе также распространяется бесчисленное множество (континуум) мод, условие распространения которых определяется обращением в нуль функций Бесселя (Е - волны) или их производных (Н - волны), а значения критических частот определяются значениями корней этих функций.

В круглом волноводе основной является волна , при радиусе волновода а она имеет наибольшую критическую длину волны . В этом смысле волна является аналогом волны в прямоугольном волноводе.

В таблице 6.1 приведены структуры поля некоторых типов волн и их критические частоты.

Таблица 6.1- Структуры поля некоторых типов волн и их критические частоты

Характеристика	Тип волны
Поле в плоскости поперечного сечения
Компоненты полей, отличные от нуля	, , , ,	, ,	, ,

Особый интерес представляет в круглом волноводе волна . Затухание этой волны с ростом частоты, в отличие от других волн, уменьшается.

Однако волна не является основной, кроме того, она является неустойчивой, так как линии поля не имеют жесткой связи со стенками волновода. Эта волна чувствительна к различным неоднородностям и деформациям в волноводе и легко трансформируется в другие высшие типы волн.

Для повышения устойчивости этой волны используются не сплошные волноводы, а спиральные, тогда кольцевые токи смещения поддерживаются спиральными токами в стенках волновода. Спиральные волноводы имеют большее затухание, чем сплошные, поэтому на практике в круглых волноводах используются вставки из спиральных волноводов.

Волноводы непосредственно для организаций линий связи не применяются, т. к. они имеют ряд недостатков. Они применяются в антенно – фидерных трактах в радиорелейной связи, в наземных станциях спутниковых систем связи.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. 
   Какие классы и типы волн (моды) распространяются между двумя проводящими плоскостями?
   
2. 
   Объясните смысл уравнения 6.4.
   
3. 
   Объясните смысл граничных условий для составляющих поля.
   
4. 
   Что такое критическая частота (длина волны)?
   
5. 
   Чем определяется в системе из проводящих бесконечных плоскостей?
   
6. 
   Охарактеризуйте режим передачи в системе из плоско – параллельных плоскостей?
   
7. 
   Объясните смысл уравнений 6.12.
   
8. 
   Какие классы и типы волн распространяются в волноводах?
   
9. 
   Чем определяется критическая частота (длина волны) в волноводе?
   
10. 
    Объясните смысл индексов m и n.
    
11. 
    Объясните смысл уравнения 6.20.
    
12. 
    Каким условиям удовлетворяет распространение электрических и магнитных волн в круглом волноводе.?
    
13. 
    Какой основной тип волны в круглом волноводе?
    
14. 
    Объясните особенности волны в круглом волноводе.
    
15. 
    Объясните особенности спиральных волноводов.
    

Письменные задания

1. 
   Определите критические длины волн , для прямоугольного волновода.
   
2. 
   Приведите структуру поля волны в прямоугольном волноводе.
   
3. 
   Определите критические длины волн , , если диаметр волновода равен 4 см.
   
4. 
   Какой тип волны необходимо возбудить в круглом волноводе, чтобы затухание линии длиной 50 м. при длине волны ___ не превышало дБ.
   
5. 
   Охарактеризуйте достоинства и недостатки волноводов.