НСЭ. Современная электрическая связь. Построение сетей электросвязи Единая сеть электросвязи РФ. Классификация под систем

• Название: Современная электрическая связь. Построение сетей электросвязи Единая сеть электросвязи РФ. Классификация под систем
• Дата: 09.12.2018
• Размер: 0.78 Mb.
• Имя файла: НСЭ.docx
• Тип: Документы; #59415
• страница: 5 из 5

Поверхностный эффект

Переменное электромагнитное поле внутри металла, а следовательно, плотность токов проводимости быстро убывает по мере удаления от поверхно- сти. Это создает концентрацию токов СВЧ у поверхности металла. Такое явле- ние называется поверхностным эффектом (скин-эффектом), его схема показана на рисунке 2.1. На основании его анализа можно сделать следующие выводы:




Рисунок 2.1 – Проникновение поля в толще металла

1. 
   Эквивалентная глубинаθ – такая глубина проникновения поля в провод- ник, при которой напряженность поля уменьшается в e=2,718 раз:
   

  2 или   2 , a k

(2.27)

 _a

где k – коэффициент вихревых токов.

Глубина проникновения зависит от частоты: чем больше частота, тем меньше глубина проникновения. На частотах СВЧ глубина проникновения в ме- таллах незначительна, и уменьшается с увеличением проводимости и магнитной проницаемости материала.

Таблица значений коэффициентов вихревых токов и эквивалентной глуби- ны для некоторых проводников приведена ниже.
Таблица 2.1 – Параметры некоторых проводников

Металл	, Ом∙мм2/м	σ, См∙м/мм2	μ	k, 1/мм	θ, мм
Медь	0,0175	57,00	1	21,2∙10-3 f	66,68/ f
Алюминий	0,0291	34,36	1	16,35∙10-3 f	86,44/ f
Сталь	0,1390	7,23	100	76,5∙10-3 f	18,7/ f
Свинец	0,2210	4,52	1	5,97∙10-3 f	236,7/ f

Наибольшей глубиной проникновения обладает свинец. При этом с увели- чением частоты глубина проникновения уменьшается.

На рисунке 2.2 представлены кривые зависимости проникновения тока в металл от частоты.




Рисунок 2.2 – Частотная зависимость проникновения электромагнитного поля в толщу металла: 1) алюминия; 2) меди; 3) стали
Наиболее часто в кабелях используется медный проводник. Инженерная формула для расчета глубины проникновения поля в такой проводник:

cu66,68  3,9 [м] . f [МГц]

(2.28)

2. 
   ^{Поверхностноесопротивлениеметалла Z}s^{равно его характеристическому сопротивлению Z}в^:
   

   Zs  Zв  1  i  f a  1 i.  

   (2.29)

3. ^{Активная составляющая поверхностного сопротивления R}s ^равна

Rs a 1 2 

(2.30)

^{и равна реактивной составляющей X}s^.

4. 
   Поверхностный эффект уменьшает эффективное сечение проводника, являясь причиной увеличения его активного сопротивления и затухания.
   
5. 
   С увеличением частоты поверхностное сопротивление увеличивается, а внутренняя индуктивность
   

Li  Xc 1   

(2.31)

уменьшается.

Поверхность не является совершенно гладкой и обладает шероховатостью. Мерой шероховатости является эффективная среднеквадратичная высота неод- нородности поверхности h. На низких частотах глубина проникновения, обу- словленная поверхностным эффектом, превосходит h. На высоких – ток вынуж- ден следовать вдоль всех неровностей, что приводит к увеличению сопротив- ления.

4. Направляемые электромагнитные волны

Направляемые волны имеют место в линиях передачи. Их свойства опре- деляются их структурой и свойствами среды, в которой они распространяются.

Напомним, что структура электромагнитного поля находится через реше- ние волнового уравнения для одной из продольных составляющих. Затем через


уравнения Максвелла находятся поперечные составляющие электромагнитного поля.

