В. (.Лицеев
Шортов
1.1. Ьчановсмй
Направляющие системы
электросвязи
Той 1 Теврни нерелачи и влиенин
Рекомендовано Государственным образовательным учреждением
высшего профессионального образования
«Московский технический университет связи и информатики» (МТУСИ)
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки «Телекоммуникации».
Регистрационный номер рецензии 018 от 22 января 2008 г. МГУП.
Москва
Горячая линия - Телеком
2009

УДК 621.395.73
ББК 32.889
Н27
Н27 Направляющие системы электросвязи: Учебник для ву-
зов. В 2-х томах. Том 1 — Теория передачи и влияния /
В. А. Андреев, Э. Л. Портнов, Л. Н. Кочановский; Под
редакцией В. А. Андреева. — 7-е изд., перераб. и доп. —
М.: Горячая линия—Телеком, 2009. — 424 с: ил.
ISBN 978-5-9912-0092-9.
Рассматриваются состояние, принципы построения и перспективы
развития сетей электросвязи Российской федерации. Излагается
теория передачи по различным типам направляющих систем
электросвязи (коаксиальным, симметричным, волоконно-оптическим,
сверхпроводящим, волноводным), приводятся их конструкции и харак-
теристики. Рассматриваются также электрические влияния между про-
водными цепями, влияние внешних электромагнитных полей, коррозии
и методы их уменьшения. По сравнению с предыдущим изданием суще-
ственно обновлены и расширены разделы, посвященные теории и раз-
витию волоконно-оптических систем передачи и кабелей.
Для студентов вузов связи и информатики.
ББК 32.889
Учебное издание
Андреев Владимир Александрович, Портнов Эдуард Львович,
Кочановский Лев Николаевич
НАПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
Учебник
Редактор Ю. Н. Чернышов
Художник В. Г. Ситников
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова
Подписано в печать 28.12.2008. Формат 60X90 1/16. Гарнитура Computer Modern.
Усл.-печ. л. 26,5. Тираж 2000 экз. Изд. tf« 9092. Заказ 5440.
ISBN 978-5-9912-0092-9 (Т. 1)
© В. А. Андреев, Э. Л. Портнов,
Л. Н. Кочановский, 2009
© Оформление издательства
«Горячая линия—Телеком», 2009

Предисловие
Последнее шестое издание учебника «Линии связи» вышло в
свет в 1995 г. С тех пор произошли заметные изменения в подго-
товке специалистов по линейно-кабельным сооружениям связи. Ис-
ходя из требований предприятий связи, занимающихся строитель-
ством и эксплуатацией сооружений связи, больше внимания стали
уделять вопросам оптимизации строительства и технической эксплу-
атации линейно-кабельных сооружений. За это время изменилось
и название курса — вместо «Линий связи» курс стал называться
«Направляющие системы электросвязи» (НСЭ). Были модернизиро-
ваны действующие и появились новые средства и системы передачи
информации. Существенно изменилась технология проектирования,
производства, строительства и эксплуатации линий связи. Создание
и широкое внедрение волоконно-оптических линий связи различного
назначения ознаменовали научно-техническую революцию в технике
производства и эксплуатации сетей и линий связи.
На сегодняшний день в России новые магистральные, внутри-
зоновые и межстанционные линии связи городских телефонных се-
тей (ГТС) строятся только с использованием волоконно-оптических
кабелей (ОК). Межгородские оптические кабели подвешиваются на
опорах контактной сети железных дорог и ЛЭП. Кроме того, в по-
следние годы в городах и районных центрах достаточно широко ста-
ла применяться подвеска оптических кабелей на опорах городско-
го электрохозяйства (опорах трамвайных и троллейбусных линий,
опорах освещения).
С использованием ОК развиваются локальные кабельные сети и
сети кабельного телевидения, вычислительных, банковских и внут-
риобъектовых систем. Достаточно широкое применение ОК находят
на сетях широкополосного оптического доступа.
Вместе с тем, несмотря на широкое применение ОК, на сетях
связи России продолжают эксплуатироваться линии связи на основе

4
Предисловие
симметричных и коаксиальных электрических кабелей связи. Эти
кабели получили применение на сетях широкополосного абонентско-
го доступа и кабельного телевидения.
За последние годы большое количество вузов России открыли
подготовку инженерных кадров по направлению «Телекоммуника-
ции» и испытывают острую нехватку в обеспечении учебного процес-
са учебниками и учебными пособиями вообще и по НСЭ, в частности.
В связи с увеличением объема излагаемого материала по курсу НСЭ
за счет разделов проектирования, строительства и технической экс-
плуатации линейно-кабельных сооружений связи, в первую очередь
волоконно-оптических линий передачи, учебник издается в двух ча-
стях. Во вторую часть учебника выносятся разделы проектирова-
ния, строительства и технической эксплуатации линейно-кабельных
сооружений. Материал учебника соответствует основным требова-
ниям нового Государственного образовательного стандарта высшего
профессионального образования, принятого в 2002 году.
Глава 4 «Основы электродинамики направляющих систем» на-
писана к.т.н., доцентом М.Ю. Масловым.
Авторы выражают благодарность инженеру кафедры линий свя-
зи и измерений в технике связи ПГАТИ С.А. Гаврюшину за помощь
в подготовке учебника к изданию.

Глава 1
Современная электрическая
связь
1.1. Краткий обзор развития
направляющих систем электросвязи
Направляющие системы электросвязи (НСЭ) возникли одновре-
менно с появлением электрического телеграфа. Первые направляю-
щие системы электросвязи (линии связи) были кабельными. Однако
вследствие несовершенства конструкции кабелей подземные кабель-
ные линии связи вскоре уступили место воздушным. Первая воздуш-
ная линия связи большой протяженности была построена в 1854 г.
между Петербургом и Варшавой. В начале 70-х годов XIX столе-
тия была построена воздушная телеграфная линия от Петербурга
до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1881 г. в России дей-
ствовало 89500 км воздушных телеграфных линий связи и 1083 те-
леграфные станции.
В 1939 г. была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по
протяженности высокочастотная телефонная воздушная магистраль
Москва - Хабаровск длиной 8300 км.
Создание первых кабельных линий связано с именем русского
ученого П.Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге де-
монстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели со-
зданный им изолированный проводник.
В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги между
Москвой и Петербургом был проложен телеграфный кабель, изоли-
рованный гуттаперчей. Первые подводные кабели были проложены
в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское мо-
ре между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй ка-
бельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между
Францией и США.

6
Глава 1
В 1882-1884 гг. в Москве, Петрограде, Риге, Одессе были постро-
ены первые в России городские телефонные сети. В 90-х годах про-
шлого столетия на городских телефонных сетях Москвы и Петро-
града были подвешены первые кабели, насчитывающие до 54 жил.
В 1901 г. началась постройка подземной городской телефонной сети.
Первые конструкции кабелей связи, относящиеся к началу
XX века, позволяли осуществлять телефонную передачу на неболь-
шие расстояния. Это были так называемые городские телефонные
кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной их скруткой.
В 1900-1902 гг. была сделана успешная попытка повысить дальность
передачи методами искусственного увеличения индуктивности кабе-
лей путем включения в цепь катушек индуктивности (предложение
инженера Пупина), а также применения токопроводящих жил с фер-
ромагнитной обмоткой (предложение Крарупа). Такие способы на
том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефон-
ной связи в несколько раз.
Важным этапом в развитии техники связи явилось изобретение,
а начиная с 1912-1913 гг. освоение производства электронных ламп.
В 1917 г. В.И. Коваленковым был разработан и испытан на линии
телефонный усилитель на электронных лампах. В 1923 г. была осу-
ществлена телефонная связь с усилителями на линии Харьков -
Москва - Петроград.
В 30-х годах началось развитие многоканальных систем пере-
дачи. В последующем стремление расширить спектр передаваемых
частот и увеличить пропускную способность линий привело к созда-
нию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Но мас-
совое изготовление их относится лишь к 1935 г., к моменту появле-
ния новых высококачественных диэлектриков типа эскапона, высо-
кочастотной керамики, полистирола (стирофлекса) и т.д. Эти ка-
бели допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких
миллионов герц и позволяют производить по ним передачу телевизи-
онных программ на большие расстояния. Первая коаксиальная ли-
ния на 240 каналов ВЧ телефонирования была проложена в 1936 г.
По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным
в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через
100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная маги-
страль между Европой и Америкой для многоканальной телефон-
ной связи.
На установку первых ста миллионов телефонов человечеству по-
надобилось 80 лет (1876-1956 гг.), а на вторую сотню всего 10 лет
(1956-1966 гг.). Последующие сотни миллионов телефонов устанав-
ливались за 6 лет, 4,5 года, 4 и 3 года.

Современная электрическая связь
7
В 1965-1967 гг. появились опытные волноводные линии связи для
передачи широкополосной информации, а также криогенные сверх-
проводящие кабельные линии с весьма малым затуханием. С 1970 г.
активно развернулись работы по созданию световодов и оптических
кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптиче-
ского диапазона волн.
Создание волоконного световода и получение непрерывной гене-
рации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быст-
ром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов были
разработаны и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические
системы связи. Основные сферы применения таких систем — теле-
фонная сеть, кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вы-
числительная техника, системы контроля и управления технологи-
ческими процессами и т.д.
В настоящее время в России и других странах проложено боль-
шое количество городских и междугородных волоконно-оптических
линий связи. Широкое применение оптические линии получают и на
сетях абонентского доступа. Волоконной оптике сегодня отводится
ведущее место в научно-техническом прогрессе.
1.2. Виды направляющих систем
электросвязи и их основные свойства
На современном этапе развития общества в условиях научно-
технического прогресса непрерывно возрастает объем передаваемой
информации. Как показывают теоретические и экспериментальные
исследования, продукция отрасли связи, выражающаяся в объеме пе-
редаваемой информации, возрастает пропорционально квадрату при-
роста валового продукта. Это определяется необходимостью расши-
рения взаимосвязи между различными звеньями экономики страны,
а также увеличением объема информации в технической, научной,
политической и культурной жизни общества. Повышаются требо-
вания к скорости и качеству передачи разнообразной информации.
Связь необходима для оперативного управления экономикой и ра-
боты государственных органов, для повышения обороноспособности
страны и удовлетворения культурно-бытовых потребностей населе-
ния.
В эпоху научно-технической революции связь стала составным
звеном производственного процесса. Она используется для управ-
ления технологическими процессами, электронно-вычислительными
машинами, роботами, промышленными предприятиями и т.д. Непре-
менным и одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов

8
Глава 1
связи являются НСЭ, по которым передаются информационные элек-
тромагнитные сигналы от одного абонента (станции, передатчика, ре-
генератора и т.д.) к другому (станции, регенератору, приемнику и
т.д.) и обратно. Очевидно, что эффективность работы систем связи
во многом предопределяется качеством НСЭ, их свойствами и пара-
метрами, а также зависимостью этих величин от частоты и воздей-
ствия различных факторов, включая мешающие влияния сторонних
электромагнитных полей.
Различают два основных типа направляющих сред передачи: ли-
нии в атмосфере (радиолинии — РЛ) и направляющие системы пере-
дачи (линии связи). Особенностью радиолиний является распростра-
нение электромагнитных сигналов в свободном (естественном) про-
странстве (космос, воздух, земля, вода и т.д.). Дальность РЛ может
простираться от нескольких сотен метров, как, например, при первой
радиопередаче, осуществленной великим русским ученым А.С. Попо-
вым в 1895 г., до сотен миллионов километров — расстояния между
автоматическими космическими аппаратами и земными станциями.
Особенностью направляющих систем электросвязи является то,
что распространение сигналов в них от одного абонента (станции, уст-
ройства, элемента схемы и т.д.) к другому осуществляется только по
специально созданным цепям и трактам, образующим направляющие
системы, предназначенные для передачи электромагнитных сигналов
в заданном направлении с должными качеством и надежностью.
Вышеуказанные особенности РЛ и НСЭ определяют их основ-
ные свойства и области применения. Так, РЛ используются для
осуществления связи на различные расстояния, часто между або-
нентами, находящимися в движущемся относительно друг друга со-
стоянии.
Характер распространения электромагнитных сигналов в раз-
личных средах в первую очередь зависит от частоты радиосигнала
(несущей частоты). В соответствии с этим различают следующие
типовые диапазоны длин волн и радиочастот:
Сверхдлинные волны (СДВ) 100...10 км (3...30 кГц)
Длинные волны (ДВ) 10...1 км (30...300 кГц)
Средние волны (СВ) 1,0...0,1 км (0,3...3 МГц)
Короткие волны (KB) 100...10 м (3...30 МГц)
Ультракороткие волны (УКВ) 10...1 м (30...300 МГц)
Дециметровые волны (ДЦМ) 1...0Д м (0,3 ...3 ГГц)
Сантиметровые волны (СМ) 10... 1 см (3...30 ГГц)
Миллиметровые волны (ММ) 10... 1 мм (30...300 ГГц)
Оптический диапазон (ОВ) 30...0,1 мкм (3 • 1013...3 • 1015 Гц)

Современная электрическая связь
9
Рис. 1.1. Распространение различных типов радиоволн
В зависимости от длины волны (частоты) сигналы по радиоли-
ниям распространяются следующим путем (рис. 1.1): ДВ и СВ —
поверхностным лучом (i), KB — пространственным лучом (2), УКВ
и ОВ — в пределах прямой видимости (3).
Кроме указанных выше достоинств радиолиний, определяемых
возможностью установления связи на огромные расстояния с подвиж-
ными объектами, отметим еще высокую скорость установления свя-
зи, а также возможность обеспечения передачи массовым средствам
информации (радиовещание и телевидение) с неограниченным чис-
лом слушателей и зрителей.
Основные недостатки РЛ (радиосвязи): зависимость качества
связи от состояния среды передачи и сторонних электромагнитных
полей; недостаточно высокая электромагнитная совместимость в диа-
пазоне метровых волн и выше; сложность аппаратуры передатчика
и приемника; узкополосность систем передачи, особенно на длин-
ных волнах и выше (отношение AF/fH < 0,1...О,б, где AF — ши-
рина полосы частот информационного сигнала; /н — частота несу-
щей радиосигнала).
С целью уменьшения этих недостатков в ходе развития радио-
связи интенсивно осваивались более высокие частоты (сантиметро-
вые, оптические диапазоны), что позволило резко увеличить абсо-
лютные значения AF, повысить пропускную способность радиокана-
лов, создать узконаправленные системы радиосвязи на базе исполь-
зования направленных антенн и лазерных устройств и привело к рез-
кому уменьшению уровня помех и повышению степени электромаг-
нитной совместимости. Например, линии радиосвязи., работающие на
ДВ, СВ, KB, позволяют осуществлять связь на большие расстояния,
но имеют небольшую пропускную способность и подвержены поме-
хам. Поэтому эти РЛ занимают малый удельный вес в общем объеме

10
Глава 1
электросвязи и используются главным
образом для радиофикации и связи с
труднодоступными районами.
Радиорелейные линии (РРЛ) ра-
ботают на дециметровых - миллимет-
ровых волнах в пределах прямой види-
ты радиорелейных линий мости. Они представляют собой цепоч-
ку ретрансляторов, устанавливаемых
примерно через каждые 50 км (высота мачты 50...70 м) (рис. 1.2).
При большей высоте антенной мачты ретрансляционные участки мо-
гут быть увеличены до 70... 100 км. Радиорелейные линии позволяют
получать большее число каналов (300... 1920) на большие расстояния
(до 12500 км); они получили широкое применение для телевидения,
радиофикации и связи. Эти линии в меньшей степени подвержены по-
мехам, обеспечивают достаточно устойчивую и качественную связь,
хотя степень защищенности передачи по ним недостаточна.
Спутниковые линии связи (СЛ) используют, как и РРЛ, санти-
метровый диапазон волн. Спутниковые линии действуют на прин-
ципе ретрансляции сигналов, осуществляемой аппаратурой, располо-
женной на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Фактически ИСЗ —
это ретранслятор радиорелейной линии, поднятый на большую вы-
соту (рис. 1.3). Спутниковые линии позволяют осуществлять много-
канальную связь на очень большие расстояния. На геостационарной
орбите высотой 36000 км спутник вращается со скоростью вращения
Земли (один оборот за 24 часа). В этом случае можно с помощью
трех спутников, расположенных под углом 120°, обеспечить связь на
территории всего земного шара.
Спутниковые линии применяются в первую очередь для пере-
дачи программ вещания, телевидения и полос газет в труднодоступ-
ные районы Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока. Досто-
инством С Л является большая зона действия и передачи информа-
ции на значительные расстояния, к недостаткам относятся высокая
стоимость запуска спутника и сложность организации дуплексной
телефонной связи.
Достоинства НСЭ систем состоят в обеспечении требуемого ка-
чества передачи сигналов, высокой скорости передачи, большой за-
щищенности от влияния сторонних полей, заданной степени электро-
магнитной совместимости, относительной простоты оконечных уст-
ройств. Недостатки НСЭ определяются высокой стоимостью капи-
тальных и эксплуатационных расходов, а также относительно боль-
шими сроками их строительства.

Современная электрическая связь
11
Рис. 1.3. Космическая связь с помощью ИСЗ
Сравнивая НСЭ и РЛ, следует отметить, что они не противо-
поставляются, а дополняют друг друга, способствуя решению гло-
бальной задачи создания, развития и совершенствования сети связи
России. Примером этого единства, в частности, является то обсто-
ятельство, что во всех радиопередающих и радиоприемных устрой-
ствах используются проводные линии связи, с помощью которых осу-
ществляется передача электромагнитных сигналов между элемента-
ми и блоками этих устройств.
В настоящее время по НСЭ передаются сигналы от постоянного
тока до оптического диапазона частот, а рабочий диапазон длин волн
простирается от 0,85 мкм до сотен километров.
Различают три основных типа НСЭ: кабельные (КЛ), воздушные
(ВЛ), волоконно-оптические (ВОЛП). Кабельные и воздушные ли-
нии относятся к проводным линиям, у которых направляющие систе-
мы образуются системами «проводник — диэлектрик», а волоконно-
оптические линии представляют собой диэлектрические волноводы,
направляющая система которых состоит из диэлектриков с различ-
ными показателями преломления.
НСЭ связи работают в килогерцевом и мегагерцевом диапазонах
частот. Кабельные линии обеспечивают надежную и помехозащищен-
ную многоканальную связь на требуемые расстояния. Коаксиальные
и симметричные кабели имели доминирующее развитие при органи-
зации городской и междугородной связей.

