Основными электрическими параметрами горизонтального кабеля, которые нормируются действующими редакциями стандартов и представляют практический интерес, являются:
При распространении сигнала по кабелю он постепенно теряет свою мощность - уменьшается амплитуда тока и напряжения. Численно эта величина выражается следующим образом:
,
где a - затухание, выраженное в децибелах на км или, чаще, на 100 м. Р0, Рl - мощности сигнала в начале и конце линии. Через первичные параметры затухание может быть выражено как:
,
где а - затухание, R,L,C,G - первичные параметры кабеля: Сопротивление, Индуктивность, Емкость и Проводимость изоляции. Рассмотрим их подробнее:
Сопротивление медной жилы определяется главным образом сечением, т.к. при повышении частоты наблюдается так называемый поверхностный эффект, который состоит в следующем:
Рис. Поверхностный эффект и эффект близости
При поверхностном эффекте вихревые токи от переменного магнитного поля проводника с током 1 взаимодействуют с током этого же проводника (рис). В центре эти токи направлены встречно, а по краям попутно вызвавшему их току.В результате плотность тока увеличивается по мере удаления от центра проводника к его поверхности. Внутренние слои проводника при этом как бы не используются.
Эффект близости наблюдается при взаимодействии вихревых токов, наведенных магнитным полем проводника 1 в соседнем проводнике 2, с основным током этого проводника (рис). В результате такого взаимодействия происходит перераспределение плотности тока во втором проводнике, при этом она увеличивается на взаимообращенных друг к другу сторонах проводников симметричной цепи в случае, когда токи в проводниках текут в противоположных направлениях и на взаимно удаленных поверхностях при одинаковом направлении токов.
Оба эти эффекта сказываются тем сильнее, чем выше частота протекаемого тока.Суммарное действие этих эффектов приводит к увеличению сопротивления с ростом частоты. В случае многопроволочного проводника сопротивление дополнительно увеличивается за счет того, что вышеупомянутые эффекты наблюдаются в пределах каждой проволоки, и усиливаются тем, что радиус этих проволок мал. Поэтому требования к затуханию для шнуров, жила которых для гибкости скручивается из проволочек, снижены. К тому же площадь сечения проводника многопроволочных жил выбирается несколько большей по сравнению со сплошной жилой.
Емкость двухпроводниковой линии определяется как:
где e -коэффициент диэлектрической проницаемости, D и d –диаметры по изоляции и медной жиле. Как видим, если исключить изменения e от частоты, емкость на высоких частотах не меняется. Коэффициент диэлектрической проницаемости зависит от материала изоляции, например у полиэтилена он равен 2,2-2,3, а у пенополиэтилена – 1,2-1,5, что существенно улучшает вторичные параметры.
Проводимость изоляции определяется выражением:
,
где С – емкость,w - угловая частота, tgd - тангенс угла диэлектрической проницаемости. Проводимость растет с увеличением частоты.
Индуктивность двухпроводной линии:
,
где a - расстояние между проводниками, d – диаметр проводника, Q(x) – коэффициент учитывающий внутрипроводниковую индуктивность, который уменьшается с ростом частоты, вследствие поверхностного эффекта.
Первичные параметры зависят от частоты передаваемого сигнала следующим образом:
Различают собственное и рабочее затухания. Последнее несколько выше, так как в нем учитываются дополнительные потери, вызванные рассогласованием нагрузки и затухание вызванное соединениями и разъемами.
Как следствие изменяется от частоты и затухание. Оно растет приблизительно пропорционально квадратному корню из частоты. Точная зависимость определяется конструкцией конкретного кабеля, однако затухание во всем частотном диамазоне не должно превышать норм, определенных стандартами. В зависимости от категории кабеля требования к затуханию выражаются как:
Частота, МГц |
Затухание, дБ |
|||||
кат.З |
кат.4 |
кат.5 |
||||
100м |
305м |
100м |
305м |
100м |
305м |
|
0.772 |
2,2 |
6,8 |
1.9 |
5.7 |
1.8 |
5,5 |
1,00 |
2.6 |
7.8 |
2,2 |
6.5 |
2,0 |
6,3 |
4,00 |
5,6 |
17 |
4,3 |
13 |
4,1 |
13 |
10,00 |
9.7 |
30 |
6.9 |
22 |
6.5 |
20 |
16,00 |
13.1 |
40 |
8,9 |
27 |
8.2 |
25 |
20,00 |
- |
- |
10,0 |
31 |
9,3 |
28 |
31,25 |
- |
- |
- |
- |
11,7 |
36 |
62,50 |
- |
- |
- |
- |
17,0 |
52 |
100,00 |
- |
- |
- |
- |
22.0 |
67 |
Затухание прямо пропорционально длине кабеля. Вследствие зависимости сопротивления от сечения кабеля затухание также растет.
