shadow png

Актуальные вопросы оценки эффективности экранирования высокочастотных кабелей

Радиочастотные коаксиальные и экранированные симметричные кабели находят основное применение в системах связи, где имеет место передача высокочастотных сигналов: системах кабельного и спутникового телевидения, измерительной технике, структурированных кабельных сетях, системах широкополосного доступа, видеонаблюдения и автоматизации производственных процессов. Данные кабели работают в диапазоне частот от нуля до нескольких гигагерц. Интеграция техники во все сферы человеческой деятельности существенно осложнила проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств в системах связи. Очевидно, что это актуализировало вопросы, связанные с защитой основного элемента данных систем — высокочастотного кабеля связи или кабеля передачи данных, если речь идет о цифровых системах — пассивного компонента системы связи — более всего подверженного влиянию окружающего электромагнитного поля. К тому же кабель способен сам оказывать влияние на близлежащие кабели и электронные устройства. Поэтому на сегодняшний день особо остро стоит вопрос об ужесточении к ним требований по ЭМС.

Как правило, защита высокочастотных кабелей от электромагнитного влияния обеспечивается конструкцией самого кабеля. В роли защитного элемента выступает экран, который в случае радиочастотного коаксиального кабеля одновременно является его вторым проводником. Действие экрана направлено как на ослабление внешнего проникающего электромагнитного поля, так и на препятствование излучению из кабеля передаваемой по нему полезной мощности, то есть на ослабление излучения самого кабеля.

Актуальность решения проблемы экранирования высокочастотных кабелей становится всё более очевидной в свете появления стандартов, которые не только устанавливают нормы, определяющие уровень экранирования кабельного изделия, но и их классы, совершенствования методов оценки эффективности экранирования кабеля в лабораторных условиях. К сожалению, в отечественной практике до определенного времени требование к уровню экранирования кабелей было установлено только в частных технических условиях серии ГОСТ 11326 на определенные марки радиочастотных кабелей, которое определяется одним параметром на одной частоте 30 МГц, что давало очень мало информации о степени экранирования кабеля в широком диапазоне частот.

В качестве примера рассмотрим сравнительно новые отечественные стандарты на высокочастотные кабели, появление которых было продиктовано растущими международными требованиями к кабелям цифровой связи. Так, несколько лет назад был выпущен ГОСТ Р 53880-2010 [1] на коаксиальные кабели для сетей кабельного телевидения, разработанный на основе соответствующей серии стандартов МЭК 61196, в котором были прописаны понятия параметров экранирования и их классы в полном диапазоне рабочих частот (5–3000 МГц): В, А, А+, А++.

При этом самый низкий класс В соответствует такому уровню экранирования, который присущ только тем кабелям, экраны которых содержат, как минимум, два слоя металлических элементов: например, металлизированную ленту и металлическую оплетку. Таким образом, коаксиальные кабели, внешний проводник (экран) которых представляет собой одну оплетку или одну металлическую ленту, широко используемые ранее в системах кабельного телевидения (КТВ), сейчас имеют совершенно недостаточный уровень экранирования. Стоит отметить, что наличие в кабеле двойного экрана также не гарантирует его соответствие классу В и выше, поскольку выбранные толщины фольги и диаметры проволок оплетки могут оказаться недостаточными для выполнения требований к параметрам, например, в нижнем диапазоне частот, где особенно важно суммарное сечение внешнего проводника кабеля. В этом же документе была стандартизована методика оценки эффективности (класса) экранирования кабеля на основе одного из признанных базовых методов — метода триаксиальной линии.

Опубликованный в 2012 году ГОСТ Р 54429–2011 [2], разработка которого велась на основе серии стандартов МЭК 61156, установил новые понятия и уровни параметров экранирования для симметричных кабелей парной и четверочной скрутки цифровых систем связи в рабочем диапазоне частот (5–1000 МГц). При этом новый показатель ЭМС кабеля для структурированных кабельных систем (СКС), имеющего свою особенность передачи сигналов, стал неразрывно связан как со степенью его экранирования, так и симметрией изолированных жил в этой паре.

И сказанного выше становится очевидным, что вопросы, связанные с определением норм и методик оценки эффективности экранирования высокочастотных кабелей связи, перешли на более высокий уровень, требующий переоценки их актуальности и повышенного внимания к ним как со стороны производителей кабельных изделий, так и исследователей ЭМС высокочастотных систем связи. Так какие же основные параметры определяют эффективность экранирования высокочастотных кабелей?