12
Глава 1
Воздушные линии широко использовались в 30-40-х годах. Од-
нако низкая пропускная способность (12 каналов ТЧ), обусловлен-
ная недостаточной помехозащищенностью от взаимных помех, и под-
верженность атмосферно-климатическим воздействиям ограничива-
ют их использование на сетях связи.
Волоконно-оптические линии передачи представляют собой си-
стемы для передачи световых сигналов микроволнового диапазона
волн (Л = 0,8... 1,6 мкм) по оптическим кабелям. Этот вид НСЭ явля-
ется самым перспективным. Достоинствами ВОЛГЕ являются низкие
потери, большая пропускная способность, малые масса и габаритные
размеры, экономия цветных металлов, высокая степень защищенно-
сти от внешних и взаимных помех.
Из всех указанных выше НСЭ наибольшее применение в послед-
ние годы получили волоконно-оптические линии передачи.
1.3. Системы многоканальной передачи
по НСЭ
На НСЭ организуются аналоговые и цифровые системы переда-
чи информации (АСП и ЦСП). Аналоговые системы передачи осно-
ваны на частотном разделении каналов. С помощью электрических
фильтров весь передаваемый спектр делится на частотные полосы.
В качестве базового принят телефонный канал шириной 4 кГц —
канал тональной частоты (ТЧ). Чем шире полоса частот, которую
можно передавать по НСЭ, тем больше можно получить каналов и
дешевле их стоимость.
Цифровые системы передачи основаны на временном разделе-
нии каналов. Здесь передача по линии сигналов различных сообще-
ний осуществляется поочередно, т.е. со сдвигом во времени. В этом
случае по линии распространяются импульсы определенной последо-
вательности и длительности, образующие цифровые сигналы. Для
этого все виды информации (телефонная, радиовещание, телевиде-
ние и др.) предварительно кодируют. В современных цифровых
системах связи наибольшее распространение получила импульсно-
кодовая модуляция (ИКМ) с импульсами микросекундной и нано-
секундной длительности.
Достоинством цифровых систем передачи являются большая
дальность связи; облегченные требования к защищенности цепей;
возможность создания единой интегральной системы связи; простота
технологии производства аппаратуры ЦСП; возможность непосред-
ственного ввода и скоростной обработки импульсной информации с

Современная электрическая связь
13
Таблица 1.1
Система
пере-
дачи
В-3-3
В-12-2
В-2-2
В-3-3
Материал,
диаметр
провода
Биметалл,
4 мм;
медь 4 мм
То же
Сталь, 4 мм
Тоже
Число
кана-
лов
3
12
2
3
Линейный
спектр,
кГц
4...31
36.. .143
4,5...25,7
4...31
Зату-
хание
УУ,дБ
43
43
39
39
Расстоя-
ние между
НУП, км
250
250
25...30
40
Даль-
ность дей-
ствия, км
12500 |
12500
—
—
помощью ЭВМ; автоматизация передачи данных. Недостатком яв-
ляется расширение полосы частот до 64 кГц на телефонный канал
(при частотной системе 4 кГц).
В табл. 1.1 приведены основные параметры АСП по ВЛ, в
табл. 1.2 — основные параметры многоканальных систем передачи
по коаксиальным и симметричным кабелям различной конструкции,
предназначенным для магистральной, зоновой, сельской и городской
связи. Цифра, указанная в графе «Система передачи», означает
число телефонных каналов, организуемых по кабелю. Длина уси-
лительных (регенерационных) участков (УУ) соответствует рассто-
янию между необслуживаемыми усилительными пунктами (НУП).
В эти НУП подается дистанционно электропитание из обслуживае-
мых усилительных пунктов (ОУП). Расстояние между ОУП примерно
20...240 км. Общая дальность действия магистральной связи состав-
ляет 12500 км, внутризоновой — 600 км.
Наибольшее применение получили АСП по коаксиальным кабе-
лям типов К-1920, К-3600 и К-5400. Для передачи по малогабарит-
ным коаксиальным кабелям используется система К-300. Основной
системой передачи по междугородным симметричным кабелям явля-
ется система К-бОп. Применяется также система К-1020С. На кабель-
ных линиях внутризоновой связи применяются системы передачи на
60 каналов по симметричным кабелям и 120...420 каналов по одноко-
аксиальному кабелю. Сельская связь базируется на использовании
одночетверочных кабелей с полиэтиленовой изоляцией и систем пе-
редачи на 6 и 12 каналов. Для соединительных линий ГТС приме-
няется в основном цифровая система ИКМ-30.
Основные данные плезиохронных цифровых систем с временным
разделением каналов передачи (ЦСП) приведены в табл. 1.3.
Системы передачи ИКМ-480 и ИКМ-1920 предназначены для ма-
гистральной сети связи по коаксиальным кабелям. На внутризоно-
вой сети получила развитие в основном система ИКМ-120, на сель-

14
Глава 1
Таблица 1.2
Система
передачи
К-1920
К-3600
К-5400
К-300
ИКМ-480
К-60П
К-1020С
ИКМ-120
ИКМ-480С
К-120
К-420
К-бОп
ИКМ-120
ИКМ-30
КАМА-30
ИКМ-120
КНК-6
КНК-12 1
• ИКМ-30
ИКМ-120
Тип
кабеля
Линейный спектр,
кГц, или скорость
передачи, Мбит/с
Длина
УУ,
км
Магистральная связь
Коаксиальный кабель 2,6/9,5
КМ-4
312...8500
812...17600
4332...31100
6
1 з
3
Расстояние
между
ОУП, км
240
1 180
240
Малогабаритный коаксиальный кабель 1,2/4,6
МКТ-4
МКС-4х4
60...1300
34
6
3
Симметричный кабель
12...252
312...4640
8,5
34
20
3
5
2,5...3,0
Внутризоновая связь
240
240
280
240
240
200
Однокоаксиальный кабель 2,1/9,7
ВКПА-1
ЗКП-1х4
ТП
МКС-7х4
МКС-7х4
КСПП-1х4
КСПП-1х4
КСПП-2х4
КСПП-2х4
60...552; 812...1300
312...2044;
2852...4584
10
6
Симметричный кабель
12...252
8500
10
5
Городская связь
2000
8500
12...252; 312...552
2...10
12...30
13
Сельская связь
16...60; 76...120
6...54; 60...108
2000
8500
16
16 '
6
12
200
300
240
240
40
40
80
80
120
50
50
Даль-
ность
связи, км
12500
12500
12500
-
12500
12500
600
600
80
120
120
50
100
Таблица 1.3
Система передачи
1 Первичная ИКМ-30
Вторичная ИКМ-120
Третичная ИКМ-480
Четверичная ИКМ-1920
Скорость передачи, Мбит/с
2,05
8,5
34
140
Тип кабеля
Симметричный
То же
Коаксиальный
То же

Современная электрическая связь
15
Таблица 1.4
Синхронная цифровая иерархия
СТМ-1
1 СТМ-4
СТМ-16
СТМ-64
СТМ-256
Скорость передачи, Мбит/с
155,52
622,08
2488,32
9953,28
39813,12 1
ской сети — ИКМ-15. В городах для устройства многоканальных
соединительных линий между АТС широко применяется аппарату-
ра ИКМ-30.
На городских ВОЛП работают плезиохронные ЦСП «Сона-
та-2», ИКМ-102-4/5, «Сопка-Г», на внутризоновых и магистраль-
ных — ЦСП «Сопка-2», «Сопка-3», «Сопка-ЗМ», «Сопка-4», «Соп-
ка-4М», «Сопка-5».
На смену плезиохронным цифровым системам пришли систе-
мы синхронной цифровой иерархии СЦИ (SDH, Synchronous Digital
Hierarchy) со скоростями передачи, равными сотням и тысячам ме-
габит в секунду. Эти системы работают по волоконно-оптическим
кабелям с широкополосными одномодовыми оптическими волокна-
ми. В табл. 1.4 приведены скорости передачи систем СЦИ уровней
СТМ-1...СТМ-256.
1.4. Направляющие системы передачи
В настоящее время наряду с широким применением кабелей по-
лучили развитие также другие средства передачи информации, такие
как волноводы, световоды, линии поверхностной волны, сверхпрово-
дящие и ленточные кабели и др. Все они объединены под общим
названием — направляющие системы.
Направляющая система (НС) — это устройство, предназначен-
ное для передачи электромагнитной энергии в заданном направле-
нии. Таким канализирующим свойством обладают лроводник, ди-
электрик и любая граница раздела сред с различными электриче-
скими свойствами (металл — диэлектрик, диэлектрик — воздух и
др.). Поэтому роль НС могут выполнять металлическая линия (ка-
бель, волновод), диэлектрическая линия из материала с диэлектри-
ческой проницаемостью е > 1 (диэлектрический волновод, волокон-
ный световод), а также металлодиэлектрическая линия (линия по-
верхностной волны).
Современные направляющие системы передачи высокочастотной
энергии разделяются на воздушные линии связи (ВЛ), симметрич-

16
Глава 1
а) б) в) г) д)
е) ж) з) и)
Рис. 1.4. Конструкции направляющих систем
ные кабели (СК), коаксиальные кабели (КК), сверхпроводящие ка-
бели (СПК), волноводы (В), оптические кабели (ОК), линии поверх-
ностной волны (ЛПВ), диэлектрические волноводы (ДВ), ленточные
кабели (ЛК) (полосковые линии ПЛ), радиочастотные кабели (РК).
Конструкции различных направляющих систем схематично показа-
ны на рис. 1.4.
Воздушные линии и симметричные кабели относятся к группе
симметричных цепей (рис. 1.4,а). Отличительной особенностью та-
ких цепей является наличие двух проводников с одинаковыми кон-
структивными и электрическими свойствами. Известные конструк-
ции симметричных кабелей содержат от 1x2 до 2400x2 пар под об-
щей защитной оболочкой.
В коаксиальном кабеле (рис. 1.4,6) проводник 1 концентрически
расположен внутри проводника 2, имеющего форму полого цилин-
дра. Внутренний проводник изолируется от внешнего с помощью
различных изоляционных прокладок (шайбы, баллоны, кордели и
др.). Волновод (рис. 1.4,г) представляет собой полую металлическую
трубу круглого или прямоугольного сечения, изготовленную из хо-
рошо проводящего материала. Сверхпроводящий кабель (рис. 1.4,в)
имеет коаксиальную конструкцию весьма малых габаритных разме-
ров, помещенную в условия низких отрицательных температур. Ли-
ния поверхностной волны (рис. 1.4,д) представляет собой одиночный
металлический провод, покрытый высокочастотной изоляцией (по-
лиэтиленом). Диэлектрический волновод (рис. 1.4,е) — это стержень
круглого или прямоугольного сечения, выполненный из высокоча-
стотного материала (полиэтилена, стирофлекса). Полосковая линия
(рис. 1.4,э/с) состоит из плоских ленточных проводников с располо-
женной между ними изоляцией. Разновидностью этой линии явля-

Современная электрическая связь
17
ется кабель (рис. 1.4,з), содержащий большое число проводников,
расположенных в одной плоскости. Оптический кабель (рис. 1.4,и)
представляет собой скрутку из оптических волокон — световодов,
объединенных в единую конструкцию.
Радиочастотные кабели (РК) имеют коаксиальную, симметрич-
ную или спиральную конструкцию.
Последние три типа направляющих систем (ДВ, ПЛ, РК) имеют
локальное назначение и используются в качестве фидеров переда-
чи энергии на короткие расстояния от антенн к аппаратуре. Линия
поверхностной волны предназначена главным образом для устрой-
ства телевизионных ответвлений от линий небольшой протяженно-
сти. Остальные направляющие системы применяются для органи-
зации высокочастотной связи для передачи различных видов совре-
менной информации (телефония, телеграфия, телевидение, передача
данных, радиовещание, фототелеграф, передача газет и др.).
Направляющие системы могут быть классифицированы в первую
очередь по длине волны и частотному диапазону их использования.
В табл. 1.5 приведена частотная классификация направляющих си-
стем. Здесь же указаны частоты, используемые для радио (РЛ) и
радиорелейных (РРЛ) линий, а также спутниковых линий (СЛ) на
основе искусственных спутников Земли и оптической связи (ОК).
На рис. 1.5 указаны частотные диапазоны различных НС. Из
приведенных данных следует, что ВЛ используются в диапазоне до
105 Гц, симметричные кабели — до 106 Гц, а коаксиальные кабе-
ли — до 108 Гц для магистральной связи и до 109 Гц для устройств
антенно-фидерных трактов. Сверхпроводящие кабели имеют преиму-
щественно коаксиальную конструкцию и предназначены для исполь-
зования в частотном диапазоне коаксиальных систем (до 109 Гц).
Появление и разработка новых НС передачи, таких как волно-
воды и световоды (ОК), связаны с освоением новых, более высоких
частот миллиметрового и оптического диапазонов. Волноводы пред-
назначены для работы на частотах до 1011 Гц (миллиметровые вол-
ны), а световоды используют частоты 1014 Гц (оптический диапазон
волн 0,85...1,55 мкм). Осваиваются также волны 2...6 мкм.
Радиолинии используют диапазон длинных, средних и коротких
волн. Радиорелейные линии связи работают на волнах прямой ви-
димости в дециметровом (0,3...3 ГГц) и сантиметровом (3...30 ГГц)
диапазонах.
Естественно, что чем более высокий диапазон частот можно пере-
дать по НС, тем больше можно образовать каналов связи и экономич-
нее передача. Это наглядно иллюстрируется табл. 1.6, где указано
число каналов, организуемых с помощью различных НС.

18
Глава 1
кГц
МГц
ГГц ТГц
/= 103 103 104 105 106 107 108,109 Ю10 10п 10'2 10'3 1014 1015 10,610,710,8Гц
Электросвязь и радиоволны! Микроволны Оптические волны
X = 300 км
l
30
3 км . 30 м
I I
км | 300 м
ВЛ|
■JCK
30
3 м
см
3 мм
3 см
Магистраль
Фидер I
j£-i
кк
1ЛПВ
30 мк
0,3 мм
о,:
3 м:
мк 30 А
300 А ЗА
Световод
Рис. 1,5. Частотные диапазоны различных направляющих систем: ВЛ —
воздушная линия; СК — симметричный кабель; КК — коаксиальный ка-
бель; ЛПВ — линия поверхностной волны; ПЛЛ — полосковая ленточная
линия; MB — металлический волновод; ДВ — диэлектрический волновод
Таблица 1.5
Направляющая система
ВЛ
СК
КК, ЛПВ, РК
| КК, СПК; ЛК, РК
—
в,дв
—
ок
Частота, Гц
0...105
106
108
109
1010
101О...10п
1012...1014
1014...1015
Длина волны
км
100 м
м
ДЦМ
СМ
мм
ИКЛ
мкм
Радиосредство
РЛ
РЛ
РЛ
РЛ, РРЛ
СЛ, РРЛ
—
—
ЛС J
Из табл. 1.6 видно, что световоды и волноводы, использую-
щие очень высокие частоты, принципиально позволяют образовывать
огромное число каналов. Коаксиальные кабели также пригодны для
передачи большого потока информации. Существенно меньше диа-
пазон частот симметричных кабелей, и очень мала пропускная спо-
собность воздушных линий связи.

Современная электрическая связь
19
Таблица 1.6
Направляющая
система
Воздушные линии
Симметричный кабель
Коаксиальный кабель
1 Волновод
Оптический кабель
Частота,
Гц
105
106
108
10lo...10n
ю14...ю15
Дли-
на
волны
км
100 м
м
мм
мкм
Возможное
число телефон-
ных каналов
10
100
1000...
...10000
100000
более 100000
Существую-
щая система
связи
В-12
К-бОп, К-1020с
К-1920, К-3600
К-5400, К-10800
-
СТМ-1...
СТМ-256
1.5. Принципы организации
междугородной высокочастотной связи
по кабельным линиям
На междугородных линиях связи с применением электрических
кабелей связь можно организовать по двух- или четырехпроводной
схеме. При двухпроводной схеме передача в прямом и обратном
направлениях осуществляется по одной паре проводов. При четы-
рехпроводной схеме по одной паре проводов обеспечивается связь в
прямом направлении, а по другой — в обратном направлении. На
рис. 1.6 приведена схема ВЧ организации по двухпроводной схеме,
а на рис. 1.7 — по четырехпроводной схеме. Сравним эти схемы по
дальности и устойчивости высокочастотной связи, числу каналов и
защищенности от взаимных влияний между цепями.
По устойчивости и дальности связи преимущество за четырех-
проводными системами. Это объясняется тем, что при организации
дальней ВЧ связи по двухпроводной системе спектр делится на две
части: нижнюю и верхнюю. Нижняя часть спектра используется для
передачи в одном направлении, а верхняя — для передачи в обрат-
ном. Такая двухпроводная система в каналах ВЧ является элек-
трически четырехпроводной. Для разделения передачи в прямом
ф, Ус, ф;
12...552 кГц
312...552кГц
Ф; Ус, Ф,
дор
ф, Ус, ф;
_>
ф;
Ус2
<
Ф2
12...552 кГц
312^52 кГц
Рис. 1.6. Схема ВЧ связи по двухпроводной системе с помощью фильтров

20
Глава 1
Ус, Ус,
12...552 кГц
>
! Л
12...552 кГц
<
Рис. 1.7. Схема ВЧ связи по четырехпроводной системе
и обратном направлениях и предотвращения генерации на входе
и выходе каждого усилителя ставятся разделительные фильтры
(рис. 1.6). Эти фильтры вносят искажения и лимитируют дальность
связи по двухпроводной схеме.
При четырехпроводной системе связь в прямом и обратном на-
правлениях осуществляется в одной и той же полосе частот, но, как
указывалось выше, для прямой и обратной передач используются
различные пары проводов и в разделительных фильтрах нет необ-
ходимости (рис. 1.7). Последнее является существенным преиму-
ществом четырехпроводной системы ВЧ связи, так как значительно
упрощает усилительное оборудование и позволяет обеспечить устой-
чивую связь на значительные расстояния.
По числу организуемых каналов двух- и четырехпроводная си-
стемы связи равноценны. Это положение наглядно иллюстрируется
следующим примером. Рассмотрим 120-канальную систему передачи
в диапазоне 12...552 кГц. При двухпроводной системе первая поло-
вина спектра (12...252 кГц) отводится для связи в одном направле-
нии, а вторая половина (312...552 кГц) — в обратном направлении.
В результате по одной паре проводов организуется 60 двухсторонних
каналов. Для получения 120 каналов необходимо занять две пары
проводов. При четырехпроводной системе по одной паре организу-
ется 120 каналов связи (12...552 кГц) в прямом направлении, а по
второй паре в том же частотном диапазоне (12...552 кГц) — 120 ка-
налов в обратном направлении. В итоге общее число каналов связи
по двум парам проводов как при четырехпроводной, так и при двух-
проводной системе одинаково и равно 120 (рис. 1.8).
Однако, если имеется удвоенное число цепей, то при четырехпро-
водной системе можно образовать такое же число каналов, как и при
двухпроводной, используя в 2 раза меньший диапазон частот. Это
позволит работать при меньшем затухании кабельной линии, в связи
с чем увеличивается расстояние между усилительными пунктами и
сокращается число их на магистрали.

Современная электрическая связь
21
60
канало
60 га
каналов т"^
Ф:
12...552 кГц —»
«—312...552кГц
12...552 кГц —-
— 312...552кГц
■ft
«;
12...552кГц^|
120 каналов <
12...552 кГц
б)
Рис. 1.8. Сравнение систем ВЧ связи по числу каналов: а — двухпроводная;
б — четырехпроводная
По помехозащищённости цепей от взаимных влияний преиму-
щество за двухпроводной системой. При передаче электромагнитной
энергии по одной из цепей (влияющей) часть энергии будет перехо-
дить в виде помех в соседние цепи (подверженные влиянию), рас-
положенные в общем кабеле. Цепи в кабеле могут оказаться как в
совпадающем, так и во встречном режиме передачи (рис. 1.9). Уста-
новлено, что в наихудших условиях (в смысле взаимного влияния)
находится встречная передача. В этом случае высокий исходящий
уровень влияющей цепи попадает на приемник цепи, подверженной
влиянию, и создает в нем значительную помеху. Уровень помех за
счет влияния соседней цепи в данном случае может оказаться соиз-
меримым с полезным сигналом и подавить его.
Если передачи по влияющей и подверженной влиянию цепям сов-
падают по направлению, то энергия распространяется с одинаковым
уровнем и помехи воздействуют значительно меньше. В двухпро-
водной системе ВЧ связи цепи в кабеле находятся в совпадающем
режиме передачи, а при четырехпроводной системе — во встреч-
ном режиме. Это наглядно иллюстрируется рис 1.10, где показа-
но взаимное влияние между цепями при двух- и четырехпроводной
системах связи.
r-L ,
—■*
JL
Т
—
Уровни
rJZ
щ
—
1
т
JT
т
14*1
Уровни
{
а)
б)
Рис. 1.9. Режимы передачи по кабельным цепям: а
б — встречный
совпадающий;

22
Глава 1
Ъ
^2...552 кГц"* О
\ i—'—
-311\.552кГц
Л| |Б
рС]~ ^ J2...552 кГц —*~ ||
N Ток помех
\(12...552кГц)
\ Ток помех
/ (12...552кГц)
12...552кГц-
552 кГц
Р—312-
Ч?
а)
Рис. 1.10. Взаимные влияние в кабелях междугородной связи при системе:
о — двухпроводной; б— четырехпроводной
При двухпроводной системе в каждой цепи передается в направ-
лении от А к Б один спектр частот (например, 12...252 кГц), а в обрат-
ном направлении от Б к А — другой спектр (например, 312...552 кГц).
При четырехпроводной системе передача в прямом (А —► Б) и в обрат-
ном (Б —> А) направлениях осуществляется в одном и том же спектре
частот (например, 12...552 кГц). Поэтому взаимные влияния между
кабельными цепями при двухпроводной системе ВЧ связи меньше,
чем при четырехпроводной.
Оценивая двух- и четырехпроводную систему в целом по всем па-
раметрам, можно признать, что четырехпроводная система обладает
существенными преимуществами по устойчивости и дальности связи
и равноценна двухпроводной системе по числу каналов. Поэтому она
является наиболее целесообразной схемой организации междугород-
ной ВЧ связи. Для повышения помехозащищенности цепей и устра-
нения нежелательного режима встречной передачи на кабельных ма-
гистралях применяется двухкабельная система. В этом случае пря-
мые и обратные цепи помещаются в отдельных кабелях (рис. 1.11).
В результате в каждом кабеле находятся цепи, взаимно согласован-
ные по режиму передачи.
Цепи прямой и обратной передач можно разделить также с по-
мощью электромагнитных экранов, т.е. организовать по экраниро-
а)
б)
Рис. 1.11. Системы связи: о — однокабельная; б—двухкабельная