В реальных линиях передачи все многообразие типов волн можно разде- лить на 4 основных типа:

• 
  Т – поперечно-электромагнитная – электромагнитная волна, вектора напряженности электрического и магнитного полей которой лежат в плоскости, ^{перпендикулярной направлению распространения (E}z^{=0; H}z ^{= 0). Существует} только в линиях, содержащих не менее двух изолированных проводников под разными потенциалами. Используется при передаче энергии в ограниченном диапазоне частот по проводным системам, где определяющими являются токи проводимости: при передаче по симметричным и коаксиальным цепям и полос- ковым линиям,
  
• 
  Е – электрическая или поперечно магнитная (ТМ) волна – электромагнит- ная волна, вектор напряженности электрического поля которой имеет попереч- ную и продольную составляющие, а вектор магнитного поля лежит в плоскости, ^{перпендикулярной направлению распространения (H}z ^{= 0),}
  
• 
  Н – магнитная или поперечно электрическая (ТЕ) волна – электромагнит- ная волна, вектор напряженности магнитного поля которой имеет поперечную и продольную составляющие, а вектор электрического поля лежит в плоскости, ^{перпендикулярной направлению распространения (E}z^=0),
  

Е- и Н-волны возбуждаются в высоком диапазоне частот, где определяю- щими являются токи смещения. Используются при передаче энергии по метал- лическим и диэлектрическим волноводам и однопроводным (например, волно- водам) линиям,

• 
  НЕ и ЕН – гибридные смешанные волны – электромагнитные волны, век- торы электрического и магнитного полей которых имеют отличные от нуля по- перечные и продольные составляющие. Данный тип волн может рассматривать- ся как суперпозиция Е- и Н- волн.
  

Основные типы волн в направляющих средах приведены на рисунке 2.3.


Рисунок 2.3 – Взаимное расположение компонент векторов поля

в направляющей системе: 1) T-волна; 2) Е-волна; 3) Н-волна; 4) НЕ-волна

5. Исходные принципы расчета направляющих систем

Во многих практических случаях искать точные решения задач на базе электродинамики сложно и нецелесообразно. В этом случае применяются при- ближенные методы решения, в том числе методы теории электрических цепей и геометрической оптики. В первом случае совершается переход от волновых

Направляющие среды электросвязи

процессов к колебательным (λ>>D), а во втором – к лучевым (геометрическим) процессам (λ<<D).

В зависимости от соотношения длины волны λ и поперечных геометриче- ских размеров D системы можно разделить на три режима передачи:

1. 
   квазистационарный при λ>>D. Соответствует низкочастотному диапазо- ну (λ→). Передача ведется на Т-волне. Волновые уравнения электромагнитно- го поля вырождаются в уравнения электромагнитостатики и решаются с помо- щью законов Ома и Кирхгофа и телеграфных уравнений теории цепей. Спра- ведливо для частот метрового диапазона (10⁸…10⁹ Гц). В этом режиме осу- ществляется передача по двухпроводным воздушным линиям, симметричному кабелю, полосковым линиям, ленточному кабелю и коаксиальному кабелю;
   
2. 
   электродинамический (резонансный) при λ D. Соответствует волновым процессам, описываемым полными уравнениями электродинамики. Передача на Е- и Н-волнах. Используются направляющие системы следующих типов: волно- воды, линии поверхностной волны, коаксиальные кабели на СВЧ 10¹⁰…10¹² Гц (сантиметровый и миллиметровый диапазоны), одномодовые световоды (мик- ронные волны). Этот режим наиболее сложен для исследования, т.к. здесь имеют место резонансные процессы;
   
3. 
   квазиоптический при λ<<D. Охватывает лучевые процессы геометриче- ской (λ→0) и волновой оптики. Направляющие системы: лазерные системы, ди- электрические волноводы, световоды на смешанных гибридных волнах в опти- ческом диапазоне 10¹³…10¹⁵ Гц (микронные волны).