В основном, электромагнитное поведение экрана кабеля в широком диапазоне частот (от единиц до тысяч МГц) характеризуется двумя параметрами: сопротивлением связи ZT и затуханием экранирования aS. Физический смысл сопротивления связи (transfer impedance) был определен в 1957 году Щелкуновым [3] как некоего коэффициента с размерностью сопротивления, определяющего связь между током помехи, индуцированным внешним электромагнитным полем, и напряжением помехи, которое данный ток создаёт в экране через сопротивление связи. Термин «сопротивление связи» был стандартизован в ГОСТ Р 53880–2010 как «отношение напряжения, продольно наведенного во внутренней цепи кабеля к току, протекающему по внешнему проводнику внешней цепи электрически короткого кабеля, или наоборот». Сопротивление связи является собственным параметром экрана, то есть зависит только от его конструкции.

Наиболее общим параметром, определяющим эффективность экранирования кабеля, является коэффициент экранирования S, который определяется как отношение напряжённости электромагнитного поля в какой-либо точке экранированного пространства при наличии экрана (ЕЭ и НЭ) к напряжённости поля в той же точке без экрана (ЕО и НО) [4].

Однако в технике связи принято оценивать экраны не через коэффициент экранирования S, а через затухание экранирования аS (screening attenuation), характеризующее величину затухания, вносимого экраном:

затухание экранирования

(1)

Затухание экранирования зависит не только от конструкции кабеля в целом, но и от окружающей его среды. ГОСТ Р 53880-2010 дает такое определение этого параметра: «разность между уровнем по мощности сигнала, поступившего от генератора во внутреннюю (коаксиальную) цепь, и уровнем наведенного сигнала во внешней цепи кабеля, или наоборот».

Для немагнитных экранов кабелей передачи данных (использование магнитных экранов нежелательно из-за больших потерь в них передаваемой мощности) сопротивление связи и затухание экранирования являются взаимообратными величинами, причем эффективность экранирования кабеля тем выше, чем ниже его сопротивление связи и выше затухание экранирования.

Параметр сопротивления связи используется специалистами по ЭМС систем в тех случаях, когда говорят о подверженности самого кабеля внешним помехам. То есть когда при известном параметре влияния, например, поверхностной плотности заряда или тока помехи, можно оценить величину наводимого внутри кабеля — между его внутренними проводниками и экраном — напряжения помехи. Понятие затухания экранирования позволяет в то же время оценить степень влияния самого кабеля на окружающее его пространство, то есть, когда при известной мощности передаваемого полезного сигнала необходимо определить, какая часть мощности, излученная кабелем, будет оказывать влияние на соседние кабели и прочие электротехнические или электронные устройства.

С точки зрения экспериментальной оценки этих двух параметров существуют условия, при которых возможно непосредственное измерение каждого из них в собственном диапазоне частот. В случае сопротивления связи кабель должен быть электрически коротким, что выполнимо при следующем условии, которое определяет верхнюю частоту, до которой возможно измерение сопротивления связи с достаточной точностью:

Условие определяющее верхнюю частоту, до которой возможно измерение сопротивления связи с достаточной точностью

дБ (2)

где

f — частота, Гц;
с0 — скорость света в вакууме;
l — длина испытуемого участка кабеля;
er1 — относительная диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля.

Например, если длина испытуемого экрана равна 0,5 м, а диэлектрик — пористый полиэтилен,
то сопротивление связи можно оценить примерно до 50 МГц.

Измерение затухания экранирования возможно от частоты, при которой испытуемый кабель рассматривается как электрически длинный:

Измерение затухания экранирования возможно от частоты

дБ (3)

где er2 — относительная диэлектрическая проницаемость окружающей кабель среды.

Так, для кабеля длиной 3 м затухание экранирования можно измерять ориентировочно от 100 МГц.

Отметим, что в случае экрана в виде одинарной оплетки применимо понятие сопротивления емкостной связи, которая определяет сопротивление перехода внешней помехи через емкостную связь между внутренним проводником кабеля и окружающими металлическими объектами за счет отверстий в неплотном оплеточном экране. Однако оценка этого параметра теряет смысл ввиду его стремления к нулевому значению у кабелей, имеющих экраны со 100 % покрытием поверхности своего сердечника.