Современная электрическая связь
23
ванным кабелям ВЧ четырехпроводные цепи при однокабельной си-
стеме связи.
На воздушных линиях четырехпроводные схемы не применяют-
ся, так как для устранения встречного режима передачи пришлось
бы сооружать две параллельные ВЛ, что совершенно нецелесообраз-
но. Поэтому на ВЛ организуется двухпроводная система с разнесен-
ными полосами частот. Ограничения в дальности связи, накладывае-
мые двухпроводной схемой, при учете больших длин трансляционных
участков на ВЛ не имеют существенного значения.
Изложенное выше относится главным образом к симметричным
кабельным линиям. На коаксиальных кабельных магистралях при-
меняется четырехпроводная схема при однокабельной системе связи.
Благодаря высоким экранирующим свойствам коаксиальных цепей
возможна передача в прямом и обратном направлениях по одному
коаксиальному кабелю.
В оптических системах используется однокабельная система свя-
зи. При этом связь может быть организована как по двум волокнам,
так и по одному волокну на разных длинах волн.
1.6. Основные требования
к направляющим системам электросвязи
В общем виде требования, предъявляемые высокоразвитой со-
временной техникой электросвязи к кабельным линиям связи, могут
быть сформулированы следующим образом:
• осуществление магистральной связи на расстояния до 12500 км
в пределах страны и до 25000 для международной связи;
• широкополосность и пригодность для передачи различных ви-
дов современной информации (телевидение, телефония, переда-
ча данных, вещание, передача полос газет и т.д.);
• защищенность цепей от взаимных и внешних помех, а также от
грозы и коррозии;
• стабильность электрических параметров линии, устойчивость и
надежность связи;
• экономичность системы связи в целом.
Кабельная линия междугородной связи представляет собой сло-
жное техническое сооружение, состоящее из большого числа элемен-
тов. Так как линия предназначена для длительной работы (десятки
лет) и на ней должна быть обеспечена бесперебойная работа сотен
и тысяч каналов связи, то ко всем элементам линейно-кабельного
оборудования, и в первую очередь к кабелям и кабельной армату-
ре, входящим в линейный тракт передачи сигналов, предъявляются

24
Глава 1
высокие требования. Выбор типа и конструкции линии связи опреде-
ляется не только процессом распространения энергии вдоль линии,
но и необходимостью защитить расположенные рядом цепи от вза-
имных и внешних влияний.
В соответствии с этим кабельная техника развивается в следу-
ющих направлениях.
1. Преимущественное развитие оптических систем, позволяющих
организовать мощные пучки связи и передачу различных видов ин-
формации на большие расстояния.
2. Создание и внедрение перспективных ОК связи, обеспечиваю-
щих получение большого числа каналов и не требующих для своего
производства дефицитных металлов (медь, свинец).
3. Широкое внедрение в кабельную технику пластмасс (поли-
этилена, полистирола, полипропилена и др.), обладающих хорошими
электрическими и механическими характеристиками и позволяющих
автоматизировать производство.
4. Внедрение алюминиевых, стальных и металлопластмассовых
оболочек. Оболочки должны обладать герметичностью и обеспечи-
вать стабильность электрических параметров кабеля в течение все-
го срока службы.
5. Разработка и внедрение в производство экономичных кон-
струкций оптических кабелей связи для абонентских сетей.
6. Создание недорогих широкополосных электрических кабелей
связи для абонентских сетей.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные достоинства и недостатки радиолиний.
2. Назовите основные достоинства и недостатки кабельных линий свя-
зи.
3. В каком диапазоне частот работают симметричные кабели связи?
4. В каком диапазоне частот работают коаксиальные кабели связи?
5. В каком диапазоне частот работают оптические кабели связи?
6. Почему в настоящее время снижается использование медножиль-
ных электрических кабелей связи?
7. Почему в настоящее время более широко применяются оптические
кабели связи?
8. Почему четырехпроводная схема организации связи уступает место
двухпроводной по защищенности от взаимных влияний?
9. Почему двухпроводная схема организации связи уступает место че-
тырех проводной по устойчивости и дальности связи?
10. Какие основные требования предъявляются к НСЭ?
11. Назовите основные направления развития современных НСЭ.

Глава 2
Принципы построения
и перспективы развития
сети электросвязи
Российской Федерации
2.1. Общие положения
В соответствии с принятым в 2003 г. законом «О связи» за-
вершился период создания и развития Взаимоувязанной сети свя-
зи (ВСС), которая являлась преемницей Единой автоматизирован-
ной сети связи (ЕАСС).
За последние 40 лет связь в России прошла два больших эта-
па [1, 2], в течение которых произошли технологические, организа-
ционно-технические, структурные перемены. Они отразили мировую
технологическую революцию в сфере инфокоммуникаций, изменения
социально-экономической формации в России, завершение индустри-
ального этапа развития мирового общества и переход к глобально-
му информационному этапу.
Современный этап в развитии российских телекоммуника-
ций — это этап превращения российского общества на базе кон-
вергентного объединения информатизации и телекоммуникации в
электронно-информационное общество. Сетевой основой российских
телекоммуникаций определена Единая сеть электросвязи (ЕСЭ).
Исходя из этого, важно рассмотреть особенности новой сетевой струк-
туры, ее отличия от ВСС и определить задачи, направления и тем-
пы ее развития.
ЕСЭ входит в Федеральную связь Российской Федерации, объ-
единяет все сети электросвязи, расположенные на территории Рос-
сии. ЕСЭ предназначена для удовлетворения потребностей населе-
ния, органов государственной власти и управления, обороны, без-
опасности, охраны правопорядка, а также хозяйствующих субъектов
в услугах электросвязи.
ЕСЭ совместно со средствами вычислительной техники и ин-
формационных технологий составляет техническую основу инфра-

26
Глава 2
структуры информатизации российского общества. ЕСЭ явля-
ется технологической основой будущего «электронного» общества
России.
ЕСЭ связана с сетями электросвязи других стран и должна за-
нять важное место в мировом информационном пространстве.
При разработке путей интеграции в мировое и Европейское со-
общество должны учитываться национальные отличия России:
• меньший уровень телефонизации и развития телекоммуникаци-
онных и информационных сетей;
• наличие аналоговой техники на сетях связи;
• недостаточная компьютеризация;
• большая территория России, значительные расстояния, большая
неравномерность плотности населения, развития связи и Интер-
нета по регионам России;
• различия в состоянии экономики и в уровне благосостояния на-
селения.
Развитие ЕСЭ в период до 2015 г. должно учитывать особенно-
сти этого этапа, а именно:
• дальнейшая либерализация рынка услуг электросвязи и расши-
рение на нем справедливой конкуренции операторов;
• дальнейшее развитие услуг электросвязи и спроса на них, осо-
бенно в части подвижной связи, спутникового и кабельного ве-
щания, передачи данных, доступа в Интернет;
• повышение требований к номенклатуре услуг электросвязи и к
их качеству,
• дальнейшее совершенствование телекоммуникационных и ин-
формационных технологий, их конвергенция;
• усиление роли государственного регулирования деятельности в
области связи, особенно в части взаимодействия сетей, распре-
деления ресурса нумерации, осуществления надзора за деятель-
ностью в области связи.
2.2. Цель и задачи развития ЕСЭ России
Генеральной целью развития ЕСЭ является способствование пре-
образованию российского общества в высокоразвитое постиндустри-
альное «электронное» общество [2].
Основными задачами развития ЕСЭ являются достижение коли-
чественных показателей развития сети в соответствии с параметрами
«электронного» общества и обеспечение предоставления постоянно
возрастающего объема услуг связи с нормированным качеством.
Задачами последующего развития ЕСЭ также являются:

Построение сети электросвязи РФ
27
• усиление роли телекоммуникаций в обеспечении национальной
безопасности при различных угрозах мирового и национально-
го характера;
• обеспечение интеграции российской телекоммуникационной ин-
фраструктуры в международные телекоммуникационные сети и
рынок услуг связи.
Исходя из сегодняшних воззрений, основным видом телеком-
муникационной сети, отвечающей поставленным задачам, является
мультисервисная сеть связи.
2.3. Принципы построения
и функционирования ЕСЭ
Следует выделить три важных группы принципов, которые ле-
жат в основе построения и функционирования всех сетей электросвя-
зи и одновременно учитывают особенности ЕСЭ: базовые принципы;
структурные принципы; организации служб и систем связи.
Базовые принципы определяют общие основы построе-
ния сетей связи. К ним относятся принципы:
• организации сети как совокупности узлов распределения потоков
сообщений и линий передачи между ними;
• взаимоувязки и взаимодействия сетей различных типов и на-
значений;
• иерархического построения сетей;
• разделения сетей на сети общего и ограниченного пользования;
• организации транспортных сетей и сетей доступа;
• устойчивого и безопасного функционирования сетей;
• соответствия международным и национальным стандартам и ре-
комендациям.
Структурные принципы определяют основы построения
структурных элементов сетей. К ним, в частности, относятся:
• территориальное разделение сетей на магистральные, внутризо-
новые и местные;
• разделение узлов сети в зависимости от назначений на классы
и типы;
• комплексное использование различных линий и средств связи
(кабельных, радио, в том числе спутниковых);
• построение трехсвязанной топологии магистральной первичной
сети, при которой между любой парой узлов обеспечивается три
пути, проходящие по трем географически разнесенным трассам;
• взаимоувязка сетей, принадлежащих различным операторам, пу-
тем организации общих узлов и линий связи;

28
Глава 2
• охват сетей системами управления и мониторинга.
К принципам организации служб и систем связи отно-
сятся:
• организация служб переноса (без функций оконечных абонент-
ских устройств) и телеслужб (с функциями оконечных абонент-
ских устройств);
• организация служб доступа к сетевым информационным ресур-
сам (информационно-справочные службы);
• организация системы нумерации;
• организация систем управления соединениями, маршрутизации
вызовов, сигнализации;
• организация абонентских и клиентских служб;
• организация службы универсального обслуживания;
• расширение номенклатуры служб и услуг, развитие мультиме-
дийных служб.
2.4. Классификация сетей электросвязи
На ЕСЭ имеется множество сетей, различающихся по назначе-
нию, типам, характеристикам и размерам.
Следует отличать сети электросвязи от инфокоммуникацион-
ных сетей:
сеть связи (или телекоммуникационная сеть) — это техноло-
гическая система, которая состоит из линий и каналов связи, узлов,
оконечных станций и предназначена для обеспечения пользователей
электрической связью с помощью абонентских терминалов, подклю-
чаемых к оконечным станциям;
инфокоммуникационная сеть (ранее применялись также терми-
ны «информационная сеть», «компьютерная сеть» и др.) — это тех-
нологическая система, которая включает в себя, кроме сети связи,
также средства хранения, обработки и поиска информации и пред-
назначена для обеспечения пользователей электрической связью и
доступом к необходимой им информации.
Процессы интеграции и конвергенции связи и средств информа-
тизации будут способствовать в период до 2015 г. превращению теле-
коммуникационных сетей в инфокоммуникационные сети.
ЕСЭ в соответствии со ст. 12 ФЗ «О связи» состоит из сетей сле-
дующих категорий (рис. 2.1):
• сеть связи общего пользования;
• выделенные сети связи;
• технологические сети связи;
• сети специального назначения.

Построение сети электросвязи РФ
29
Единая сеть электросвязи
Сеть связи
общего пользования
Сети ограниченного
пользования
Выделенные
сети связи
Технологические
сети связи
Сети специального
назначения
Рис. 2.1. Классификация сетей связи ЕСЭ по категориям
Сеть связи общего пользования (ОП) предназначена для предо-
ставления услуг электросвязи любому пользователю на территории
Российской Федерации. Сеть связи ОП включает сети с географиче-
ской (ABC) и негеографической (DEF) системой нумерации. Сеть
связи ОП представляет собой комплекс взаимодействующих сетей
связи, включая сети связи для распространения программ телеви-
зионного и радиовещания. Сети общего пользования Российской Фе-
дерации имеют присоединение к сетям связи общего пользования ино-
странных государств.
Выделенные технологические, а также сети связи специально-
го назначения образуют группу сетей ограниченного пользования
(ОгП), так как контингент их пользователей ограничен корпоратив-
ными клиентами.
Выделенные сети связи — это сети, предназначенные для предо-
ставления услуг ограниченному кругу пользователей. Такие сети
могут взаимодействовать между собой, но не имеют присоединения
к сетям общего пользования ЕСЭ, а также к сетям связи общего
пользования иностранных государств. Выделенная сеть может быть
присоединена к сети общего пользования ЕСЭ с переводом в кате-
горию сети общего пользования, если она соответствует ее требо-
ваниям.
Технологические сети связи предназначены для обеспечения
производственной деятельности организаций и управления техноло-
гическими процессами. При наличии свободных ресурсов эти сетевые
ресурсы могут быть присоединены к сети общего пользования ЕСЭ
с переводом в категорию сетей общего пользования и использованы
для предоставления возмездных услуг любому пользователю.
Сети связи специального назначения предназначены для обеспе-
чения нужд государственного управления, обороны, безопасности и
охраны правопорядка в Российской Федерации. Такие сети не могут

30
Глава 2
использоваться для возмездного оказания услуг связи, если иное не
предусмотрено законодательством Российской Федерации.
Следует отметить, что приведенные категории сетей отличаются
от тех, которые применялись в ВСС на основании закона «О связи»
1995 г. Напомним, что в состав ВСС входили сеть связи ОП, ведом-
ственные сети связи и сети связи специального назначения. Таким
образом, появилась новая категория сетей связи — выделенные сети,
а ведомственные сети получили наименование технологических.
По функциональному признаку сети ЕСЭ разделяются на сети
доступа и транспортные сети.
Транспортной является та часть сети связи, которая выполня-
ет функции переноса (транспортирования) потоков сообщений от их
источников из одной сети доступа к получателям сообщений дру-
гой сети доступа путем распределения этих потоков между сетями
доступа.
Сетью доступа сети связи является та ее часть, которая связы-
вает источник (приемник) сообщений с узлом доступа, являющимся
граничным между сетью доступа и транспортной сетью.
По типу присоединяемых абонентских терминалов сети ЕСЭ раз-
деляются на:
сети фиксированной связи, обеспечивающие присоединение ста-
ционарных абонентских терминалов;
сети подвижной связи, обеспечивающие присоединение подвиж-
ных (перевозимых или переносимых) абонентских терминалов.
Сети традиционно разделяются на первичные и вторичные.
Первичная сеть представляет собой совокупность каналов и
трактов передачи, образованных оборудованием узлов и линий пе-
редачи (или физических цепей), соединяющих эти узлы. Первичная
сеть предоставляет каналы передачи (физические цепи) во вторич-
ные сети для образования каналов связи.
Вторичная сеть представляет собой совокупность каналов свя-
зи, образуемых на базе первичной сети путем их коммутации (марш-
рутизации) в узлах коммутации и организации связи между абонент-
скими устройствами пользователей.
По территориальному делению сети разделяются на:
магистральную сеть — это сеть, связывающая между собой уз-
лы центров субъектов Российской Федерации и узлы центра Россий-
ской Федерации. Магистральная сеть обеспечивает транзит потоков
сообщений между зоновыми сетями и связанность ЕСЭ — стратеги-
чески важный компонент ЕСЭ;

Построение сети электросвязи РФ
31
зоновые (или региональные) сети — сети связи, образуемые в
пределах территории одного или нескольких субъектов Федерации
(регионов);
местные сети — сети связи, образуемые в пределах админи-
стративной или определенной по иному принципу территории и не
относящиеся к региональным сетям связи. Местные сети подразде-
ляются на городские и сельские;
международная сеть — сеть общего пользования, присоединен-
ная к сетям связи иностранных государств.
По кодам нумерации сети разделяются на два класса:
сети кода ABC — это сети стационарной связи, охватывающие
территорию 8-миллионной зоны нумерации ABC;
сети кода DEF — это сети мобильной связи, которым выде-
лен код DEF.
По организационно-техническому построению магистральные се-
ти ЕСЭ разделяются на два класса:
магистральные сети I класса — сети, удовлетворяющие всем
организационно-техническим требованиям ЕСЭ в части обеспечения
устойчивости и живучести сети, защищенности от информационных
угроз и воздействия дестабилизирующих факторов;
магистральные сети II класса — сети, не полностью удовлетво-
ряющие этим требованиям.
По числу служб электросвязи сети бывают:
• моносервисные, предназначенные для организации одной служ-
бы электросвязи (например, радиовещания);
• мультисервисные, предназначенные для организации двух и бо-
лее служб электросвязи (например, телефонной, факсимильной
и нескольких мультимедийных служб).
По видам коммутации вторичные сети разделяются на неком-
мутируемые и коммутируемые (с коммутацией каналов, сообщений,
пакетов).
По характеру среды распространения сети разделяются на про-
водные, радио- и смешанные. В свою очередь, радиосети разделя-
ются на спутниковые и наземные.
Сети общего пользования различаются по объему обслуживае-
мой территории: сеть оператора связи, занимающего существенное
положение (имеет более 25 % монтированной емкости коммутации
или пропускает более 25 % трафика); сети других операторов.
Следует отметить, что настоящая классификация сетей связи,
входящих в ЕСЭ, вводится впервые с целью ее апробации и в про-
цессе дальнейшей эволюции сетей будет видоизменяться и уточнять-
ся [2].

32
Глава 2
2.5. Стратегия развития сети общего
пользования
В общем составе сетей, входящих в ЕСЭ, сеть общего пользова-
ния является доминирующей, обслуживает подавляющее число поль-
зователей ЕСЭ и определяет устойчивость функционирования ЕСЭ
в целом.
Роль и значение сети ОП будет возрастать по мере продвижения
к «электронному» обществу в процессе образования единого инфор-
мационного пространства России. В настоящем виде она является
совокупностью технологически сопряженного множества сетей обще-
го пользования различных операторов.
Существующее состояние сетей ОП характеризуется высокими
темпами внедрения новых технологий (волоконно-оптическая техно-
логия со спектральным уплотнением, доступ в Интернет, подвиж-
ная связь, цифровое телевидение), новых услуг, динамичным ростом
объемных показателей. Вместе с тем, указанные позитивные про-
цессы еще не охватили все сети. Поэтому сеть ОП России отличает-
ся крайней неравномерностью: наряду с передовыми технологиями
на сети пока имеется устаревшее оборудование, на ней не внедрено
универсальное обслуживание, имеются населенные пункты, не име-
ющие связи вообще.
Мировыми тенденциями в развитии сетей ОП являются глобали-
зация, т.е. объединение национальных сетей в мировые; конверген-
ция телекоммуникационных и информационных сетей и превраще-
ние их в инфокоммуникационные сети; интеграция сетей ОП и сетей
ограниченного пользования с целью предоставления корпоративным
и спецабонентам специфических услуг путем образования виртуаль-
ных частных сетей на базе сетей ОП.
Такой перспективой на данном этапе развития ЕСЭ следует счи-
тать переход к построению мультисервисных сетей с предоставлени-
ем любому пользователю на территории Российской Федерации как
общедоступных услуг универсального обслуживания, так и новых,
перспективных.
Мультисервисные сети должны позволять переносить все су-
ществующие виды информации (видео, неподвижные изображения,
аудио, речь, графику, тексты, данные) с различными категориями
качества.
Каждая фаза перехода от традиционных сетей связи к мульти-
сервисным характеризуется тремя основными составляющими:
• спросом на традиционные и новые инфокоммуникационные
услуги;

Построение сети электросвязи РФ
33
• набором существующих и строящихся подсистем мультисервис-
ных сетей и этапом внедрения новых технологий;
• уровнем подготовленности мировых технических стандартов и
степенью проработанности нормативно-правовой базы по муль-
тисервисным сетям.
До 2015 г. в стратегии предусматривается параллельная реали-
зация двух методов развития сетей ЕСЭ:
• интеграция (объединение) существующих сетей (включая сети
подвижной связи, вещания и Интернет) в единую «федерацию
сетей»;
• разработка и реализация мультисервисных сетей. Такие сети
должны более полно реализовать тенденцию конвергенции (сли-
яния) сетей электросвязи между собой и с информационными
сетями.
Примерно за последние два десятилетия благодаря оказанию
приемлемых по ценам услуг для многих миллионов потребителей, ре-
ализации практически неограниченной пропускной способности циф-
ровых волоконно-оптических систем передачи и быстродействующих
электронных коммутационных систем с перспективным доведением
цифрового потока до абонента создана и успешно реализуется техни-
ческая база для развития экономически эффективной электросвя-
зи страны [3].
В перспективе определяющим будет только качество услуг свя-
зи, а не сомнительная экономия на определенных этапах при их
создании.
Сеть электросвязи состоит из двух основных компонентов: уз-
лов и каналов, соединяющих узлы между собой, а также с терми-
налами пользователей.
Предназначение каналов в сети — это перенос информации меж-
ду заданными точками, т.е. каналы являются необходимыми компо-
нентами всякой сети. Предназначение коммутации — направление
потоков информации от отправителя к получателю. Работа комму-
татора внешне выглядит очень просто — он берет поступающий с
одного порта трафик и выдает его через другой порт.
В настоящее время наиболее совершенными являются два метода
коммутации: коммутация каналов (КК) и коммутация пакетов (КП).
Важно подчеркнуть, что сети КК и КП отличаются не только
методами коммутации, но и методами передачи. В сетях КК пере-
даются и коммутируются целые сообщения, в сетях КП сообщения
на передаче делятся на отрезки, называемые пакетами, которые пе-
редаются по каналам и коммутируются в узлах коммутации (УК).
2 5440