В кабелях на основе витой пары передача информации происходит по двухпроводным цепям, расположенным рядом под общей оболочкой. Электромагнитные поля соседних цепей оказывают воздействие друг на друга, что приводит к искажениям полезного сигнала и ухудшению качества связи - в сетях передачи данных к "потерянным пакетам".
Количественно этот параметр оценивают при помощи переходного затухания. Переходное затухание подразделяется на 2 величины - переходные затухания на ближнем и на дальнем концах (В иностранной литературе: NEXT - Near-End-Crosstalk и FEXT - Far-End-Crosstalk). Различия между ними заключаются в следующем:
Для вычисления NEXT используется отношение излученной мощности к мощности пришедшей вследствие наведенных токов на тот же конец кабеля, на котором расположен генератор:
, где NEXT (или A0) - переходное затухание на ближнем конце, дБ. P10 - мощность излученная генератором, P20 - мощность, пришедшая к ближнему от генератора концу подверженной влиянию линии.
, где FEXT (или Al) - переходное затухание на дальнем конце, дБ. P10 - мощность излученная генератором, P21 - мощность, пришедшая к дальнему от генератора концу подверженной влиянию линии.
Зависимости NEXT и FEXT от длины линии показаны на следующем графике:
Как видим, NEXT снижается с ростом линии, приходя к некоему стабильному значению. Это связано с тем, что влияющие токи уменьшаются по амплитуде по длине кабеля, и, следовательно их вклад в общую картину наводок становится меньше и меньше и значение NEXT стабилизируется. Иная картина наблюдается с FEXT, где имеется явно выраженный минимум переходного затухания.
В отличие от собственного затухания, большее значение переходного затуххания соответствует лучшей помехозащищенности, то есть более качественному кабелю.
Нормы переходного затухания для различных категорий кабеля выглядят следующим образом:
Частота, МГц |
NEXT, дБ |
||
кат.З |
кат.4 |
кат. 5 |
|
0,772 |
43 |
58 |
64 |
1,00 |
41 |
56 |
62 |
4,00 |
32 |
47 |
53 |
10,00 |
26 |
41 |
47 |
16,00 |
23 |
38 |
44 |
20,00 |
- |
36 |
42 |
31,25 |
- |
40 |
|
62,50 |
- |
35 |
|
100,00 |
- |
- |
32 |
Под защищенностью (в иностранной литературе - ACR - Attenuation / Crosstalk Ratio) понимают разность между уровнем полезного сигнала и помехи в данной точке кабеля, или по определению:
Нетрудно убедиться, что ACR=NEXT-Attenuation, то есть ACR полностью зависит от других характеристик:
Считается, что кабель (как, впрочем, разъем, шнур и весь тракт целиком) обеспечивает устойчивую полнодуплексную работу любого приложения с такой верхней граничной частотой, на которой параметр ACR составляет 10 дБ. Это положение отдельно выделено на рис. Исключением из данного правила являются кабели категории 4, у которых на частоте 20 МГц величина ACR равна 26 дБ. При этом верхнюю граничную частоту приложения не следует путать с максимальной частотой кабеля, на которой изготовитель сертифицирует его параметры, так как зачастую на ней значения ACR получаются отрицательными (особенно ярко это проявляется для неэкранированных конструкций с относительно невысоким NEXT). Необходимость сертификации параметров кабеля на этих частотах возникает для оценки возможности его использования для полудуплексной или однонаправленной (симплексной) передачи каких-либо сигналов, например телевизионных, когда понятие переходной помехи и, соответственно, защищенности от нее элементарно теряет смысл.
"Структурированные кабельные системы (2-е издание)" © компания АйТи, 2000"