Кроме того, недавно был введен новый для симметричных кабелей параметр затухания излучения, определяющий отношение мощности сигнала, излученного кабелем, к мощности, передаваемой в так называемом дифференциальном (симметричном) режиме работы симметричной цепи, когда пара работает на дифференциальную (симметричную) нагрузку. Этот параметр отличен от параметра затухания экранирования для симметричного кабеля, что объясняется следующим обстоятельством. Если рассматривается затухание экранирования, то симметричная цепь принимается «квазикоаксиальной», когда токопроводящие жилы пары соединяются между собой, образуя внутренний проводник. При этом оценивается экранирующая способность всей конструкции в так называемом синфазном или несимметричном режиме, когда по каждой жиле протекает часть тока, а возвратным путем для него является экран, как в коаксиальном кабеле.

Затухание излучения aC есть сумма затухания экранирования aS и затухания асимметрии aU при симметричной нагрузке. Последнее обусловлено потерей мощности в рабочей паре на излучение за счет несимметричности изолированных жил относительно «земли» (экрана) при работе в дифференциальном (симметричном) режиме, когда по каждой жиле протекает полный, но противофазный ток. При асимметрии жил часть полезной мощности излучается в окружающую среду, вследствие её потери из-за емкостной асимметрии жил. Это обусловливается различием геометрических размеров изолированных токопроводящих жил, нестабильностью шага скрутки и, следовательно, расстоянием жил до экрана. По сути, затухание асимметрии есть отношение мощности преобразования сигнала из дифференциального режима в синфазный, к мощности полезного сигнала. Чем выше значение затухания

ГОСТ Р 54429–2011 определяет затухание излучения (coupling attenuation) как «разность между уровнем по мощности сигнала в симметричной цепи пары и уровнем по мощности сигнала, излученного кабелем». Таким образом, затухание излучения определяет общую эффективность защиты кабеля от излучения полезной мощности за счет симметрии и экранирования пары. Если экран в кабеле отсутствует, то затухание излучения определяется только затуханием асимметрии.

К числу наиболее распространенных исполнений экранов высокочастотных кабелей относятся:
а) сплошная медная или алюминиевая трубка или сварная гофрированная медная лента;
б) оплетка из медных проволок (с лужением или без него);
в) продольно уложенная с перекрытием медная или алюминиевая фольга с полимерным покрытием, в некоторых случаях с закорачивающим продольным загибом кромок.
г) комбинации б) и в).

В симметричных кабелях передачи данных экранирование осуществляется общим экраном (кабели F/UTP, SF/UTP, SF/UTQ), индивидуальными экранами пар (кабели U/FTP, U/SFTP), или их комбинацией (кабели F/FTP, S/FTP, SF/FTP).

На рис. 1 приведены некоторые примеры типичного поведения одного из параметров данных экранов — сопротивления связи.

Типичные частотные зависимости сопротивления связи по данным компании Raychem

Рис. 1. Типичные частотные зависимости сопротивления связи по данным компании Raychem [5]

Здесь «сверхэкран» — это комбинация из нескольких слоев ламинированной фольги и оплеток

В основном, представленные зависимости можно свести к типичным зависимостям, схематично изображённым на рис. 2.

Сопротивление связи типичных конструкций экранов кабелей по МЭК 61196-1

Рис. 2. Сопротивление связи типичных конструкций экранов кабелей по МЭК 61196-1:1999 [6]:
fr — 1...10 МГц
оо — одинарная оплётка
ооо — одинарная оптимизированная оплётка
аоо — «аномальная» одинарная оплётка
до — двойная оплётка
сэ — сверхэкран

Представленные кривые показывают, что характеристики экранов, в конструкции которых имеется оплётка, в диапазоне частот от постоянного тока до гигагерцовой области имеют три характерные части. В области низких частот (от 0 до 0,1—1МГц) сопротивление связи таких экранов равно их сопротивлению постоянному току. Спадание сопротивления связи в области частот 0,1—10МГц вызвано затуханием электромагнитного поля помехи в толще экрана вследствие поверхностного эффекта, то есть усиления вихревых токов в металлических элементах экрана. Спадание достигает минимума в диапазоне 1–10 МГц, далее начинается линейный, прямо пропорциональный частоте подъём характеристик со скоростью примерно 20 дБ/декада, что обусловлено растущим, по сравнению с поверхностным, эффектом влияния индуктивности оплётки. Некоторые кабели с экранами, содержащими оплётку, могут вести себя «аномально», имея скорость роста сопротивления связи на высоких частотах меньше 20 дБ/декада.