34
Глава 2
В сетях К К адрес имеет сообщение, в сетях данных — пакет. В сетях
КК адрес сообщения передается в процессе установления соедине-
ния, после чего передается сообщение. В сетях КП адрес пакета
передается в составе пакета.
Следует отметить, что значительную роль как в системах КП,
так и в системах КК играет система передачи.
Параллельно с совершенствованием систем коммутации разви-
вались и методы передачи, причем в том же направлении — умень-
шения стоимости сети.
Таким образом, в сетях связи происходят три процесса: пере-
дача, коммутация и интеграция. И именно процесс интеграции на-
кладывает на технологии передачи и коммутации характерные осо-
бенности, которые в значительной степени определяют достоинства
и недостатки сетей КК и КП.
2.6. Принципы построения сети связи
общего пользования
Фиксированная сеть связи общего пользования (ОП) России —
это составная часть Единой сети электросвязи Российской Федера-
ции, которая представляет собой совокупность телефонных сетей
операторов связи различных форм собственности, включая сети с
негеографической зоной нумерации, предназначенные для удовле-
творения потребностей населения и организаций в услугах связи и
передаче телефонных и нетелефонных сообщений в пределах стра-
ны и для выхода на международную сеть [4]. Особенность сети со-
стоит в том, что ее абонентский доступ имеет фиксированную точ-
ку подключения. По основным производственным фондам и объему
предоставляемых услуг сети ОП России представляют собой доми-
нирующую часть ЕСЭ РФ.
Телефонная сеть ОП построена по иерархическому принципу и
имеет три уровня иерархии: зоновый; междугородный; междуна-
родный [4].
Зоновый уровень сети ОП представляет совокупность местных
(городских, сельских, комбинированных) и внутризоновых телефон-
ных сетей, расположенных на территории субъекта Российской Фе-
дерации.
Междугородный уровень сети ОП обеспечивает соединения меж-
ду различными зонами нумерации по территории России, а также их
выход на международный уровень сети ОП.
Международный уровень сети ОП предназначен для предостав-
ления исходящей /входящей международной связи абонентам России

Построение сети электросвязи РФ
35
с абонентами других стран, а также пропуска транзитной междуна-
родной нагрузки между различными странами.
В настоящее время телефонная сеть общего пользования Рос-
сии, обеспечивающая предоставление услуг междугородной, между-
народной связи, по составу коммутационного оборудования являет-
ся аналого-цифровой. Проводятся большие работы на всех уровнях
сети связи ОП по замене устаревшего аналогового оборудования на
современное цифровое.
Рассмотрим в соответствии с [4] принципы построения сети свя-
зи ОП на отдельных уровнях.
2.6.1. Принципы построения национального
сегмента международного уровня сети связи ОП
Национальный сегмент международного уровня иерархии сети
ОП России представляет собой совокупность международных центров
коммутации (МЦК), международных телефонных станций (МНТС),
расположенных на территории России, международных каналов, свя-
зывающих их между собой и с МЦК других стран.
МЦК являются оконечно-транзитными станциями национально-
го сегмента международного уровня сети, тогда как МНТС выпол-
няют только функции оконечных станций.
В каждый МЦК, МНТС могут быть включены международные
каналы связи со странами в различных географических направлени-
ях. При этом в разные МЦК, МНТС могут быть включены направ-
ления к одним и тем же странам мира.
Национальный сегмент международного уровня сети ОП России
через МЦК обеспечивает пропуск международного трафика на Рос-
сию, включая международный транзитный трафик на другие страны.
Все МЦК связаны между собой пучками каналов высокого качества
по полносвязной схеме. Каждая МНТС должна быть связана со все-
ми МЦК национального сегмента международной телефонной сети.
Все автоматические междугородные телефонные станции
(АМТС) распределены между МЦК, МНТС. Каждая АМТС связана
с одним опорным МЦК, МНТС и может быть подключена к двум
МЦК, МНТС и более.
Исходящая международная связь осуществляется через АМТС
зоны вызывающего абонента по прямому пучку к МЦК, МНТС
или через узел автоматической коммутации (УАК). При отсутствии
требуемого направления на опорном МЦК международная связь
осуществляется через второй национальный МЦК по маршруту:
АМТС — МНТС (МЦК) — МЦК — международная сеть другой
страны.

36
Глава 2
к/от МЦК других стран
к платформе
ЙСС
Зоновая сеть
Рис. 2.2. Структура национального сегмента международного уровня иерархии
сети ОП России
Каждый УАК имеет связь как минимум с двумя МЦК, МНТС,
при необходимости их количество может быть увеличено.
В городах, где установлены МЦК или МНТС, допускается непо-
средственное включение цифровых оконечно-транзитных станций
(ОТС, ТС) этих городов в МЦК, МНТС, минуя АМТС зоны нуме-
рации.
Входящая международная связь осуществляется через нацио-
нальный МЦК, МНТС непосредственно к АМТС зоны вызываемо-
го абонента или через УАК, а также возможен вариант входящей
международной связи от МЦК через второй МЦК, МНТС к стан-
ции назначения по маршруту: национальный МЦК — национальная
МНТС (МЦК) — национальная АМТС.
В городах, где установлены МЦК, МНТС, возможна непосред-
ственная входящая связь МЦК, МНТС к станциям местной сети.
Международное соединение по национальному сегменту сети ОП
должно проходить не более чем через два МЦК (входящее соедине-
ние: МЦК — МЦК, МНТС, исходящее соединение: МЦК, МНТС —
МЦК).

Построение сети электросвязи РФ
37
Допускается использование спутниковой системы передачи
(ССП) на национальном участке при международном соединение, ес-
ли нет возможности организации соединения по наземным линиям.
Структура национального сегмента международного уровня
иерархии сети ОП России показана на рис. 2.2.
2.6.2. Принципы построения междугородного
уровня сети связи ОП
Существующий междугородный уровень иерархии сети ОП пред-
ставляет собой комплекс оборудования, включающий автоматиче-
ские междугородные телефонные станции, узлы автоматической ком-
мутации, взаимодействующие между собой по междугородным кана-
лам, а также междугородные каналы к междугородным станциям
национальной сети.
В качестве АМТС может использоваться комбинированная теле-
фонная станция (АМТС/АТС), совмещающая функции станций как
междугородной, так и зоновых сетей.
Междугородный уровень сети ОП построен по иерархическому
принципу и имеет два подуровня. Верхний уровень — транзитный,
полносвязная сеть УАК; нижний — оконечные междугородные стан-
ции в зонах нумерации, которые имеют выход к УАК. В составе
междугородного уровня, при экономической целесообразности, мо-
гут быть оконечно-транзитные станции, которые выполняют функ-
ции узла и оконечной станции. В этом случае ОТС должны быть
вписана в полносвязную сеть УАК.
Междугородный иерархический уровень сети ОП строится с об-
ходами. Между оконечными АМТС организованы прямые пути вы-
сокого использования, а от АМТС на УАК (ОТС) — обходные пу-
ти высокого качества.
Прямые пучки между АМТС организуются при выполнении кри-
териев организации прямых пучков. Каждая АМТС должна иметь
выход, как минимум, на два УАК (ОТС), а при наличии достаточных
тяготений и на большее число УАК (ОТС).
Порядок прохождения трафика между АМТС по междугородной
сети определяется для каждого региона в зависимости от количества
возможных путей к пункту назначения, от загрузки сети и т.д.
Для формирования маршрутов установления соединений необ-
ходимо на каждой станции (узле) иметь данные по анализу приня-
той управляющей информации и маршрутные таблицы, в которых
определяются возможные варианты прохождения соединений к кон-
кретному пункту назначению. Данные маршрутных таблиц периоди-

кМЦК/МНТС
АМТС АМТС
Рис. 2.3. Структура междугородного уровня иерархии сети ОП:
УСС — узел спецслужб; ОП — обходной путь; ПП — прямой путь
чески меняются при организации новых направлений и изменений
сетевой конфигурации.
Использование спутниковых каналов допускается на прямых
пучках каналов. Использование таких каналов на обходных путях
допускается лишь на одном участке ОП. На национальной сети Рос-
сии в одном междугородном соединении допускается только один
участок спутникового канала. Два участка допускается при отсут-
ствии наземной связи к требуемой сети и в экстремальных условиях.
Если АМТС и МНТС или МЦК находятся в одном городе, то
АМТС может иметь прямой выход на МНТС или МЦК.
Структура междугородного уровня сети ОП представлена на
рис. 2.3.
2.6.3. Зоновые телефонные сети
Городские телефонные сети. На ГТС применяются следу-
ющие разновидности структуры: районированная без узлообразова-
ния; районированная с узлами входящих сообщений (УВС); райони-
рованная с У ВС и узлами исходящих сообщений (УИС).
Выбор той или иной структуры зависит не только от емкости се-
ти, но и от плотности размещения АТС в пределах сети, а также от
вида технологии, используемой на транспортном уровне. Большин-
ство ГТС организованы по принципу узлообразования.

Построение сети электросвязи РФ
39
Рис. 2.4. Вариант схемы организации перспективной структуры ГТС
Организация узлообразования осуществляется в соответствии с
возможностями электромеханических АТС, емкость которых не мо-
жет превышать 10000 номеров. Для электронных АТС (АТСЭ) тако-
го ограничения не существует, в связи с чем организация 100000-ных
узловых районов теряет смысл.
При появлении на сети нескольких АТСЭ большей емкости, уста-
новленных в качестве замены нескольких электромеханических АТС,
исчезает необходимость организации связи данных АТСЭ через тран-
зитный узел (УВС и УИС), так как сама АТСЭ при этом может слу-
жить транзитным узлом. В этом случае АТСЭ выполняет функции
оконечно-транзитной станции (ОТС). Очевидно, что при установке
крупных ОТС их количество по сравнению с количеством обычных
РАТС уменьшается, и они могут быть соединены без применения уз-
лообразования (рис. 2.4).
На сетях без узлообразования замена нескольких АТС малой ем-
кости на АТС большой емкости имеет тот же результат — умень-
шения количества АТС и соединения АТС по принципу «каждая с
каждой».
Выбор структуры сети сводится к определению прямых направ-
лений между ОТС и маршрутами обходных направлений. Следова-
тельно, в результате расчетов определяется емкость транзитных свя-
зей. Чисто транзитные станции (ТС), как правило, неэффективны и
могут применяться только в двух случаях:
• число транзитных связей через ОТС настолько велико, что пол-
ностью загружает процессор и невозможно включение абонент-
ских линий;
• отсутствует необходимость включения абонентов.

40
Глава 2
В этих двух случаях ОТС переходит в ранг ТС. Если в резуль-
тате расчетов выяснится, что емкость транзитных связей ОТС равна
нулю, то ОТС переходит в ранг оконечной станции (ОС).
Сельские телефонные сети (СТС). На СТС ЕСЭ РФ исполь-
зуются одно- и двухступенчатая схемы построения, выбор которых
производится при проектировании на основе технико-экономического
сравнения вариантов построения сети. По назначению и месту рас-
положения на сети телефонные станции СТС делятся на следующие
виды: ЦС (центральная станция), УС (узловая станция) и ОС (око-
нечная станция).
Кроме того, в случае, когда крупный город, имеющий райониро-
ванную ГТС, является одновременно центром сельского администра-
тивного района, ГТС и СТС образуют единую местную комбиниро-
ванную телефонную сеть. В таком случае на ГТС формируется тран-
зитный узел сельско-пригородной связи (УСП), через который орга-
низуются все виды входящей и исходящей связи для абонентов СТС.
На большинстве сельских сетей вследствие невысокой плотности
абонентов устанавливаются АТСЭ небольшой емкости, адаптирован-
ные для применения на СТС, при этом в зависимости от конкрет-
ной ситуации АТСЭ могут выполнять функции ЦС, УС или ОС. При
установке АТСЭ в качестве центральной станции оконечные АТС
могут заменяться сетями доступа с интерфейсом V5 или выносны-
ми модулями АТС.
Основными направлениями развития СТС для ее перехода к сети
следующего поколения должны являться:
• переход к однозвенной структуре с использованием мощных уз-
лов коммутации (далее ОС) на уровне ЦС или нескольких ЦС и
оборудования сети доступа на уровне бывшей ОС и УС (рис. 2.5).
Организация поперечных связей между ОС сельской сети и
между ОС сельской и городской сетей при наличии технико-
экономического обоснования;
• использование системы сигнализации ОКС7 между ОС и ОС и
АМТС. Использование оборудования интерфейса V5 для под-
ключения абонентских выносов;
• использование систем передачи PDH и SDH. Использование
кольцевых топологий систем передачи как для подключения або-
нентских выносов, так и для организации связи между ОС. Ис-
пользование технологий xDSL и WLL при построении линейных
сооружений;
• реализация на уровне ОС средств доступа к сети Интернет
(RAS);

Построение сети электросвязи РФ
41
1\
ОС \
Существующая NN
структура СТС \
Рис. 2.5. Вариант схемы организации перспективной структуры СТС
• построение единой системы технического обслуживания и экс-
плуатации сельской телефонной сети;
• переход к единой системе нумерации.
Внутризоновые телефонные сети. Существующая схема
организации внутризоновой сети в географической зоне нумерации
предусматривает включение всех местных сетей зоны в АМТС по ра-
диальному принципу, т.е. по заказно-соединительным линиям (ЗСЛ)
для исходящей связи и по соединительным линиям междугородным
(СЛМ) для входящей связи.
При формировании зоновой сети необходимо предусматривать
выход от АМТС на узлы спецслужб зоновой сети.
С установкой электронных станций на местных сетях зоны ну-
мерации и переводом первичной сети на цифровые системы переда-
чи появляется возможность организации прямых пучков внутризоно-
вой сети между разными местными сетями зоны нумерации. В этом
случае местные сети имеют на внутризоновой сети прямой путь и
обходной через АМТС.
При установке на сетях географических зон нумерации несколь-
ких АМТС, последние могут быть расположены в одном городе или
в разных городах зоны. В этом случае возможны разные варианты
распределения местных сетей при подключении их к АМТС.
Если АМТС расположены в разных городах зоны нумерации, то
возможен вариант, когда часть местных сетей подключается к од-

42
Глава 2
Рис. 2.6. Вариант схемы организации перспективной внутризоновой сети
ной АМТС, а другая — к другой АМТС. Кроме этого допускается
вариант включения некоторых местных сетей во все АМТС зоны.
Если АМТС расположены в одном городе зоны нумерации, то
возможно деление местных сетей при подключении к разным АМТС.
Другим вариантом подключения местных сетей к АМТС явля-
ется подключение всех местных сетей ко всем АМТС, при этом воз-
можен вариант, когда одна АМТС будет выполнять функции исхо-
дящей АМТС, а другая — входящей.
На сегодняшний день на внутризоновых телефонных сетях по-
давляющего числа операторов используется электронное коммута-
ционное оборудование. На сетях, где еще сохранились квазиэлек-
тронные АМТС, они используются, как правило, совместно с совре-
менными цифровыми АМТС.
По мере цифровизации зоновых сетей, т.е. с заменой аналого-
вого оборудования как коммутационного, так и систем передачи на
цифровые, может поменяться идеология построения внутризоновых
сетей. Перспективный вариант построения внутризоновой сети пред-
ставлен на рис. 2.6.
Контрольные вопросы
1. Какая основная цель и задачи развития ЕСЭ России?
2. Какие основные сети связи входят в ЕСЭ?
3. Каково назначение сети связи общего пользования?
4. Каково назначение технологических сетей связи?

Построение сети электросвязи РФ
43
5. Каково назначение выделенных сетей связи?
6. Каково назначение сети специального назначения?
7. Что такое первичная сеть?
8. Что такое вторичная сеть?
9. Как классифицируются сети по территориальному делению?
10. Какова стратегия развития сети общего пользования?
11. Что из себя представляет зоновый уровень сети ОП?
12. Что из себя представляет междугородный уровень сети ОП?
13. Что из себя представляет международный уровень сети ОП?
14. Какие разновидности структуры применяются на ГТС?
15. От каких основных факторов зависит выбор структуры ГТС?
16. Назовите основные направления развития СТС при переходе к се-
ти следующего поколения.

Глава 3
Конструкции и характеристики
направляющих систем связи
3.1. Общие положения
На сетях связи страны широкое применение находят электриче-
ские и оптические направляющие системы связи. Проводными на-
правляющими системами связи являются кабели связи.
В настоящее время в России новые магистральные, внутризоно-
вые и межстанционные линии ГТС Министерства информационных
технологий и связи строятся в основном с применением волоконно-
оптических кабелей связи.
Электрические кабели, проложенные ранее, продолжают экс-
плуатироваться. На абонентских сетях эти кабели находят еще до-
статочно широкое применение.
В связи с более широким применением на сетях связи волоконно-
оптических кабелей в настоящей главе более подробно рассмотре-
ны их конструкции. Конструкции электрических кабелей освеще-
ны менее подробно.
3.2. Электрические кабели связи
3.2.1. Классификация электрических кабелей связи
Кабель связи представляет собой совокупность изолированных
проводников (жил), скрученных по определенной системе и заклю-
ченных в общую влагонепроницаемую оболочку (рис. 3.1).
Электрические кабели связи классифицируются по следующе-
му ряду признаков:
• область применения — магистральные кабели связи, кабели
внутризоновой (внутриобластной) связи, кабели сельской свя-
зи, городские телефонные кабели, кабели для соединительных
линий и вставок;

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 45
Рис. 3.1. Общий вид кабеля: 1 — сер-
дечник; 2 — оболочка; 3 — броневой Рис. 3.2. Кабельные цепи: а — симмет-
покров ричная; б—коаксиальная
• условия прокладки и эксплуатации — кабели подземные, под-
водные и воздушные (или кабели воздушной подвески);
• конструкция — в зависимости от взаимного расположения про-
водников физической цепи — симметричные и коаксиальные.
Симметричная цепь состоит их двух одинаковых в конструктив-
ном и электрическом отношении проводников (рис. 3.2,а). Коак-
сиальная цепь представляет собой два цилиндра с совмещенной
осью, причем один цилиндр — сплошной проводник концентри-
чески расположен внутри другого цилиндра, полого (рис. 3.2,6);
• спектр передаваемых частот — кабели низкочастотные (до
10 кГц) и высокочастотные (свыше 10 кГц);
• вид скрутки изолированных проводников в группы — кабели
парной скрутки и кабели четверочной (звездной) скрутки, ка-
бели повивной и пучковой скрутки;
• род защитного покрова — кабели с металлическими, пластмассо-
выми и металлопластмассовыми оболочками. Броневой покров
кабелей выполняется из стальных лент (для подземной проклад-
ки), из круглых стальных проволок (для защиты от растягива-
ющих усилий).
3.2.2. Конструктивные элементы симметричных
кабелей связи
Токопроводящие жилы. Проводники или токопроводящие
жилы должны удовлетворять следующим основным требованиям: об-
ладать высокой электрической проводимостью, большой гибкостью
и достаточной механической прочностью.
Наибольшее применение при производстве кабелей связи полу-
чила медь. Для кабельных жил применяется в основном мягкая про-
волока марки ММ с удельным сопротивлением р = 0,0175 Ом • мм2/м.

46
Глава 3
Для симметричных высокочастотных кабелей наибольшее примене-
ние находят медные жилы диаметром 0,9; 1,05; 1,2 мм. В кабелях
городских телефонных сетей наибольшее распространение получили
медные жилы диаметром 0,32; 0,4; 0,5; 0,7 мм.
Изоляция токопроводящих жил. В электрическом отношении
свойства изоляционных материалов определяются следующими ха-
рактеристиками:
• электрической прочностью Unp, при которой происходит пробой
изоляции;
• удельным электрическим сопротивлением при постоянном токе
р, характеризующим ток утечки диэлектрика;
• диэлектрической проницаемостью е, характеризующей степень
смещения зарядов (поляризации) в диэлектрике при воздействии
на него электрического поля;
• тангенсом угла диэлектрических потерь tg S, характеризующим
потери энергии в диэлектрике.
Материалы, служащие для изолирования кабельных жил, долж-
ны иметь высокое удельное объемное сопротивление, малые диэлек-
трические потери, низкое значение диэлектрической проницаемости,
обладать эластичностью. Кроме того, они должны легко поддаваться
технологической обработке, быть стойкими к старению.
По электроизоляционным характеристикам желательно, чтобы
изоляция приближалась к свойствам воздуха (tg S = 0, е = 1, р = оо),
который является практически идеальным диэлектриком. В кабелях
связи в качестве изоляции применяют комбинированный диэлектрик,
состоящий из воздуха и твердого материала, что позволяет выпол-
нять условие симметрии цепей.
Наибольшее применение в качестве изоляционного материала в
кабелях связи получили кабельная бумага, полистирол, полиэтилен
и другие полимеризационные пластмассы. В табл. 3.1 представлены
основные характеристики кабельных диэлектриков.
Таблица 3.1
Основные характеристики кабельных диэлектриков
Диэлектрик
Кабельная бумага
Полистирол
Полиэтилен сплошной
Полиэтилен пористый
Поливинилхлорид
Плотность,
г/см3
0,7
1,05
0,92
0,47
1,2б...1,40
£
2...2,5
2,5...2,7
2,2...2,3
1,45...1,50
3...6
и,
кВ/мм
5
40
30
6...10
30
tg(M0-4
при частоте 1 МГц
400
2
3
5
400

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 47
Рис. 3.3. Типы изоляции симметричных кабелей связи
Наиболее широкое применение в симметричных кабелях связи
получили следующие типы изоляции:
• трубчатая, выполняется в виде бумажной ленты, наложенной в
виде трубки (рис. 3.3,а), бывает и бумажно-пористая изоляция,
представляющая собой однородный слой бумаги;
• кордельная, состоит из корделя, расположенного спирально на
проводнике, и ленты, которая накладывается поверх корделя
(рис. 3.3,6);
• сплошная, выполняется из сплошного слоя пластмассы
(рис. 3.3,в);
• пористая, выполняется из сплошного слоя пенопласта
(рис. 3.3,г);
• баллонная, представляет собой тонкостенную пластмассовую
трубку, внутри которой свободно располагается проводник, труб-
ка периодически по спирали обжимается и надежно удерживает
жилу в центре изоляции (рис. 3.3,д,е).
В последние годы получила широкое распространение трехслой-
ная пленко-пористая полиэтиленовая изоляция. На рис. 3.4 показано
поперечное сечение изолированной жилы. Изоляция жилы состоит
из трех концентрических слоев полиэтилена низкой плотности. На-
ружный 1 и внутренний 2 слои представляют сплошное пленочное
покрытие. Между ними расположен основной промежуточный слой
«■?, имеющий вспененную (пористую) структуру.
Изоляция окрашена в четыре цвета: красный, зеленый, желтый
и синий. Пигмент введен в наружное пленочное покрытие. Пленко-
пористая изоляция, наложенная на медную жилу, отличается повы-
шенной геометрической и диэлектрической однородностью благодаря
автоматическому регулированию диаметра, погонной емкости и экс-
центриситета изолированной жилы.

48
Глава 3
Рис. 3.4. Трехслой-
ная пленко-пористая
полиэтиленовая изо-
ляция
Образование групп. Отдельные изолированные жилы скру-
чиваются в группы, называемые элементами симметричного кабеля.
В результате жилы цепи становятся в одинаковые условия по от-
ношению друг к другу, в связи с чем снижаются электромагнитные
связи между цепями и повышается защищенность их от взаимных
и внешних помех.
Существует несколько способов скрутки жил в группы:
• скрутка парная «П» (рис. 3.5,а);
• скрутка звездная «3» (рис. 3.5,6);
• скрутка двойная парная «ДП» (рис. 3.5,в);
• скрутка двойная звездная «ДЗ» (рис. 3.5,г).
Наиболее экономичной, обеспечивающей лучшую стабильность
по электрическим параметрам, является звездная скрутка. Эта
скрутка получила преимущественное применение в высокочастотных
симметричных кабелях связи. Парная скрутка является наиболее
простой в производстве и применяется в основном при изготовлении
городских телефонных кабелей.
Скрутки «ДП» и «ДЗ» не получили широкого применения в су-
ществующих конструкциях симметричных кабелей связи из-за уве-
личения количества операций скрутки.
Построение кабельного сердечника. Скрученные в группы изо-
лированные жилы систематизируют по определенному закону и объ-
единяют в общий кабельный сердечник.
Различают две разновидности кабельной скрутки:
• однородную, отличительным признаком которой является оди-
наковая структура и одинаковый диаметр всех образующих сер-
дечник элементарных групп (рис. 3.6,а);
• неоднородную, при которой сердечник кабеля образован из
групп, разнородных по структуре и имеющих неодинаковый диа-
метр (рис. 3.6,6).
Наибольшее распространение получила однородная скрутка.
В зависимости от характера образования сердечника различают по-
вивную и пучковую системы скрутки.
а) б) в) г)
Рис. 3.5. Типы скрутки жил

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 49
Рис. 3.6. Однородная (а) и неоднородная Рис. 3.7. Пучковая система скру-
(б) скрутки в сердечнике тки групп кабельных жил в сер-
дечнике
При пучковой скрутке группы сначала скручиваются в пучки,
содержащие по несколько десятков групп (наиболее распространены
пучки из 50 и 100 групп), после чего пучки, скручиваясь вместе, об-
разуют сердечник кабеля (рис. 3.7). Пучковая скрутка в основном
применяется для кабелей городских телефонных сетей.
В сердечнике повивной скрутки группы располагаются после-
довательными концентрическими повивами, накладываемыми один
на другой поверх центрального. При этом смежные повивы должны
иметь взаимно противоположные направления скрутки. Для облег-
чения разделки кабеля при его монтаже каждый повив сердечника
обматывается по открытой спирали хлопчатобумажной или капроно-
вой пряжей. В каждом повиве есть контрольные группы, расцветка
которых резко отличается от расцветки всех остальных групп, рас-
положенных в данном повиве.
В настоящее время для скрутки городских телефонных кабелей в
кабельной промышленности в основном применяется так называемая
разнонаправленная или SZ скрутка (название скрутки соответствует
условному графическому обозначению левой S и правой Z скруток).
В отличие от классической скрутки, когда кабельные цепи скру-
чиваются по всей длине в одном направлении, в разнонаправленной
скрутке направление скрутки периодически меняется и каждый по-
следующий участок кабеля скручивается в сторону, противополож-
ную той, в которую был скручен предыдущей участок. Основным
достоинством SZ скрутки является возможность отказаться от вра-
щения в пространстве отдающих и приемных устройств. Это позво-
ляет в один технологический процесс объединить несколько техно-
логических операций, например скрутку жил в пары, скрутку пар
в пучки, наложение изолирующих покровов и тем самым повысить
производительность труда.
Защитные оболочки и покровы. Сердечник кабеля покрыва-
ют поясной изоляцией и заключают в герметичную оболочку, предо-

50
Глава 3
храняющую изоляцию жил от влаги и защищающую кабель от меха-
нических воздействий, которые могут возникнуть в процессе транс-
портировки, прокладки и эксплуатации кабеля. Влагозащитные ка-
бельные оболочки в зависимости от материала, используемого для
их изготовления, разделяются на три основные группы: металличе-
ские, пластмассовые и металлопластмассовые.
К металлическим оболочкам относятся главным образом свин-
цовые, алюминиевые и стальные. Свинцовые оболочки накладыва-
ются на сердечник методом опрессования в горячем виде. Чтобы
свинцовая оболочка имела большую твердость и вибростойкость, ее
изготавливают из легированного свинца с присадкой 0,4...0,8 % сурь-
мы. Алюминиевые оболочки выпрессовывают в горячем виде или
изготавливают из ленты со сварным продольным швом при помощи
аргонно-дуговой сварки или сварки токами высокой частоты.
Алюминиевые оболочки весьма прогрессивные, так как они лег-
кие, дешевые и обладают высокими экранирующими свойствами. Од-
нако они сильно подвержены электрохимической коррозии, поэтому
их надежно защищают полиэтиленовым шлангом с предварительно
наложенным слоем битума. Стальные оболочки изготавливают пу-
тем сварки. Для повышения гибкости их гофрируют, а с целью за-
щиты от коррозии покрывают полиэтиленовым шлангом.
Из пластмассовых оболочек наибольшее применение получили
полиэтиленовые и поливинилхлоридные. Пластмассовые оболочки
сочетают влагостойкость, стойкость против коррозии, придают кабе-
лю гибкость, легкость и вибростойкость. Однако через пластмассу
постепенно диффундируют водяные пары, что приводит к снижению
сопротивления изоляции кабеля. Поэтому полиэтиленовые оболочки
используются в кабелях с полиэтиленовой изоляцией жил. Поливи-
нилхлоридные оболочки по причине низкой влагостойкости применя-
ются в основном в станционных кабелях. Достоинством поливинил-
хлоридных оболочек является большая огнестойкость. Применяются
также полиэтиленовые оболочки, не поддерживающие горение.
Из металлопластмассовых оболочек в кабельной технике нахо-
дит применение алюмополиэтиленовая оболочка, представляющая
собой полиэтиленовую трубку, металлизированную внутри слоем
алюминиевой фольги.
При прокладке кабелей непосредственно в земле или в воде они
обязательно снабжаются дополнительной защитой. Защита включа-
ет подушку, броневой покров и наружный покров. Подушка брониро-
ванных кабелей обычно состоит из последовательно наложенных сло-
ев битумного состава и пропитанной кабельной пряжи (джута). Бро-
невой покров выполняется из стальных лент, плоской или круглой

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 51
стальной проволоки. Поверх брони на кабель накладывается наруж-
ный покров, состоящий из пропитанной битумом кабельной пряжи.
В кабелях с алюминиевыми и стальными оболочками, которые
сильно подвержены коррозии, применяются усиленные защитные по-
кровы из вязкого подклеивающего битумного слоя и полиэтилено-
вого шланга.
3.2.3. Конструктивные элементы коаксиальных
кабелей связи
Основным элементом коаксиального кабеля является коаксиаль-
ная пара — гибкая металлическая трубка, внутри которой в центре
находится изолированный проводник.
Трубку принято называть внешним проводником, а центральный
провод — внутренним. Коаксиальные кабели различают в зависи-
мости от диаметров внутреннего d и внешнего D проводников и их
соотношения d/D. Наибольшее распространение имеют следующие
основные типы коаксиальных пар: малые 1,2/4,6; средние 2,6/9,4 и
большие 5/18 (в числителе указан диаметр внутреннего проводника,
а в знаменателе — внутренний диаметр внешнего проводника, мм).
Внешний проводник может быть образован из медных или алю-
миниевых лент с продольным швом. Наибольшее распространение
в кабелях среднего и малого типа получил внешний проводник из
медной ленты с продольным швом в виде гофра или молнии.
Кабели среднего типа 2,6/9,4 находят применение в основном на
магистральных линиях, кабели малого типа 1,2/4,6 называются ма-
логабаритными и используются в основном на внутризоновых сетях
связи. Кабели большого типа 5/18 используются на подводных ка-
бельных линиях.
В коаксиальных парах используются следующие основные ти-
пы изоляции:
• шайбовая, состоящая из полиэтиленовых шайб толщиной 2,2 мм,
расположенных через 20...30 мм (рис. 3.8);
• баллонно-кордельные или баллонные, аналогичные изоляции
жил симметричных кабелей (см. рис. З.ЗД е).
Кроме своего основного назначения, изо-
ляция коаксиальной пары фиксирует строгую |uTJTJTJTj^^(y^^
концентричность, т.е. соосность проводников,
^ о Рис. 3.8. Шайбо-
что является одними из основных требований
вал изоляция ко
к коаксиальным конструкциям. аксиальной пары
Коаксиальный кабель может состоять из
одной или нескольких коаксиальных пар, скрученных в общий сер-
дечник. При этим в комбинированные кабели saolу г входить коак-

52
Глава 3
сиальные пары разного диаметра, а также НЧ и ВЧ симметричные
четвертки и пары. На скрученный сердечник накладывается поясная
изоляция из нескольких бумажных или пластмассовых лент. Защит-
ные оболочки и покровы коаксиальных кабелей обычно имеют такую
же конструкцию, как и симметричные кабели.
3.2.4. Маркировка и типы электрических кабелей
связи
Для удобства классификации и пользования кабелям присваи-
вается определенное условное обозначение — марка.
Под маркой кабеля понимается система условных обозначений,
отражающих при помощи букв и цифр основные классификационные
признаки и конструктивные особенности кабеля.
Первые одна или две буквы определяют назначение кабеля. На-
пример, городские телефонные кабели обозначаются буквой Т, маги-
стральные симметричные и малогабаритные коаксиальные буквами
МК, магистральные коаксиальные — буквами КМ.
Последующие одна или две буквы обозначают особенность кон-
струкции или материал изоляции кабеля. Например, звездная скрут-
ка НЧ кабеля обозначается буквой 3, кордельно-полистирольная
(стирофлексная) изоляция — С, полиэтиленовая изоляция — П,
трубчато-полиэтиленовая — Т. Бумажная изоляция в симметричных
и шайбовая изоляция в коаксиальных кабелях в марке не имеет бук-
венных обозначений.
Последние одна или две буквы марки кабеля обозначают род
защитного покрова. Например, голый освинцованный кабель обо-
значается буквой Г, алюминиевая оболочка обозначается буквой А,
стальная оболочка буквой С или Ст. Буква Б — бронирование ка-
беля двумя стальными лентами с наружным джутовым защитным
покровом; К — бронирование круглыми оцинкованными проволока-
ми с наружным покровом; БГ — бронированный голый, т.е. без на-
ружного защитного покрова.
При наличии противокоррозионных изолирующих покровов в
подброневой подушке к обозначению прибавляются буквы: л — слой
поливинилхлоридных или других пластмассовых лент; 2л — два слоя
лент, между которыми наложены битум и крепированная бумага; п —
полиэтиленовый шланг; в — поливинилхлоридный шланг. При на-
личии таких наружных покровов буквы Шп обозначают полиэтиле-
новый шланг или Шв — поливинилхлоридный шланг. В конце мар-
ки кабеля указывают число жил или коаксиальных пар и диаметр
жил. Например, четырехчетверочный кабель с жилами диаметром

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 53
Рис. 3.9. Типы симметричных кабелей связи
1,2 мм имеет следующее обозначение: 4x4x1,2, пятисотпарный го-
родской кабель с жилами диаметром 0,4 мм имеет цифровое обо-
значение: 500 х 2 х 0,4.
Ввиду разнообразия типов выпускаемых промышленностью ка-
белей одинаковые буквы в маркировке иногда имеют разные обозна-
чения. Например, буквой 3 обозначаются звездная скрутка в низ-
кочастотных кабелях, а также кабели зоновой связи, буквой С —
«связь», «стирофлекс», «сталь» и т.п. Поэтому при необходимости
значения букв в каждом отдельном случае можно уточнить по ГОСТ
или техническим условиям на кабели.
На сетях электросвязи применение нашли следующие основ-
ные типы симметричных кабелей связи (часть из них показана на
рис. 3.9):
• МКС, МКС А — кабели с кордельно-полистирольной изоляцией
в свинцовой и алюминиевой оболочках;
• МКП — с баллонной полиэтиленовой изоляцией (специальные
кабели для железнодорожного транспорта);
• ТЗ, ТЗП — низкочастотные кабели с кордельно-бумажной и по-
ристой полиэтиленовой изоляцией;
• ЗКП, ЗКВ, ЗКА — одночетверочные кабели с полиэтиленовой
изоляцией жил в полиэтиленовой, поливинилхлоридной, алю-
миниевой оболочках;
• КСПП — одночетверочные кабели сельской связи с полиэтиле-
новой изоляцией жил;
• КСППЗ — одночетверочные кабели сельской телефонной свя-
зи (СТС) с полиэтиленовой изоляцией с гидрофобным заполне-
нием (буква 3), которое препятствует распространению по ка-
белю влаги.
Из коаксиальных кабелей распространение получили следую-
щие марки:
• КМБ-4 (КМГ-4, КМК-4) — однородный коаксиальный кабель с
четырьмя коаксиальными парами (рис. 3.10);

54
Глава 3
КМБ-4 МКТСБ-4
Рис. 3.10. Коаксиальный кабель Рис. 3.11. Малогабаритный коаксиаль-
КМ-4 (Г, Б, К) ный кабель МКТ-4
• КМБ-8/6 (КМГ-8/6, КМК-8/6) — комбинированный коаксиаль-
ный кабель, содержит 8 стандартизированных пар 2,6/9,4 и б
малогабаритных пар 1,2/4,6 мм.
На рис. 3.11 показан малогабаритный коаксиальный кабель с
парами 1,2/4,6.
На городских телефонных сетях применяются кабели с бумаж-
ной изоляцией жил марки ТГ (ТБ) — в свинцовой оболочке, а так-
же кабели с полиэтиленовой изоляцией и полиэтиленовой оболоч-
кой марок ТПП и ТППэп.
3.2.5. Электрические кабели для цифровых
абонентских линий
Бурное развитие современных сетей связи и непрерывное появле-
ние новых услуг в области связи способствуют тому, что все большее
число абонентов телефонной и пользователей компьютерной сетей
требуют недорого высокоскоростного доступа к различным локаль-
ным и ведомственным сетям. Сегодня операторы корпоративных и
ведомственных сетей для предоставления абонентам информацион-
ных услуг широко внедряют оборудование на основе xDSL (цифро-
вая абонентская линия) технологии. Это позволяет увеличить ско-
рость передачи информации по обычным медным витым парам до 8
Мбит/с и более на достаточно большие расстояния. Использование
для этих целей обычного кабеля типа ТППэп не позволяет добить-
ся 100%-ного решения задач, так как не все пары в кабеле отвеча-
ют требованиям современных систем передачи, в первую очередь по
параметрам взаимных влияний.
Кабельной промышленностью в последние годы разработаны и
выпускаются цифровые телефонные кабели. Эти кабели предназна-

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 55
Рис. 3.12. Конструкция однопарного кабеля
КАЦП-2хО,9: 1 — медная токопроводящая жи-
ла; 2 — изоляция (сплошная или трехслойная
пленко-пористо-пленочная полиэтиленовая); 3 —
сердечник (с гидрофобным заполнителем или су-
хим вод ©блокирующим материалом); 4 — экран
(алюмополимерная лента); 5 — защитные покро-
вы (оплетка стальными проволоками или сталь-
ная лента)
чены для широкополосного абонентского доступа с применением тех-
нологий xDSL (цифровые системы передачи с использованием линей-
ных кодов: НДВ-3; 2B1Q; САР; ТС-РАМ; ДМТ). Кабели могут про-
кладываться в грунт, в телефонной канализации, по стенам здания
и подвешиваться на опорах воздушных линий. Кабели выпускаются
емкостью от одной до 100 пар с диаметром медных жил 0,5, 0,64 и
0,9 мм. В кабелях может использоваться сплошная полиэтиленовая
изоляция или трехслойная пленко-пористо-пленочная.
Для защиты от влаги в кабельный сердечник вводится гидро-
фобный заполнитель или водоблокирующие сухие элементы. Экра-
нируется кабель алюмополиэтиленовой лентой, в качестве защитных
покровов, в зависимости от заказа, могут применяться спирально на-
ложенная стальная лента, продольная гофрированная стальная лен-
та или оплетка стальными проволоками.
Эти кабели имеют повышенную геометрическую однородность
и малые шаги скрутки (10...15 мм), что обеспечивает высокую по-
мехозащищенность цепей от внешних и взаимных электромагнитных
влияний. Практически эти кабели изготавливаются по технологии
производства LAN кабелей (кабели для локальных сетей с виты-
ми парами).
На рис. 3.12 в качестве примера показана конструкция однопар-
ного цифрового кабеля КАЦП-2хО,9, который в основном предназна-
чен для замены устаревшего, имеющего низкую надежность и неста-
бильность электрических характеристик, кабеля ПРППМ-2хО,9.
3.2.6. Классификация оптических кабелей связи
Оптические кабели связи (ОК), в отличие от электрических кабе-
лей, нет необходимости классифицировать по принципу их принад-
лежности на магистральные, внутризоновые, городские и сельские.
Объясняется это тем, что в современных ОК, вне зависимости от их
принадлежности к тем или иным сетям, используются одинаковые
оптические волокна, в большинстве случаев — одномодовое.