В случае экранов в виде комбинации оплёток и металлической фольги, ламинированной полимерным слоем, характер смещения частотных областей немного иной. Как и в случае одинарных и двойных оплёток, на низких частотах (0,1—1МГц) сопротивление связи этих экранов равно их сопротивлению постоянному току. В данной частотной области начинается спад характеристики, обусловленный поверхностным эффектом в металлических элементах экрана, а также отражением на границах сплошных металлических слоёв. Однако минимума данный спад достигает только в области нескольких мегагерц. Это обусловлено тем, что только в этой области становится преобладающим влияние результирующей индуктивности входящих в состав таких экранов оплёток и места перекрытия (щели) ламинированной фольги по сравнению с составляющей, связанной с поглощением и отражением в толще экрана. После минимума также начинается рост характеристики индуктивного характера.

Вкратце рассмотрим нормы параметров экранирования, которые установлены в стандартах на высокочастотные кабели. В ГОСТ Р 53880–2010 определены четыре класса экранирования: В, А, А+ и А++ (табл. 1 и 2). Для того, чтобы кабель соответствовал определенному классу экранирования, он должен удовлетворять условию обеих таблиц для одного и того же класса.

Несмотря на то, что упомянутые выше конструкции экранов имеют типичный характер зависимостей сопротивления связи, не обязательно, что два кабеля со схожими исполнениями экранов попадут в один и тот же класс экранирования. Это обусловлено тем, что в области частот, определяющих сопротивление связи, данный параметр имеет превалирующую зависимость от суммарного сечения составляющих его элементов, что связано с поверхностным эффектом. В области частот, определяющих затухание экранирования, большое значение приобретает степень перекрытия лент, плотность и оптимизация оплетки, а также наличие разделительных слоев. Поэтому даже при идентичных по всем параметрам экранах, отличающихся лишь диаметром проволок оплетки, сопротивление связи, в отличие от затухания экранирования, может «не дотягивать» до требуемого класса. И, наоборот, при идентичных размерах элементов двух экранов с отличием лишь по коэффициенту перекрытия ламинированной фольги под оплеткой, класс затухания экранирования может оказаться ниже класса сопротивления связи.

Таблица 1

Диапазон частот, МГц

Сопротивление связи, мОм/м, не более, для кабелей

абонентских магистральных и распределительных
для класса экранирования
Класс В Класс А Класс А+ Класс А+ Класс А++
5–301552,52,50,5

Таблица 2

Диапазон частот, МГц Затухание экранирования, дБ, не менее, для кабелей
абонентских магистральных и распределительных
для класса экранирования
Класс В Класс А Класс А+ Класс А+ Класс А++
30–100075859595105
1000–2000657585не нормируетсяне нормируется
2000–3000556575не нормируетсяне нормируется

В отличие от ГОСТ Р 53880–2010 в ГОСТ Р 54429–2011 установлены уровни параметров экранирования отдельно друг от друга, то есть разработчик вправе выбирать, какой уровень будет отдельно у сопротивления связи и отдельно у затухания излучения (табл. 3 и 4).

Таблица 3

Частота, МГц Сопротивление связи ZТ, мОм/м, не более
Уровень экранирования
1 2
11050
10100
3030200
1001001000

Таблица 4

Уровень затухания излучения Диапазон частот, МГц Затухание излучения, Ас, дБ,
не менее
130–10085
100–100085–20 lg (f /100)
230–10055
100–100055–20 lg (f/100)
330–10040
100–100040–20 lg (f /100)

Какие инструменты существуют для оценки эффективности экранирования кабелей? Конструктивные исполнения электромагнитных экранов весьма разнообразны и, к сожалению, расчётной оценке поддаётся лишь небольшая их часть — в основном, это экраны, имеющие конструкцию в виде сплошной металлической трубки и неламинированных лент, уложенных спирально или продольно с перекрытием, и имеющих замкнутый электрический контакт по всему периметру сечения. Все остальные типы экранов, как правило, содержащие в своей конструкции оплётку или ее комбинации с ламинированной фольгой, оценить расчётным способом крайне затруднительно. Для их исследования необходимы экспериментальные методы. Часть из них стандартизована Международной электротехнической комиссией (МЭК). Рассмотрим четыре наиболее доступных стандартных метода оценки эффективности экранирования кабелей [7].