56
Глава 3
В связи с этим ОК классифицируются по назначению на две
основные группы [5]:
• линейные — для прокладки в не зданий (для наружной про-
кладки и эксплуатации);
• внутриобъектовые — для прокладки внутри зданий (для внут-
ренней прокладки и эксплуатации).
Определяющим фактором применения линейных ОК на сетях
связи являются условия их прокладки и эксплуатации. Линейные
оптические кабели позволяют создавать сети во всех средах: на суше,
в воде и воздухе. С учетом этого линейные ОК можно классифици-
ровать на три группы: подземные; подвесные; подводные. Внутри-
объектовые ОК по условиям применения можно классифицировать
на две группы: распределительные; станционные (монтажные).
Условия прокладки и эксплуатации ОК в одной и той же среде
далеко не одинаковы, поэтому целесообразно классифицировать ОК
и по вариантам их применения.
Классификация оптических кабелей по назначению, условиям
и вариантам применения представлена на рис. 3.13. Предложенная
классификация ОК исходит из требований нормативно-технического
Классификация оптических кабелей
i
По назначению
Линейные кабели
I
Условия прокладки
Подвесные
кабели
Варианты
применения
На опорах
ЛЭП
Подземные
кабели
i
Варианты
применения
Подводные
кабели
Варианты
применения
На опорах эл.ж.д.
и городского
электрохозяйства
Г
В грунте
Внутриобъектовые кабели
I
Условия применения
Распределительные Станционные
кабели
I
Варианты
применения
Для прокладки
внутри зданий
i
На речных переходах и
глубоководных участках
водоемов
В кабельной
канализации
1
В тоннелях,
коллекторах
кабели
I
Варианты
применения
Для монтажа
аппаратуры
На береговых и
морских участках
Рис. 3.13. Классификация оптических кабелей

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 57
документа, определяющего технические требования к ОК с учетом
их назначения, условий и вариантов применения на Взаимоувязан-
ной сети связи (ВСС) России [8].
Здесь представлена обобщенная классификация ОК. Более по-
дробно классификация по конструкциям и условиям работы для под-
земных, подвесных, подводных ОК изложена в [6, 7].
3.2.7. Типы оптических волокон
Оптическое волокно (ОВ) представляет собой двухслойную ци-
линдрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболоч-
ки. Оболочка покрыта защитным слоем из акрилатного лака. Серд-
цевина легирована германием, и поэтому ее показатель преломления
несколько больше, чем у оболочки. Свет распространяется в сердце-
вине волокна, испытывая полное внутреннее отражение на границе
с оболочкой. Он проникает в оболочку на глубину порядка длины
волны, т.е. на глубину много меньше ее толщины, и, следовательно,
не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покры-
тие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических
повреждений и воздействий воды.
Волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одно-
модовые. Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи,
диаметр кварцевой оболочки имеет стандартный размер 125=Ы мкм.
Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых волокон 50 или
62,5 мкм. Диаметр сердцевины у одномодовых волокон может ме-
няться в зависимости от типа волокна в пределах 7...9 мкм. На
рис. 3.14 показана структура многомодового и одномодового опти-
ческих волокон.
Существуют два варианта многомодовых волокон: со ступен-
чатым и градиентным профилем показателем преломления сердце-
вины.
В многомодовом волокне со ступенчатым профилем показателя
преломления распространяется одновременно большое число мод —
лучей, введенных в волокно под разными углами. Основным недо-
статком такого волокна является наличие меэюмодовой дисперсии,
Рис. 3.14. Структура оптиче-
ского волокна: а — многомодо-
вого, б — одномодового: 1 —
сердцевина; 2 — оболочка; 3 —
внутренний слой защитного по-
крытия; 4 — наружный слой за-
щитного покрытия

58
Глава 3
возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне
разный оптический путь.
В многомодовом волокне с градиентным профилем показателя
преломления значение показателя преломления сердцевины плавно
изменяется от центра к краям по закону
п(г)=щ[1-2Д(г/2)],
где г — текущий радиус; а — радиус сердцевины; щ — показатель
преломления в центре сердцевины (тот же, что и для ступенчатого
ОВ); Д — нормализованная разность показателей преломления; g —
параметр, определяющий форму профиля показателя преломления
(при g = оо профиль ступенчатый, при g = 2 — параболический).
В градиентном волокне моды распространяются по параболиче-
ским траекториям и разность их путей, а следовательно, и межмо-
довая дисперсия существенно меньше, чем в многомодовом ОВ со
ступенчатым профилем.
Многомодовые волокна оптимизированы для работы на длинах
волн 850 и 1310 нм. Эти волокна отличаются большим диаметром
сердцевины (стандартное — 50 мкм, для особых целей — от 62,5
до 100 мкм) и высокой числовой апертурой (0,2...0,37), что позволя-
ет вводить в волокно большую мощность и облегчает операцию сра-
щивания волокон. Большая ширина полосы пропускания градиент-
ных волокон (400... 1000 МГц-км) обеспечивается жестким техноло-
гическим контролем формы (параболической) профиля показателя
преломления. Эти волокна в основном применяются в локальных
и внутриобъектовых сетях.
Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности пе-
редачи привели к необходимости создания одномодового оптического
волокна, диаметр сердцевины и соотношение показателей преломле-
ния сердцевины и оболочки которого выбраны таким образом, что в
нем может распространяться только одна мода (строго говоря, две
моды с взаимно ортогональными состояниями поляризации).
Развитие магистральных и внутризоновых систем связи в на-
правлении роста скорости и дальности передачи обусловило создание
нескольких типов одномодовых волокон, которые можно классифи-
цировать по такому критерию, как хроматическая дисперсия. Ти-
пы одномодовых волокон отличаются друг от друга только формой
профиля показателя преломления и, соответственно, дисперсионны-
ми характеристиками. В настоящее время существуют три основных
типа одномодовых волокон: стандартные одномодовые волокна (SM),
волокна со смещенной дисперсией (DS) и волокна с ненулевой сме-

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 59
п2\ in,
2а
п2\ "*!
Импульс Импульс
на входе на выходе
Л0|
х
Импульс Импульс
на входе на выходе
Импульс Импульс
на входе на выходе
Рис. 3.15. Распространение световых лучей в ОВ: ступенчатом многомодовом
(о), градиентном (б) и одномодовом (в)
щенной дисперсией (NZDS). В России DS волокна не используются,
a NZDS волокна только начинают применяться.
На рис. 3.15 показаны профили показателя преломления и рас-
пространение оптических мод (лучей) в многомодовых (а и б) и од-
номодовом (в) ОВ.
3.2.8. Основные конструктивные элементы ОК
и материалы для их изготовления
Оптический кабель — это сложная опто-физическая система, в
которой наиболее уязвимым элементом является кварцевое ОВ. Спе-
цифичность ОВ заключается не только в распространении по нему
оптического излучения, но в критичности его к механическим нагруз-
кам (растяжение, сдавливание, изгибы, скручивание, удары), чув-
ствительности к перепадам температуры, химическим воздействиям,
влиянию влаги и водорода. Основные воздействующие факторы, ко-
торым должны противостоять ОК различного назначения и различ-
ных условий прокладки по данным [5], приведены в табл. 3.2.
Приведенные в табл. 3.2 воздействующие факторы и определя-
ют особенности конструкций ОК различного назначения и использо-
вания в них конструктивных элементов, обеспечивающих прок л ад-

60
Глава 3
Таблица 3.2
Основные факторы, воздействующие на оптический кабель
Механические факторы
Климатические факторы
Электромагнит-
ные факторы
Растягивающие и раздав-
ливающие нагрузки: сред-
ние — в легких грунтах,
в тоннелях, коллекторах;
значительные — в осталь-
ных грунтах; очень значи-
тельные — в вечномерзлых
грунтах; меньше средних —
в кабельной канализации.
Изгибы, кручения, уда-
ры, вибрация. Воздействие
грызунов
Подземные кабели
Циклическая смена тем-
ператур в диапазоне ра-
бочих температур. По-
вышенная относительная
влажность. Пониженное
атмосферное давление.
Плесневые грибы. Вла-
га и вода. Химическое
воздействие
Импульсный
ток молнии.
Индуктирован-
ное напряже-
ние от источ-
ников высокого
напряжения
Растягивающие и раздав-
ливающие нагрузки: сред-
ние — при подвеске на опо-
рах эл.ж.д и низковольт-
ных ЛЭП, опорах городско-
го электрохозяйства; зна-
чительные — при подвеске
на опорах высоковольтных
ЛЭП. Вибрация. Пляска
проводов. Ветер
Подвесные кабели
Циклическая смена тем-
ператур в более значи-
тельном диапазоне рабо-
чих температур. Атмо-
сферные осадки (дождь,
снег, иней). Воздействие
прямого солнечного из-
лучения. Соляной туман.
Химическое воздействие
Импульсный
ток молнии.
Термическое
воздействие то-
ка молнии
Подводные кабели
Прямое длительное воз-
действие воды. Цикличе-
ская смена температур в
диапазоне рабочих темпе-
ратур (меньше, чем для
подземных)
Распределительные и станционные кабели
Растягивающие и раздав-
ливающие нагрузки —
очень значительные. Вы-
сокое избыточное гидроста
тическое давление
Растягивающие и раздав-
ливающие нагрузки: близ-
кие к средним для распре-
делительных; очень незна-
чительные для станцион-
ных. Изгибы и удары
Прямое воздействие огня
при пожарах. Цикличе-
ская смена температур в
диапазоне рабочих темпе-
ратур (меньше, чем для
подземных)
ку и эксплуатацию ОК в заданных интервалах воздействия внеш-
них факторов.
Основные конструктивные элементы ОК: оптическое волокно;
оптические модули; оптические сердечники; силовые элементы; гид-

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 61
а) б) в) г)
Рис. 3.16. Примеры конструкций оптических модулей: а, бив —
трубчатых; г — профилированного: 1 — трубка; 2 — водоблокиру-
ющие нити или гидрофобный компаунд; 3 — ОВ в защитном покры-
тии; 4 — ЦСЭ; 5 — ленты; 6 — стержень профилированного типа со
спиралеобразным V-образными пазами; 7 — плотный буферный слой
рофобные материалы; броня; оболочка. Отдельные перечисленные
элементы могут отсутствовать исходя из назначения и условий при-
менения ОК.
Оптическое волокно — это основной конструктивный элемент
ОК, выполняющий роль направляющей среды передачи.
Оптический модуль (ОМ) — самостоятельный конструктивный
элемент ОК, содержащий одно и более ОВ, выполняет функции за-
щитного элемента, уменьшает опасность обрыва ОВ и обеспечива-
ет стабильность его работы при воздействии продольных и попереч-
ных сил.
ОМ могут быть следующих типов: трубчатые; профилирован-
ные; ленточные.
В трубчатом ОМ оптические волокна могут свободно уклады-
ваться либо без скрутки (рис. 3.16,а), либо путем скрутки вокруг
центрального силового элемента (рис. 3.16,6), либо размещаться в
плотном буферном покрытии (рис. 3.16,в).
Плотный буферный слой увеличивает сопротивляемость ОВ к
сжатию и изгибам.
В профилированном ОМ в спиралеобразных пазах V-образного
типа, образуемых в полимерном стержне, ОВ (одно или несколько)
свободно укладываются по спирали. Силовой элемент в центре про-
филированного стержня обеспечивает необходимые механические па-
раметры и стойкость к температурным изменениям (рис. 3.16,г).
В ленточном оптическом модуле оптические волокна от двух
и более размещаются в линейный ряд, образуя линейный элемент.
Фиксация ОВ в линейном элементе может осуществляться с помощью
полимерного материала по длине элемента, выполняющего функцию
вторичного защитного покрытия (рис. 3.17,а), или адгезивного слоя
и наложенных поверх синтетических лент (рис. 3.17,6).
Из оптических модулей ленточного типа может создаваться мат-
рица (единичный блок) с определенным числом ОВ, который затем
размещается либо в полимерной трубке, либо в пазах спиралеобраз-
ниги профилированного элемента (стержня;.

62
Глава 3
^7^
а) Рис. 3.17. Примеры конструкций ленточного оптиче-
3 4 ского модуля: а — с полимерным защитным материа-
лом; б— с дополнительным защитным покрытием из ад-
гезивного слоя и синтетических лент: 1 — ОВ в защит-
ном покрытии; 2 — полимерный материал; 3 — адгезив-
ный слой; 4 — синтетическая лента
ооооо
б)
В линейных оптических кабелях отечественного производства в
основном применяются ОМ со свободной укладкой ОВ (рис. 3.16,а).
Трубки ОМ изготавливаются из полибутилентерефталата
(ПБТ), поликарбоната, полиамида.
Оптический сердечник формируется из одного центрального ОМ,
либо из нескольких ОМ или пучков ОМ, скрученных вокруг цен-
трального силового элемента (ЦСЭ), принимающего на себя меха-
нические нагрузки при прокладке ОК.
Оптический сердечник повышает механическую прочность ОК,
защищает ОВ от изгибов и от нагрузок на растяжение и сдавлива-
ние в пределах, не оказывающих влияния на передаточные парамет-
ры. Оптические сердечники могут содержать дополнительные эле-
менты: элементы заполнения, не содержащие ОВ (кордели), медные
жилы, пары или четвертки из медных жил. Обычно повив опти-
ческого сердечника из элементов скрепляется нитями или скрепля-
ющей лентой. Конструкция оптического сердечника (емкость, тип
ОМ и его место в сердечнике, медные жилы, пары и четвертки из
медных жил, элементы заполнения) определяется функциональным
назначением и условиями применения ОК. ЦСЭ принимает на себя
нагрузку при прокладке ОК.
Примеры конструкций оптических сердечников ОК, образован-
ных из ОМ различного типа, для подвески или прокладки в грунте
и внутри зданий приведены на рис. 3.18.
Гидрофобные заполнители. В качестве гидрофобных запол-
нителей (ГЗ), защищающих ОК от распространения влаги, преиму-
щественно применяют гидрофобные гелеобразные компаунды. За-
полнители на основе порошкообразных материалов, нити и ленты
(выполняются, в основном, на основе распушенной целлюлозы, раз-
бухающей при контакте с водой и образующей «пробку» для даль-
нейшего ее распространения) применяют значительно реже.
Гидрофобные заполнители, используемые в качестве заполните-
лей оптических модулей, помимо задачи защиты ОВ от воздействия

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 63
Рис. 3.18. Примеры конструкций оптических сердечников подзем-
ных и подвесных ОК из ОМ различного типа: а — трубчатого; б —
профилированного; в — ленточного: 1 — центральный силовой эле-
мент; 2 — оптический модуль трубчатого типа; 3 — защитное по-
крытие (трубка, скрепляющие полимерные ленты и т.п.); 4 — поли-
мерная трубка; 5 — оптические волокна в защитном покрытии; 6 —
гидрофобный заполнитель; 7 — оптический модуль профилированно-
го типа; 8 — стержень профилированного типа; 9 — единичный блок
(матрица) из ленточных ОМ; 10 — ленточный оптический модуль
влаги выполняют также функцию амортизатора для ОВ при механи-
ческих воздействиях на ОК, а также функцию смазки, уменьшающей
трение между ОВ и стенкой оптического модуля. Они отличаются
диапазоном рабочих температур и назначением: внутримодульные
заполнители, применяемые для заполнения модулей с ОВ, и меж-
модульные заполнители, применяемые для заполнения свободного
пространства в сердечниках ОК и в бронепокровах, выполняемых из
стальных проволок или стек л оп ластиковых стержней.
Внутримодульные заполнители характеризуются значительно
более высоким предъявляемыми к ним требованиями и имеют мень-
шую вязкость по сравнению с межмодульными заполнителями.
Основным материалом для скрепления элементов сердечника
ОК повивной скрутки является полиэтилентерефталатная лента,
обеспечивающая фиксацию элементов конструкции сердечника до
наложения полимерной оболочки и предотвращающая вытекание из
сердечника гидрофобного заполнителя.
Силовые элементы. В качестве центрального силового эле-
мента ОК повивной скрутки используют стеклопластиковый стер-
жень, а также стальную проволоку или трос с полимерным покрыти-
ем. Для изготовления ОК, предназначенных для прокладки в грунт,
в качестве центрального силового элемента преимущественно исполь-
зуются стеклопластиковый стержень с целью повышения стойкости
ОК к внешним электромагнитным воздействиям.
Стеклопластиковые прутки, арамидные нити (наиболее широко
известные торговые марки арамидных нитей — «кевлар» и «тварон»)

64
Глава 3
применяют, в основном, в качестве силовых элементов диэлектри-
ческих ОК, предназначенных для подвески на опорах ЛЭП, опорах
контактной сети и автоблокировки электрифицированных железных
дорог, а также для ОК, предназначенных для прокладки в условиях
сильных электромагнитных воздействий.
Силовые элементы, расположенные в центре ОК, обеспечивают
большую гибкость, а на периферии — большую стойкость ОК к уда-
рам и растягивающим нагрузкам.
Бронепокровы. Для защиты ОК от механических поврежде-
ний на кабельный сердечник накладывается броня из круглых оцин-
кованных или из нержавеющей стали проволок в виде одного или
нескольких слоев. Например, в ОК для прокладки через судоходные
реки, в районах с пучением грунта используется двухслойная круг-
лопроволочная броня. Применяется также броня из продольно нало-
женной стальной гофрированной ленты, обеспечивающая защиту от
грызунов, механических воздействий и поперечной диффузии влаги
(лента Zetabon). Стальная лента изготавливается из низкоуглероди-
стой стали и имеет хромовое покрытие, которое наносится электро-
литическим путем. На ленту с обеих сторон наносится полимерное
покрытие. В процессе нанесения наружной оболочки полимерное по-
крытие стальной ленты расплавляется, образуя надежное сцепление
между стальной лентой и наружной полимерной оболочкой.
В диэлектрических ОК, не содержащих металлические элемен-
ты, броня может быть выполнена из высокопрочных арамидных ни-
тей и стеклопластиковых прутков.
Защитные оболочки. Поверх бронепокровов накладываются
внешние пластмассовые оболочки, защищающие ОК от внешних воз-
действий и влаги. Между бронепокровом и пластмассовой оболочкой
для предотвращения распространения влаги по ОК вводится гидро-
фобный заполнитель или водоблокирующая лента. Для изготовле-
ния оболочек ОК чаще всего применятся полиэтиленовые компози-
ции, в которые вводят различные компоненты, способствующие повы-
шению стойкости материала к старению, к солнечной радиации и др.
В частности, повышение стойкости полиэтилена к солнечной ради-
ации обеспечивается за счет введения газовой сажи в объеме около
3 %, в связи с чем наружные полиэтиленовые оболочки ОК имеют
преимущественно черный цвет. Одним из недостатков полиэтилена
является его горючесть, поэтому ОК с полиэтиленовыми оболочками
используются только для наружной прокладки. Применять их для
кабелей, прокладываемых внутри зданий, в коллекторах и туннелях
нельзя по соображениям пожаробезопасное™. Для прокладки внут-

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 65
ри помещений, коллекторах, туннелях исходя из требований пожа-
робезопасное™ используются ОК с оболочками из полиэтиленовых
композиций, не поддерживающих горение, а также с оболочками из
поливинилхлоридного пластиката.
3.2.9. Технические требования, предъявляемые
к ОК
В соответствии с [8] основные технические требования к ОК, при-
меняемых на ВСС России сводятся к следующему [5, 9].
Оптические кабели должны быть рассчитаны на возможность
передачи всех видов информации на базе современных и перспектив-
ных оптических технологий передачи. Как правило, линейные ОК не
должны иметь внутри оптического сердечника металлических эле-
ментов, чтобы не возникали дополнительные затраты на защиту от
внешних электромагнитных воздействий.
Оболочка ОК должна в течение всего срока службы сохра-
нять герметичность, влагонепроницаемость, электрическую проч-
ность, стойкость к воздействию соляного тумана, солнечного излуче-
ния, стойкость к избыточному гидростатическому давлению, к низ-
ким и высоким температурам, обеспечивать нераспространение горе-
Таблица 3.3
Коэффициент затухания ОВ и ОК
Параметр
Рабочий диапа-
зон длин волн,
нм
Коэффициент
затухания,
дБ/км, не бо-
лее, на опорной
длине волны,
нм:
1300
1310
1550
1625
* Многомодовы
М/м ОВ*
Одномодовые ОВ
Рекомендации МСЭ-Т
G.651
1300
0,7
-
-
-
е (градиен
G.652
1260...1360
1530...1565
-
0,35
0,22
-
тные) ОВ.
G.653
1530...1565
-
-
0,22
-
G.654
1530...1565
-
-
0,2
-
G.655
1530...1565
1550...1625
-
-
0,22
0,25
3—5440

66
Глава 3
Механические
Типы ОК по условиям
применения
В грунтах, кроме скальных
и подверженных мерзлотным
деформациям
В грунтах скальных и подвержен-
ных мерзлотным деформациям
В кабельной канализации
В специальных защитных пласт-
массовых трубах (ЗПТ)
На речных переходах
На глубоководных участках
водоемов
На береговых участках
На морских участках
На опорах ВЛС, городского
электрохозяйства, эл. ж.д. и ЛЭП
напряжением менее 110 кВ
На опорах ЛЭП (ОК в грозотросе)
Распределительные
Станционные (монтажные)
Примечание. Динамическое paei
документацией завода производите
на 15% больше, чем статическое pi
Статичес-
кое растя-
гивающее
усилие, не
менее, кН
25
20
1,5
1,0
20
30
50
25
3,0
7,0
1,0 1
0,05
ягивающее л
ля, величин?
астягивающе
Раздав-
ливающее
усилие,
не менее,
кН/10 мм
0,4
0,4
0,4
0,2
1,0
1,0
1,0
1,5
1,0
2,0
0,2
0,05
усилие в со
1 которого ,
е усилие.
Стойкость
к удару с
1 начальной
энергией,
Дж, не менее
Подземные
10 |
10
5,0
3,0
Подводные
В соответст-
вии с доку-
ментацией
завода про-
изводителя
Подвесные
10
Внутри-
3,0 |
1,0
ответствни с
должна быть
ния (при прокладке внутри помещений) и иметь требуемые механи-
ческие свойства на растяжение, сдавливание, удары и изгибы.
Броня, применяемая в ОК, должна обладать механическими
свойствами, адекватными условиям прокладки и эксплуатации ОК,
и сохранять эти свойства в течение всего срока службы, обеспечи-
вать защиту от грызунов.
Оптические кабели должны иметь сертификат соответствия Ми-
нистерства информационных технологий и связи России.
Требования к одному из основных характеристик ОК — коэффи-
циенту затухания, обусловленные необходимостью создания боль-

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 67
Таблица 3.4
параметры ОК
Стойкость к изгибу
20 циклов изгибов на угол
±90° с радиусом не более
20 наружных диаметров
в нормальных
климатических условиях
при температуре не ниже
-10 °С
Стойкость
к осевому
кручению
10 циклов
осевого
кручения на
угол ±360°
на длине
не более 4 м
То же, что и для подземных
То же, что и для подземных
объектовые
То же, что для под-
земных, но только
в нормальных
климатических условиях
•
Стойкость
к вибра-
ционной
нагрузке
С ускоре-
нием
40 м/с2
с частотой
10...200 Гц
Диапазон
температур,
°С
-40...+50
-40...+50
-40.. .+50
-40...+50
-40...+50
-40...+50
-40...+50
+4...+50
-60...+70
-60...+70
-10...+50
-10...+50
ших длин элементарных кабельных участков для высокоскоростных
ВОСП, стремлением уменьшить затраты на строительство, эксплу-
атацию, а в дальнейшем и реконструкцию линий передачи, приве-
дены в табл. 3.3.
Важными характеристиками, позволяющими контролировать со-
стояние ОК в процессе его эксплуатации, являются:
• электрическое сопротивление изоляции наружной полиэти-
леновой оболочки постоянному току между металлическими
элементами и землей (водой), которое должно быть не менее
2000 МОмкм;

68
Глава 3
• испытательное напряжение наружной полиэтиленовой оболоч-
ки между соединенными вместе металлическими элементами ка-
беля и водой в течение 5 с величиной 10 кВ переменным током
частотой 50 Гц и 20 кВ постоянным током. Оптические кабели с
металлическими элементами в защитных покровах должны вы-
держивать испытания импульсным током, /м, значения которого,
в зависимости от категории молниестойкости ОК, должны быть:
I категория /м > 105 кА;
II категория 80 кА ^ /м < 105 кА;
III категория 55 кА ^ 1М < 80 кА;
IV категория 1Ы < 55 кА.
Требования к механическим параметрам ОК и рабочей диапазон
температур приведены в табл. 3.4.
Оптические кабели вне зависимости от условий применения
должны выдерживать циклическую смену температур от низкой до
высокой рабочей температуры.
Подвесные ОК должны быть стойкими к воздействию атмосфер-
ных осадков, соляного тумана, солнечного излучения (радиации).
Подводные ОК должны выдерживать избыточное гидростатиче-
ское давление 70 МПа (при прокладке на береговых и морских участ-
ках) и 0,7 МПа (при прокладке на речных переходах и на глубоко-
водных участках водоемов).
Оптические кабели должны иметь защиту от продольного рас-
пространения влаги.
Гидрофобный компаунд, заполняющий оптический кабель, не
должен становиться текучим при температуре до +70 °С и должен
быть совместим с другими материалами оптического кабеля. Гидро-
фобный компаунд не должен влиять на параметры оптических во-
локон, должен легко удаляться при монтаже, не быть токсичным
и не вызвать коррозию.
Оптические кабели, предназначенные для прокладки внутри
зданий, в коллекторах и тоннелях, должны иметь наружную обо-
лочку из материала, не распространяющего горение.
Срок службы оптических кабелей должен быть не менее 25 лет.
3.2.10. Основные производители и номенклатура ОК
В настоящее время в России ОК выпускают достаточно большое
количество отечественных предприятий. Оснащение производства
современным высокопроизводительным и полностью автоматизиро-
ванным оборудованием ведущих зарубежных фирм, использование
отечественного и импортного высококачественного сырья и материа-
лов, современной испытательной и измерительной техники, а также

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 69
внедрение систем качества, отвечающих требованиям отечественных
и зарубежных стандартов, позволяют кабельным заводам успешно
конкурировать с ведущими зарубежными фирмами-изготовителями
оптических кабелей. На сегодняшний день на сети связи России в
основном поступает ОК отечественного производства.
Перечислим основные заводы-изготовители оптического кабеля.
Совместные предприятия:
• СП ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» (г. Сама-
ра), одним из соучредителей которой является фирма Corning
Inc., США;
• СП ЗАО «Москабель-Фуджикура» (Москва), одним из соучреди-
телей которой является фирма Fujikura, Япония;
• СП ЗАО «ОФС Связьстрой-1», «Волоконно-оптическая кабель-
ная компания» (г. Воронеж), соучредителем которой являются
фирмы Furukava (Япония) и Commscope (США).
Отечественные предприятия:
• ЗАО НФ «Электропровод» (Москва);
• ЗАО «Севкабель-оптик» (Санкт-Петербург);
• ООО «Оптен» (Санкт-Петербург);
• ЗАО «ОКС-01» (Санкт-Петербург);
• 000 «Сарансккабель-оптика» (г. Саранск);
• 000 «Эликс-кабель» (г. Реутов Московской области);
• ЗАО «Трансвок» (г. Боровск Калужской области);
• ЗАО «Еврокабель» (г. Щелково Московской области).
На российский рынок также поставляют ОК ОАО «Одесскабель»
(г. Одесса, Украина) и завод «Союз-кабель» (г. Витебск, Республика
Беларусь), который начал свою деятельность в 2003 г.
Большинство кабельных заводов придерживается стратегии вы-
пуска ОК, при которой потребителю предлагается на выбор кон-
струкции ОК с несколькими базовыми конструкциями оптических
сердечников (с центральным ОМ или с различным числом ОМ и
элементов заполнения вокруг ЦСЭ), несколькими вариантами брони
(круглая проволока, стальная лента, арамидные нити, стеклопласти-
ковые прутки и т.п.), внутренних и наружных оболочек.
Выпускаются ОК различного назначения (линейные, внутриобъ-
ектовые) и для различных условий прокладки и эксплуатации (под-
земные, подводные, подвесные, для прокладки внутри зданий — рас-
пределительные и станционные).
Унификация выпускаемых ОК заключается прежде всего в уни-
фикации оптического сердечника ОК. Применяются две конструк-
ции:

70
Глава 3
• OK с оптическим сердечником, в центре которого расположен
силовой элемент (ЦСЭ) и несколько элементов повива — опти-
ческих модулей (ОМ) и корделей заполнения;
• ОК с оптическим сердечником, в центре которого расположена
полимерная трубка с ОВ, выполняющая роль центрального оп-
тического модуля.
Всеми кабельными заводами освоены конструкции ОК с много-
модульным оптическим сердечником повивного типа, т.е. несколько
ОМ и корделей заполнения располагаются вокруг центрального си-
лового элемента. Для многомодульных конструкций хорошо отрабо-
тана не только технология изготовления, но и технология монта-
жа ОК, что способствует сохранению стабильности конструкции
ОК как в процессе прокладки, так и эксплуатации.
В многомодульном оптическом сердечнике может быть от 2 до
18 ОМ, а в каждом ОМ от 2 до 24 ОВ. Оптические кабели могут
выпускаться емкостью до 288 ОВ. Ряд кабельных заводов освоили
конструкции ОК с одномодульным оптическим сердечником в виде
полимерной трубки с ОВ, выполняющей роль центрального оптиче-
ского модуля, внутри которой могут свободно размещаться от 2 до
48 ОВ. Эти конструкции в соответствии с техническими условиями
рассчитаны на допустимые растягивающие усилия до 20 кН.
Пределы допустимых растягивающих и раздавливающих усилий
зависят от марок ОК и определяются материалом, площадью сече-
ния оболочек и металлических элементов, применяемых в ОК. По
требованию заказчика кабельные заводы могут выпускать ОК с лю-
быми механическими параметрами, но не хуже, чем указано в техни-
ческих условиях. Тенденция такова, что конструкции ОК постоянно
усовершенствуются, уменьшается их материаломемкость, улучшают-
ся технические параметры, расширяется номенклатура ОК с учетом
адекватности условий применения.
По критерию «допустимое растягивающее усилие» для проклад-
ки и эксплуатации на магистральной сети связи с учетом природно-
климатических условий, в основном, можно выделить четыре типа
подземных и подводных ОК:
• тип 1 — не менее 80 кН;
• тип 2 — не менее 20 кН;
• тип 3 — не менее 7 кН;
• тип 4 — не менее 2,7 кН.
Указанные типы ОК были использованы при строительстве
Транссибирской ВОЛП.
В систематизированном виде технические параметры этих типов
подземных, подвесных и подводных ОК, наиболее оптимальные уело-

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 71
вия их прокладки и эксплуатации, а также марки ОК, соответствую-
щие допустимому растягивающему усилию для конкретного типа ОК
с конкретным количеством ОВ, и производители ОК приведены в [5].
3.2.11. О маркировке оптических кабелей связи
Для удобства выбора при заказе потребителем оптического, рав-
но как и любого другого, например электрического кабеля связи, тре-
буется быстро, без обращения к технической документации (техниче-
ские условия, паспорт и т.д.), определить область его применения
и основные характеристики. Для этого делается маркировка, пред-
ставляющая собой аббревиатурную запись основных параметров ОК,
к числу которых относится [6]:
• назначение и область применения;
• конструкция сердечника;
• материал промежуточной и наружной оболочек;
• тип брони;
• число оптических модулей и оптических волокон;
• величина коэффициента затухания на опорных длинах волн;
• величина дисперсии;
• допустимое растягивающее усилие и др.
Чтобы любой специалист мог быстро расшифровать аббревиа-
турную запись, обозначения одних и тех же параметров ОК различ-
ных производителей (заводов) должны быть унифицированы. Такая
унификация имеется для маркировки электрических кабелей свя-
зи. Например, все заводы, выпускающие телефонные кабели с по-
лиэтиленовой изоляцией и алюмополиэтиленовой оболочкой, марки-
руют эти кабели как ТППэп. Здесь всем всё ясно. В маркиров-
ке же ОК отечественного производства указанная унификация от-
сутствует. Используются в маркировке самые разные обозначения,
вплоть до названия фирмы-изготовителя ОК. В современных усло-
виях укрупнения, слияния отдельных фирм меняются их названия,
следовательно, в таких случаях нужно менять и маркировку ОК. Все
это значительно усложняет работу потребителей при заказе и рабо-
те с оптическими кабелями (в частности, при ведении документации
на построенные ВОЛП).
Оптические кабели, предназначенные для использования в оди-
наковых условиях, должны иметь 3-4 общих аббревиатур, остальные
знаки могут отражать особенности их конструкции [6, 11].
Проблема маркировки ОК может быть успешно решена на ос-
нове опыта международных институтов, разрабатывающих надеж-
ную систему стандартизации и маркировки. Наиболее оптимально

72
Глава 3
эту важную работу может выполнить ОАО «Всероссийский научно-
исследовательский институт кабельной промышленности» при фи-
нансовой поддержке Российских производителей ОК.
Анализ маркировки ОК, выпускаемых перечисленными выше
отечественными предприятиями, показал, что наиболее близко к уни-
фикации маркировки электрических кабелей связи и принятой клас-
сификации ОК находится ЗАО «Самарская оптическая кабельная
компания» (СОКК). Объясняется это, по всей видимости, тем, что
основным отечественным соучредителем СОКК является ЗАО «Са-
марская кабельная компания», выпускающая практически все типы
электрических кабелей связи более 50 лет.
Приведем принцип маркировки линейных оптических кабелей
связи ЗАО «СОКК» для различных условий их прокладки, который,
как отмечено выше, хорошо согласуется с принципом маркировки
электрических кабелей связи.
1. Оптический кабель линейный для пневмозадувки в защитные
пластмассовые трубы — ОКЛ-01-6-48-10/125-0,36/0,22-3,5/18-2,7.
ОК — оптический кабель; Л — линейный; 01 — центральный
силовой элемент из стеклопластика; б — количество элементов в по-
виве сердечника; 48 — количество ОВ; 10/125: числитель — диаметр
сердцевины одномодового ОВ до 10 мкм, знаменатель — диаметр от-
ражающей оболочки; 0,36/0,22: числитель — коэффициент затуха-
ния в дБ/км на длине волны Л = 1310 нм, знаменатель — на 1550 нм;
3,5/18: числитель — дисперсия в пс/нм-км на Л = 1310 нм, знамена-
тель — на 1550 нм; 2,7 — статическая растягивающая нагрузка в кН.
2. Оптический кабель линейный для прокладки в телефонной
канализации — ОКЛСт-01-8-64-10/125-0,36/0,22-2,7.
Ст — стальная гофрированная оболочка с водоблокирующей
лентой под ней; остальные обозначения, такие же как и в первом
кабеле.
3. Оптический кабель линейный для прокладки непосредственно
в грунт — ОКЛК-01(02)-8-96-10/125-0,36/0,22-3,5/18-20.
Последняя буква в аббревиатуре К — броня из круглых сталь-
ных оцинкованных проволок; (02) — центральный силовой элемент
из стального тросика, покрытого полимерной оболочкой; остальные
обозначения такие же, как и в предыдущих кабелях.
4. Оптический кабель диэлектрический самонесущий для под-
вески на опорах контактной сети железных дорог и городского элек-
трохозяйства — ОКЛЖ-01-6-24-10/125-0,36/0,22-3,5/18-10.
Буква Ж — кабель для подвески на железных дорогах, осталь-
ные обозначения такие же, как и в предыдущих кабелях.

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 73
5. Оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос ЛЭП
напряжением 35 кВ и выше — ОКГТ-МТ-36-10/125-0,36/0,22-45.
ГТ — кабель, встроенный в грозотрос; МТ — одномодульный
оптический сердечник трубчатого типа MaxiTube, расположенный в
центре кабеля, в котором размещаются ОВ; остальные обозначения
такие же, как и в предыдущих ОК.
6. Оптический кабель для внутриобъектной прокладки при по-
вышенных требованиях пожарной безопасности — ОКЛ-Н-01-6-48-
10/125-0,36/0,22.
Буква Н — наружная оболочка, выполненная из композиции по-
лиэтилена, не поддерживающее горение; остальные обозначения та-
кие же, как и в предыдущих ОК.
Маркировка оптических кабелей других отечественных произво-
дителей достаточно подробно описана в [6].
3.2.12. Оптические кабели для прокладки в грунт
Согласно техническим требованиям ОК, предназначенные для
прокладки в грунт, должны быть бронированными, грозостойкими.
Внешняя защитная оболочка кабелей должна иметь сопротивление
изоляции относительно электрода заземления не менее 10 МОмкм
при напряжении не менее 10 кВ переменного тока в течение 5 с. Ка-
бели должны быть сертифицированы для применения на ВСС РФ.
Температурный диапазон эксплуатации подземных кабелей
—40... + 50 °С. Некоторые заводы указывают более широкий диапазон
температур. Например, ЗАО «Севкабель-оптик» — от -60 до +70°С.
На магистральных и внутризоновых сетях в грунт в основном
прокладываются ОК с броней из круглых оцинкованных проволок.
В зависимости от сложности грунтов на трассе ВОЛП эти кабели
имеют разные допустимые растягивающие усилия.
Для грунтов всех групп, включая грунты, подверженные мерз-
лотным деформациям, а также на речных переходах, через судо-
ходные реки и на глубоководных участках водоемов рекомендуется
использовать ОК типа 1 с двухслойной круглопроволочной броней,
имеющий допустимое растягивающее усилие 80 кН.
Для грунтов всех групп, включая скальные и сложные грунты, а
также через неглубокие несудоходные реки и болота рекомендуется
использовать ОК типа 2 с однослойной круглопроволочной броней,
имеющий допустимое растягивающее усилие 20 кН.
Для прокладки ОК в легких грунтах, по мостам и эстокадам, а
в некоторых случаях и в телефонной канализации используется ОК
типа, л с однослойной кг*л/тлоптловолочной броней имеющий допусти-
мое растягивающее усилие 7 кН.

74
Глава 3
а) б)
Рис. 3.19. Конструкции ОК с многомодульным оптическим сердеч-
ником и круглопроволочной броней производства ЗАО «СОКК» марки
ОКЛК: а — на 7, 10, 20 и 40 кН; б — на 80 кН: 1 — оптические волокна;
2 — ЦСЭ; 3 — кордель заполнения; 4 — поясная изоляция из лавса-
новой ленты; 5 — гидрофобный компаунд; 6 — внутренняя полиэтиле-
новая оболочка; 7 — броня из круглых оцинкованных проволок: а —
в один слой; б — в два слоя; 8 — наружная полиэтиленовая оболочка
Здесь следует отметить, что в зависимости от местных условий
заказчики могут заводам заказать ОК и с другими допустимыми рас-
тягивающими усилиями. Например, ЗАО «СОКК» предлагает ОК с
круглопроволочной броней с допустимыми растягивающими усили-
ями на 10 и 40 кН.
На рис. 3.19 представлены конструкции ОК с многомодуль-
ным оптическим сердечником производства ЗАО «СОКК», а на
рис. 3.20 — конструкции ОК с одномодульным оптическим сердеч-
ником производства ЗАО «ОКС-01».
ОК с круглопроволочной броней для прокладки в грунт выпуска-
ется многими кабельными заводами России. Особенности конструк-
ций этих кабелей изложены в [5].
Рис. 3.20. Конструкции ОК с одномодульным оптическим сердечником
с центральным оптическим модулем производства ЗАО «ОКС-01» марок
ОПС, ОАС и ОА2: 1 — полимерная трубка; 2 — оптическое волокно,
сгруппированное в пучки; 3 — гидрофобный компаунд; 4 — водоблоки-
рующая и алюмонолйэтйленозал лепта; 5 — броня и? гта.пьных оцин-
кованных проволок; 6 — наружная оболочка; 7 — наружная оболочка

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 75
3.2.13. Оптические кабели для пневмозадувки
в защитные пластмассовые трубы
В настоящее время все шире в России стал использоваться метод
пневмозадувки ОК в предварительно проложенные в грунт кабеле-
укладочной техникой защитные пластмассовые трубы (ЗПТ). Для
задувки в ЗПТ применяются ОК облегченной конструкции без бро-
непокровов.
Основные требования к таким кабелям — малая масса и неболь-
шие габариты. Кабели для пневмозадувки в ЗПТ, как правило, из-
готавливаются чисто диэлектрическими, не содержащими металли-
ческих элементов. В этом случае для определения трассы проклад-
ки ОК в ЗПТ необходимо устанавливать электронные маркеры. На
рис. 3.21 представлена конструкция ОК марки ОКЛ для пневмоза-
дувки производства ЗАО «СОКК». На рис. 3.22 представлена кон-
струкция ОК для пневмозадувки производства ЗАО «ОКС-01», ко-
торая может быть чисто диэлектрической (ДПО) и с алюмополиэти-
леновой оболочкой (ДАО). Алюмополиэтиленовая лента под поли-
этиленовой внешней оболочкой позволяет упростить поиск трассы
ВОЛП в процессе ее эксплуатации и более надежно защитить кабель
от проникновения в него влаги.
Конструкции ОК для пневмозадувки других отечественных про-
изводителей представлены в [5].
Рис. 3.21. Конструкции ОК с многомодульным
оптическим сердечником марки ОКЛ производства
ЗАО «СОКК»: 1 — оптические волокна, свобод-
но уложены в полимерных трубках (оптические
модули), заполненных гидрофобным компаундом; ^^^Я^^^.
2 — центральный силовой элемент из стеклопла- ^Л ^^ ^^ 1
стикового прутка; 3 — кордели — сплошные ПЭ ^к |К5эд**)к$б1 ВС-^" ^
стержни для устойчивости конструкции; 4 — по- ^Ш[}ЬгМЯЁг^!вк^^^
ясная изоляция в виде лавсановой ленты, нал о- ^HiODfl шК л^Ш—~~^
женная поверх скрутки; 5 — гидрофобный ком- ^— ^
паунд; 6 — повив силовых элементов из высоко- ^И Е?Ж2^?я1И?Г^~ ^
прочных синтетических нитей (при необходимости); ^ ^
7— наружная оболочка из композиции полиэтилена ^^^^^^^^
Рис. 3.22. Конструкции ОК с многомодульным оп-
тическим сердечником марок ДПО и ДАО произ-
водства ЗАО «ОКС-01»: 1 — ЦСЭ; 2 — оптиче-
ские волокна; 3 — полимерная трубка (модуль);
4 — гидрофобный компаунд; 5 — кордель; 6 —
водоблокирующая и алюмополиэтиленовая лента;
5 броня из стальных оцинкованных проволок;
6 наружная оболочка; 7 — наружная оболочка