Первый метод носит название метода «инжекционной линии» и позволяет определить сопротивление связи кабеля. Принцип данного метода показан на рис. 3.

Схема измерения сопротивления связи по методу инжекционной линии

Рис. 3. Схема измерения сопротивления связи по методу инжекционной линии:
1 — анализатор
2 — аттенюатор
3 — делитель мощности
4 — согласующие вставки
5 — исследуемый кабель
6 — клейкая лента
7 — согласующие нагрузки
8 — инжекционный провод

Инжекционный провод, который подсоединяется к высокочастотному генератору и скрепляется с поверхностью экрана испытываемого кабеля, подает высокочастотный сигнал через экран испытуемого кабеля. Энергия, проникающая в испытуемый кабель, измеряется на дальнем конце измерительным приёмником. После этого через логарифм отношения питающего напряжения U1 (напряжения помехи) к напряжению, наведённому на внутренней стороне экрана, U2 (AT) можно рассчитать сопротивление связи ZT:

Сопротивление связи

где

Z1 — волновое сопротивление системы инжекционный провод—экран (внешней системы);
Z2 — волновое сопротивление испытуемого кабеля;
L — длина экрана.

Верхний частотный предел, до которого может быть измерено сопротивление связи ZT, зависит от длины испытуемого отрезка образца кабеля и от различия между кабелем и внешней системой по скоростям распространения в них электромагнитной волны. Теоретический верхний предел составляет 3 ГГц, что ориентировочно соответствует L = 1 см. На практике достижение этого предела требует идеально согласованной питающей и измерительной системы.

Для исследования экранов кабелей в диапазоне высоких частот определяют затухание экранирования методом поглощающих зажимов (рис. 4). Поглощающий зажим состоит из трансформатора тока и ряда ферритовых колец, заключённых в единый корпус.

Схема измерения затухания экранирования по методу поглощающих зажимов

Рис. 4. Схема измерения затухания экранирования по методу поглощающих зажимов:
1 — генератор
2 — абсорбер (поглотитель)
3 — приёмник
4 — трансформатор тока
5 — согласующая нагрузка
6 — исследуемый кабель

Принцип метода следующий. От генератора в кабель (между токопроводящими жилами и экраном кабеля) подается высокочастотный сигнал. Посредством трансформатора тока одного из зажимов измеряется максимальная мощность, в то время как другой зажим согласует наружную систему и поглощает помехи, подходящие к измеряемой длине. Максимальная мощность P2max в наружной системе определяется из измерений на ближнем и дальнем конце. Затухание экранирования aS определяется через логарифм отношения мощности питания P1 кабеля к максимальной излучаемой мощности P2max:

Затухание экранирования

При доступных на настоящее время поглощающих зажимах затухание экранирования данным методом может быть измерено до 2,5 ГГц

Еще одним классическим методом определения сопротивления связи является метод триаксиальной линии (рис. 5). Данный метод был положен в основу метода, установленного в ГОСТ Р 53880–2010 и принцип его состоит в следующем. Отрезок испытуемого кабеля помещается в металлическую трубу. При этом на ближнем к генератору конце экран образца соединяется через нагрузочное сопротивление с внутренним проводником образца, образуя внутреннюю коаксиальную систему (ВКС) экран—внутренний проводник, а на дальнем от генератора конце экран образца накоротко соединяется с внешней трубой, образуя наружную коаксиальную систему (НКС) экран—труба.

Схема измерения сопротивления связи по методу триаксиальной линии

Рис. 5. Схема измерения сопротивления связи по методу триаксиальной линии

Напряжение U1, имитирующее помеху, подаётся от генератора в НКС. При этом ток, протекающий по внешней стороне экрана, создаёт через сопротивление связи экрана падение напряжение U2 на его внутренней стороне, которое измеряется приёмником на противоположном от генератора конце кабеля. После этого можно определить сопротивление связи экрана:

сопротивление связи экрана

где

F¢ — коэффициент, вносящий поправку относительно распределения тока в НКС;
l — длина экрана.

Длина триаксиальной линии может варьироваться от 0,3 до 1 м, что соответствует частотным диапазонам применения метода до 100 и 30 МГц. Данный метод также установлен в ГОСТ 11326.0–78 на радиочастотные кабели. При этом измерение производится на частоте 30 МГц при длине линии 0,5 м.

Относительно недавно МЭК был внедрен метод измерения затухания экранирования защищённого экрана. Несмотря на то, что его принцип был описан уже в 1960-х годах, только в 1990 году МЭК начал его подготовку к стандартизации. Этот метод является, по сути, расширением широко известного старого метода триаксиальной линии. При этом новый метод даёт возможность измерять как сопротивление связи, так и затухание экранирования (в диапазоне высоких частот) на одной испытательной установке.

Данный метод также был стандартизован в ГОСТ Р 53880–2010 и принцип его следующий. В противоположность методу триаксиальной линии, генератор и приёмник меняются местами, и возбуждаемой системой становится испытуемой кабель, а измеряемой — система экран—труба; при этом измерительная труба удлиняется до длины 2–4 м (рис. 6).

Метод измерения затухания экранирования защищённого экрана

Рис. 6. Метод измерения затухания экранирования защищённого экрана:
1 — генератор
2 — исследуемый кабель
3 — измерительная труба
4 — согласующая нагрузка
5 — измерительный приёмник;
L — длина участка связи

В наружной системе, на её ближнем конце, исследуемый экран замыкается накоротко с измерительной трубой. Электрические волны, переходящие на протяжении всей длины кабеля из внутренней системы в наружную, распространяются в обоих направлениях к ближнему и дальнему концу. На короткозамкнутом конце они все вместе отражаются, поэтому на измерительном приёмнике можно измерить совмещение связей с ближнего и дальнего конца как отношение напряжений U2/U1. Затухание экранирования, представляющее собой отношение мощностей, рассчитывается относительно нормированного волнового сопротивления наружной системы Zs = 150 Ом.

Затухание экранирования

(5)

где Z1 — волновое сопротивление испытуемого кабеля.

Данный метод измерения можно применять до нескольких ГГц. Преимуществом питания согласованного испытуемого кабеля является то, что генератор, питающий испытуемый кабель (ВКС), постоянно работает на согласованную нагрузку. При этом в предыдущем методе нагрузка генератора зависит от соотношения диметров трубы и испытуемого экрана и может быть как больше, так и меньше согласованной нагрузки, что негативно сказывается на выходном напряжении генератора. Питание согласованной ВКС, помимо согласования генератора, обеспечивает то, что в испытуемом кабеле распространение высокочастотной энергии происходит без отражений. Другим преимуществом данной установки является то, что экран при распространении по его внешней поверхности энергии, излученной из кабеля, защищён как от дальнейшего её распространения во внешнее пространство, так и от влияния на распространяющиеся по поверхности экрана волны внешних электромагнитных полей.

Рассмотрим несколько примеров конструктивного исполнения экранированных кабелей производства НПП «Спецкабель» и их частотные зависимости параметров экранирования, полученные на базе метода триаксиальной линии, описанного в ГОСТ Р 53880-2010, с помощью установки CoMet 40/2 совместного производства Bedea&Rosenberger (см. рис.7).

Участок оценки эффективности экранирования кабельных изделий НПП Спецкабель

Рис. 7. Участок оценки эффективности экранирования кабельных изделий кабельного завода «Спецкабель»

В качестве примера показаны образцы кабелей марок КИПЭВнг(А)-LS 2×2×0,60 и КСБГнг(А)-FRLS 2×2×0,78 (рис. 8 и 9) и зависимости сопротивления связи их экранов в диапазоне частот 0,3÷50 МГц (рис. 10).

Кабель марки КИПЭВнг(А)-LS 2х2х0,60

Рис. 8. Кабель марки КИПЭВнг(А)-LS 2×2×0,60

Кабель марки КСБГнг(А)-FRLS 2х2х0,78

Рис. 9. Кабель марки КСБГнг(А)-FRLS 2×2×0,78

Частотная зависимость сопротивления связи для кабелей КИПЭВнг(А)-LS 2х2х0,60 и КСБГнг(А)-FRLS 2х2х0,78

Рис. 10. Частотная зависимость сопротивления связи для кабелей КИПЭВнг(А)-LS 2×2×0,60 и КСБГнг(А)-FRLS 2×2×0,78

Назначение данных кабелей очень близкое — передача данных в системах промышленной автоматизации и предполагает работу кабелей не только в жёстких условиях воздействия климатических и механических факторов, но кроме того повышенную защиту от электромагнитных помех в широком диапазоне частот.

Вследствие этого конструктивное исполнение экранов обоих кабелей очень похожее: ламинированная полиэтилентерефталатной пленкой алюминиевая фольга, наложенная слоем металла наружу с перекрытием кромок не менее 15 %, с толщиной алюминиевого слоя не менее 30 мкм и оплетка из медных луженных проволок номинальным диаметром 0,15 мм, между которыми проложен многопроволочный контактный проводник из медной луженой проволоки.

Различие в экранах, по сути, только одно — коэффициент поверхностной плотности оплетки, который для кабеля КИПЭВ составляет не менее 88 %, а для кабеля КСБГ — не менее 60 %. Данное различие отражается на характеристике сопротивления связи во всем диапазоне частот, причем экранирование кабеля КИПЭВ, имеющего более плотную оплетку, заметно лучше экранирования кабеля КСБГ.

Измерения затухания экранирования представим на примере коаксиальных кабелей марок РК 50-7-35 и 75-3,7-35ф, поскольку для кабелей этого типа наиболее важен данный показатель в частотном диапазоне 50–3000 МГц — (рис. 11–13).

Кабель марки РК 75-3,7-35ф

Рис. 11. Кабель марки РК 75-3,7-35ф

Кабель марки РК 50-7-35

Рис. 12. Кабель марки РК 50-7-35

Частотная зависимость затухания экранирования для кабелей РК 75-3,7-35ф и РК 50-7-35

Рис. 13. Частотная зависимость затухания экранирования для кабелей РК 75-3,7-35ф и РК 50-7-35

Очевидно, что во всем диапазоне частот кабель РК 50-7-35 существенно превосходит кабель РК 75-3,7-35ф по абсолютным значениям характеристики, несмотря на то, что коэффициент поверхностной плотности оплетки кабеля РК 75-3,7-35ф в полтора раза больше, чем у кабеля РК 50-7-35.

Несмотря на то, что с увеличением габаритов кабеля его эффективность экранирования растет вследствие увеличения суммарного поперечного сечения и снижения активной составляющей сопротивления экрана, причина превосходства в эффективности экранирования кабеля РК 50-7-35 заключается в наличии в его экране медной ламинированной ленты, проложенной под оплеткой из медных проволок. Медная фольга как бы «закорачивает» просветы в неплотной оплетке, исключая тем самым одну из индуктивных составляющих сопротивления связи, которая образуется за счет контуров индуктивности просветов и растет пропорционально частоте.

В заключении, подводя некоторую черту под изложенным выше, можно отметить, что изучение проблемы экранирования высокочастотных кабелей в первоочередной степени требует экспериментальной оценки соответствующих параметров, накопления статистических данных и их правильного толкования.

В настоящей статье была затронута лишь небольшая теоретическая часть многогранной проблемы экранирования высокочастотных кабелей, связанная с определением понятий и норм параметров экранирования кабелей, характером и интерпретацией поведения частотных зависимостей различных конструкций экранированных кабелей, методами расчетной и экспериментальной оценки параметров экранирования в рабочем диапазоне частот, способами оптимизации конструкций экранов, исследованием нового параметра экранирования кабелей для СКС — затухания излучения и .п. В связи с этим, автор планирует продолжение публикаций результатов исследований, проводимых им в данной области.

Литература

  1. ГОСТ Р 53880–2010 «Кабели коаксиальные для сетей кабельного телевидения».
  2. ГОСТ Р 54429–2011 «Кабели связи симметричные для цифровых систем передачи. Общие технические условия».
  3. Schelkunoff C.A. The electromagnetic theory of coaxial transmission lines and cylindrical shields / Bell. Syst. Tech. J., 1934. — Vol. 13. — Р. 532–579.
  4. Каден Г. Электромагнитное экранирование в технике связи и высокочастотной технике. — М.: Госэнергоиздат, 1957. — 327 с.
  5. Проспект компании Raychem Wire&Cable. Electrical Screening.
  6. Изменение 1:1999 к стандарту МЭК 61196:1995 «Радиочастотные кабели — Часть 1: Общие технические условия — общие положения, определения, требования и методы испытаний».
  7. T. Hahner, B. Mund. Bachground, content and future of the EMC measurement standard prEn 50289-1-6. Open and shielded test methods.