76
Глава 3
3.2.14. Оптические кабеля для прокладки
в кабельной канализации
Согласно ведомственных норм технологического проектирования
в телефонной кабельной канализации допускается прокладка ОК
практически всех конструкций, так как все линейные кабели имеют
внешнюю защитную пластмассовую оболочку. Однако по технико-
экономическим соображениям и учитывая, что в телефонной кабель-
ной канализации, а также в коллекторах, тоннелях, на мостах и эста-
кадах ОК могут повреждаться грызунами, рекомендуется проклады-
вать кабели с бронепокровом из стальной гофрированной оболочки.
Такие кабели выпускаются многими отечественными производите-
лями ОК. На рис. 3.23 в качестве примера представлена конструк-
ция ОК ЗАО «СОКК» марки ОКЛСт со стальной гофрированной
броней типа Zetabon, которая представляет собой стальную ленту
на которую с обеих сторон электролитическим путем нанесено по-
лимерной покрытие. В процессе нанесения наружной оболочки по-
лимерное покрытие стальной ленты расплавляется и образует на-
дежную приварку стальной ленты к защитной оболочке, что обес-
печивает защиту от грызунов, механических воздействий, а также
от поперечной диффузии влаги. Кабели выпускаются с одной на-
ружной полиэтиленовой оболочкой или с двумя (внутренней и на-
ружной).
Подвесные ОК достаточно широко используются на ВСС России
как по линии Министерства информационных технологий и связи,
так и в других Министерствах и ведомствах. Например, на опорах
железных дорог России (ОАО «ТрансТелеком») подвешены десятки
тысяч километров магистральных оптических кабелей.
Наиболее широко используются конструкции ОК:
• для подвески на опорах ЛЭП;
• для подвески на опорах контактной сети центральной блоки-
ровки железных дорог, а также на опорах городского электро-
хозяйства.
Рис. 3.23. Конструкции ОК производства ЗАО
«СОКК» с многомодульным оптическим сердечни-
ком марки ОКЛСт: 1 — оптические волокна; 2 —
центральный силовой элемент из стеклопластиково-
го прутка; 3— кордели; 4 — поясная изоляция в виде
лавсановой ленты; 5 — гидрофобный компаунд; 6 —
броня в виде стальной гофрированной ленты с водоб-
локирующей лентой под ней; 7— наружная оболочка,
выполненная из композиции ПЭ средней или высокой
плотности

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 77
3.2.15. Подвесные оптические кабели
Для подвески на опорах ЛЭП напряжением 110 кВ и выше в
России в основном используются ОК, встроенные в грозозащитный
трос [6]. Такие кабели наиболее целесообразно обозначать (марки-
ровать): ОКГТ — оптический кабель, встроенный в грозозащитный
трос. Эффективность подвески ОК на ЛЭП определяется следую-
щими факторами:
• наличием в разветвительной сети высоковольтных линий элек-
тропередачи и, следовательно, возможностью не строить само-
стоятельную линию связи, а подвешивать кабель к уже суще-
ствующим, механически прочным опорам;
• совмещением ОК с обязательным на ЛЭП грозозащитным тро-
сом, который одновременно служит силовым несущим элемен-
том кабеля связи и экранирует его от внешних электромагнит-
ных влияний.
Кабели в грозотросе можно классифицировать по ряду призна-
ков, определяемых, в основном, конструкцией сердечника. Кабели
бывают как с пластмассовыми, так и с металлическим модулями.
Модуль — это самостоятельный конструктивный элемент кабеля, со-
держащий одно или несколько оптических волокон.
В ОКГТ используют, как правило, так называемые свободные
трубчатые модули — пластмассовые или металлические трубки, в
которых ОВ располагается свободно с небольшой избыточной дли-
ной по отношению к длине кабеля. Делается это для того, чтобы
волокна не испытывали деформации при воздействии на кабель рас-
тягивающего усилия.
Кабели бывают одномодульные и многомодульные. В центре од-
номодульного кабеля находится трубка относительно большого диа-
метра, в которой помещаются все ОВ. В многомодульном кабеле
несколько модулей скручиваются вместе, образуя повив, чаще всего
вокруг центрального силового элемента. Возможна скрутка метал-
лических трубок и без центрального элемента.
Герметичные металлические трубки защищают волокна от про-
никновения извне влаги и свободного водорода и обладают высоким
сопротивлением раздавливанию.
Через пластмассовые трубки возможна диффузия паров воды и
свободного водорода, выделяющегося некоторыми защитными мате-
риалами. Водород и образованные им гидроксильные группы ОН
могут проникать в кварцевое волокно, что приводит к повышению
коэффициента затухания. Поэтому пластмассовые трубки модулей
обязательно заполняются гидрофобным компаундом, защищающим
волокна не только от влаги и от вибрации.

78
Глава 3
Центральный силовой элемент в многомодульных кабелях мо-
жет быть либо диэлектрический: стеклопластиковый круглый стер-
жень — кордель, либо металлический: стальная круглая проволока,
плакированная алюминием (алюминированная); профилированный
алюминиевый (или из сплава) стержень с пазами.
Оптический сердечник в ряде конструкций заключается в труб-
ку — полимерную или металлическую (алюминиевую, из алюмини-
евого сплава, из нержавеющей стали). Во всех кабелях поверх пояс-
ной трубки располагается один или два повива металлических прово-
лок, образующих грозозащитный трос. Проволоки могут быть сталь-
ные; алюминиевые; стальные, плакированные алюминием, и алдре-
евые — из сплава алюминия с магнием, кремнием и железом. Вы-
бор вида проволок зависит от эксплуатационных требований физико-
механическим параметрам троса.
В двухповивном тросе внешний повив состоит из проволок по-
вышенной электропроводности (алдрей, алюминий), а внутренний —
из проволок высокой механической прочности (сталь, плакированная
сталь), таким образом, проволоки, обеспечивающие механическую
прочность троса и, следовательно, кабеля, защищены от воздействия
ударов молнии. Короткие замыкания в высоковольтных ЛЭП приво-
дят к высокой плотности тока в тросе и сопровождаются повышением
температуры внешних алдреевых или алюминиевых проволок, чего
не испытывают стальные проволоки внутреннего повива, защищая
тем самым от нагрева оптические модули. В одноповивном тросе
сочетаются оба типа проволок.
Кабели ОКГТ способны выдерживать очень высокие механиче-
ские и электрические нагрузки, имеют длительный срок службы,
обеспечивают оптимальную механическую защиту ОВ (например, от
пулевых повреждений) и оптимальную молниезащиту, так как сталь-
ная проволока, обеспечивающая механическую прочность во внут-
реннем слое, хорошо защищена. Для них характерны малые изме-
нения температуры ОВ в условиях короткого замыкания благодаря
тепловой изоляции, обеспечиваемой внутренним стальным слоем бро-
ни, и минимальный крутящий момент при монтаже и эксплуатации.
Рабочая температура ОКГТ лежит в пределах -60... + 70 °С.
Высокие электрические и механические характеристики обес-
печиваются запатентованной отечественной конструкцией кабеля
ОКГТ [12] в которой оптический сердечник размещается в метал-
лической оболочке, поверх которой накладывается броня (рис. 3.24).
Внешняя поверхность металлической оболочки имеет продольно-
гофрированную структура Ъгьпня иыполнена из повива круглых про-
волок с разными механической прочностью и проводимостью. За счет

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 79
этого увеличивается теплообмен без уменьше-
ния механической прочности и увеличивается {ШЖ jf^\
эксплуатационная надежность. /''ift^^
Гофрировка на внешней поверхности ме- i^^^?/^^^^i^<
таллической оболочки и повив проволок на | Л|^£МЩШ
внешней поверхности металлической оболочки fT^^O^ir\
улучшают теплообмен между металлической ^-ffe^p^^^V^
оболочкой и внешней средой и круглыми про- \ЩХ \_/
волоками и внешней средой.
За счет хорошего теплообмена с внешней Рис' 3'24, гРоз0за-
„ щитный трос с опти-
средой и протекания половины тока по прово-
v ^ к к ческими волокнами
локам брони с высокой проводимостью метал-
лическая оболочка не перегревается и диэлектрические элементы не
оплавляются. Проволоки брони обеспечивают высокую механиче-
скую прочность и могут иметь различный диаметр и форму попереч-
ного сечения для получения необходимого эффекта по сохранению
механической прочности и получению высокой проводимости.
ОК, встроенные в грозозащитной трос, выпускаются многими за-
рубежными фирмами. Конструкции таких ОК некоторых зарубеж-
ных фирм рассмотрены в [6].
ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» разработала
и предлагает ОК, встроенный в грозозащитный трос, марки ОКГТ
(рис. 3.25).
Основные технические характеристики этого кабеля:
количество ОВ, шт до 48
номинальный внешний диаметр кабеля, мм 13,2
масса кабеля, кг/км 590
сечение стальной части кабеля, мм2 56,27
сечение алюминиевой части кабеля, мм2 43,26
минимальная разрывная нагрузка, кг 7600
максимально допустимая растягивающая нагрузка, кг 4500
среднеэксплуатационная нагрузка, кг 1900
модуль упругости (начальный), кг/мм2 11735
модуль упругости (конечный), кг/мм2 14130
сопротивление постоянному току при 20°, Ом/км 0,47
допустимый ток КЗ в 1 с, кА 9,0
термическая стойкость к КЗ, кА2с 81
коэффициент линейного термического расширения, 1/°С ... 1,6 • Ю-5
минимальный радиус изгиба, мм 260
Параметрами ОК уточняются для каждого конкретного проекта
ВОДГГ В зависимости от числа оптических волокон кабели могут
иметь сердечник одномодульной и многомодульной конструкции.

80
Глава 3
Рис. 3.25. Конструкция ОК марки ОКГТ про-
изводства ЗАО «СОКК»: 1 — оптическое волок-
но; 2 — гидрофобный компаунд; 3 — централь-
ная полимерная или стальная трубка; 4 — про-
волоки стальные оцинкованные; 5 — алюмини-
евая оболочка; 6 — проволоки из алюминиевого
сплава; 7 — проволоки стальные с алюминие-
вым покрытием
Наиболее узким местом внедрения волоконно-оптической техни-
ки является сельская местная связь. Масштабная информатизация
в глубинке сдерживается относительно высокой стоимостью строи-
тельства линейно-кабельных сооружений связи по традиционной тех-
нологии. При этом в России намечается большая работа по рекон-
струкции воздушных ЛЭП напряжением до 10 кВ путем подвески
самонесущих изолированных проводов (СИП-3) взамен устаревших
самонесущих изолированных фазных проводов. Срочной замены тре-
буют более 700 тыс. км распределительных проводов, находящихся в
эксплуатации. В связи с этим ОАО «Севкабель» и ЗАО «Севкабель-
оптик» (Санкт-Петербург) разработали, испытали и представили на
рынок новый для ЛЭП напряжением ниже 10 кВ комбинированный
кабель-провод, одновременно выполняющий функции фазного прово-
да и ОК [8]. Кабель-провод с числом ОВ до 48 спроектирован на базе
СИП-3, выпускаемых серийно ОАО «Севкабель» и самонесущих ОК,
которые производит ЗАО «Севкабель-оптик» (рис. 3.26).
Применение комбинированного кабеля для создания гибридных
сетей электроснабжения и связи позволит значительно сократить
суммарные затраты на проектирование, строительство и эксплуата-
ции линий. За счет этого появляется реальная возможность решить
важную социальную задачу — довести практически до каждого на-
селенного пункта оптическое волокно, а, значит, и современные циф-
ровые технологии передачи информации.
Кроме использования в распределительных сетях электроснаб-
жения, разработанный кабель можно применить в нефтяной и газо-
вой отрасли, где вдоль магистральных нефтепровода или газопрово-
да сооружаются корпоративные воздушная линия электропередачи
и кабельная линия связи.
К описанной конструкции (рис. 3.26) следует добавить, что для
проектирования, строительства и эксплуатации разработана необхо-
димая документация.
Для подвески ОК на опорах контактной сети электркфкциро
ванных железных дорог и городского электрохозяйства многими оте-

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 81
Рис. 3.26. Конструкция фазового провода на
основе СИП-3 с волоконно-оптическим моду-
лем: 1 — центральный силовой элемент, вы-
полненный из стальной проволоки или алю-
миниевого сплава; 2 — алюминиевые токопро-
водящие жилы; 3 — оптический модуль со
свободно уложенными оптическими волокнами
или пучками волокон и гидрофобным компаун-
дом; 4 — водоблокирующая лента; 5 — наруж-
ная оболочка
Рис. 3.27. Конструкция ОК марки ОКЛЖ про-
изводства ЗАО «СОКК»: 1 — оптические во-
локна свободно уложены в полимерных труб-
ках (оптические модули), заполненных гидро-
фобным компаундом; 2 — центральный сило-
вой элемент, представляющий из стеклопласти-
кового прутка; 3 — кордели — сплошные поли-
этиленовые стержни — для устойчивости кон-
струкции; 4 — поясная изоляция в виде лавса-
новой ленты; 5 — гидрофобный компаунд; 6 —
внутренняя оболочка выполнена из композиции
полиэтилена; 7 — силовые элементы в виде
слоя арамидных нитей; 8 — наружная оболочка
выполнена из композиции полиэтилена средней
или высокой плотности
Рис. 3.28. Конструкция подвесного ОК мар-
ки ОКТ производства ООО «Сарансккабель-
оптика»: 1 — стальной трос или стеклопла-
стиковый стержень; 2 — скрепляющая лента;
3 — гидрофобный компаунд; 4 — полимерная
трубка; 5 — стеклопластиковый силовой эле-
мент; 6 — оптическое волокно; 7 — гидрофоб-
ный компаунд; 8 — полиэтиленовая оболочка
чественными предприятиями выпускаются как самонесущие диэлек-
трические, не имеющие в конструкции металлические элементы ОК
(ЗАО «СОКК», ЗАО «Севкабель-оптик», ЗАО «ОКС-01», ЗАО «ОФС-
Связьстрой-1, ВОКК», ЗАО «Москабель-Фуджикура» и др.), так и
ОК с встроенным несущим тросом (ЗАО «ОФС-Связстрой-1, ВОКК»,
ЗАО «Москабель-Фуджикура» и др.).
Конструкции самонесущих подвесных ОК заводами-изготови-
телями предусматривают различные статические растягивающие на-
гРузки. Например, ЗАО «СОКК» изготавливает подвесные ОК с до-
*vvl • 5-НМЫМИ раСТЯГИВсы^ил,*™*** пш yj олами j ,u, iu,u, АО,*-/, ^U,U, 60,\J И
30,0 кН. При этом по требованиям конкретного проекта в зависимо-

82
Глава 3
сти от значений длин пролетов, стрел провесов и условий эксплуа-
тации может быть выполнен расчет конструкции ОК практически на
любые допустимые растягивающие усилия.
На рис. 3.27 представлена конструкция самонесущего подвесного
ОК производства ЗАО «СОКК» марки ОКЛЖ.
На рис. 3.28 показана конструкция подвесного ОК с встроенным
тросом (силовым элементом, вынесенным из оптического сердечника)
марки ОКТ производства ООО «Сарансккабель-оптика».
3.2.16. Подводные оптические кабели связи
Принципиально новый качественный скачок в технике подвод-
ных линий связи произошел при появлении оптических кабелей.
В первой половине 1980-х годов осуществилась прокладка ОК для
регулярной эксплуатации линий длиной от 300 до 10000 км на глу-
бине до 7500 м [6]. Коэффициент затухания кабелей с одномодовыми
волокнами на длине волны 1,3 мкм составлял 1 дБ/км, длина реге-
нерационного участка — 35 км.
В 1985 г. был проложен первый глубоководный оптический ка-
бель связи большой емкости между двумя Канарскими островами
(ОК первого поколения). Эта глубоководная система содержала
несколько регенераторов, скорость передачи составляла 280 Мбит/с
на 2 ОВ, передача осуществлялась на длине волны 1,3 мкм.
В настоящее время подводные волоконно-оптические кабели име-
ют протяженность более 300000 км и обеспечивают связь между 90
странами. Запущенная в 1988 г. Трансатлантическая линия ТАТ-8
между США, Францией и Великобританией работала также на длине
волны 1,3 мкм и обеспечивала емкость 280 Мбит/с на 2 ОВ. До этого
момента 65 % всех международнь/х каналов между США и Евро-
пой обеспечивалось с помощью спутников. В настоящее время более
75 % всех каналов обеспечивается с помощью ОК. Через несколько
месяцев после введение ТАТ-8 была запущена Транстихоокеанская
линия ТРС-3, соединяющая США и Японию.
Второе поколение ОК также использовало регенераторы, но уже
работало на длине волны 1,55 мкм и на скорости передачи 560 Мбит/с
на 2 ОВ. К этому поколению относятся ТАТ-9 (США — Канада —
Великобритания, Франция — Испания), ТАГ-10 (США — Германия),
ТАТ-11 (США — Великобритания — Франция) и ТРС-4 (США —
Канада — Япония). ТАТ-9 обеспечивало электронное мультиплек-
сирование и демультиплексирование в подводной части системы.
Третье поколение. ОК (1995 г.) обеспечивало начальный сегмент
первой трансокеанской кольцевой системы ТАТ-12, ТАТ-13 и ТРС-5.

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 83
На пару ОВ обеспечивалась скорость 5 Гбит/с синхронной цифро-
вой иерархии, использовались эрбиевые усилители оптических сиг-
налов и длина волны 1,55 мкм.
Четвертое поколение ОК позволило использовать системы, ко-
торые обеспечивают прямое усиление оптических сигналов.
Прогноз роста объемов передачи информации дальней связи от-
мечает, что пропускная способность и скорость передачи удваива-
ется каждые два года.
Подводные ОК должны обладать повышенной прочностью на
разрыв и выдерживать давление воды до 75 МПа. При констру-
ировании подводных ОК приходится учитывать такие требования,
как гибкость, устойчивость к шторму, необходимые при прокладке
на дне и извлечении непосредственно со дна и из траншеи, подвес-
ке к бонам при ремонте; простоту и быстроту ремонта. Необходи-
мо учитывать, что стоимость самого ОК составляет значительную
часть стоимости всей системы.
Конструкция кабеля для подводной системы зависит от места
их прокладки. Существуют: глубоководные кабели с защитой от
значительного гидростатического давления; кабели для прокладки
в мелководных местах с защитой от сетей и якорей; кабели для при-
брежной прокладки с повышенной механической защитой и кабели
для прокладки в земле, траншеях к распределительному пункту для
присоединения к наземной сети.
При изготовлении кабеля необходимо добиваться минимума оста-
точных напряжений в ОВ. В настоящее время в лучших образцах она
составляет 0,05 % от допустимой. ОВ очень чувствительны к воздей-
ствию морской воды [6]. При ремонте линии необходимо удалить
куски ОК, в которых обнаружены следы воды. При наличии по-
стоянного гидростатического давления скорость проникновения во-
ды вдоль кабеля постоянна, но может быть уменьшена за счет при-
менения гидрофобного заполнения. Структура заполнителя долж-
на быть такой, чтобы он проникал во все пустоты внутри ОК, не
оказывая влияния на ОВ и эффективно герметизируя кабель в про-
дольном направлении.
Другая проблема заключается в появлении внутри кабеля во-
дорода, который отрицательно действует на ОВ. Водород может вы-
деляться вследствие взаимодействия материалов, из которых изго-
товлен ОК, с морской водой. Недавние исследования показали, что
наименьшего влияния водорода на ОВ достигают за счет металли-
зации поверхности волокна. Начаты исследования триаксиальной
конструкции ОВ, которая также повышает его стойкость к воздей-
ствию водорода.

84
Глава 3
Уменьшить влияние гидростатического давления на ОВ можно
за счет использования в конструкции кабеля полой трубки, которая
может быть выполнена из металла и несет на себе функции токо-
проводящей жилы. Сечение трубки и ее размеры часто определяет
не давление, а требование по передаваемой электрической мощности.
Трубку довольно часто выполняют из меди или алюминия.
Кроме этого способа защиту от гидростатического давления мож-
но осуществлять путем применения скрутки стальными проволока-
ми, которые образуют прочную конструкцию. Армирующие сталь-
ные элементы должны обеспечить прочность не только при воздей-
ствии статических, но и динамических нагрузок. При двухслойном
расположении проволок (направление«скрутки проволок в слоях про-
тивоположное) добиваются нейтрализации крутящих моментов и ис-
ключают возможность возникновения петель.
В [6] приведены конструкции и характеристики подводных ОК
для различных условий эксплуатации и глубины водоемов зарубеж-
ных фирм и ЗАО «Севкабель-оптик», Санкт-Петербург. Следует от-
метить, что выпуск глубоководных ОК начинает осуществляться на
отечественных заводах. Так, специалистами ЗАО «Севкабель-оптик»
разработаны оптические кабели для подводной морской прокладки
на глубину до 400 м и до 1000 м.
Кабель представляет собой аксиальную конструкцию, в центре
которой расположен оптический модуль в виде герметичной трубки,
изготовленной из нержавеющей стали со свободно расположенными
оптическими волокнами. Поверх модуля располагается повив мед-
ных проводников дистанционного электропитания. Далее следуют
промежуточная полиэтиленовая оболочка и внешние покровы, состо-
ящие из бронеповива стальных проволок и наружной полиэтилено-
вой оболочки.
На рис. 3.29 представлена конструкция подводного ОК для про-
кладки на глубину до 400 м марки ПОК-400.
Основные технические характеристики подводного кабеля мар-
ки ПОК-400:
Количество оптических волокон в кабеле 2—48
Диаметр кабеля, мм 21,5
Масса кабеля, кг/км, не более:
в воздухе 972
в воде 625
Радиус изгиба, мм, не менее 322
Стойкость к продольному растяжению, л11, не менее 50
Стойкость к раздавливающим усилиям, кН/см, не менее ... 1,5

Конструкции и характеристики направляющих систем связи 85
рис. 3.29. Конструкция подводного ОК
марки ПОК-400 производства ЗАО «Сев-
кабель-Оптик» с медными жилами для
дистанционного питания: 1 — централь-
ная трубка из полимерных композиций со
свободно уложенным оптическим волок-
ном или пучками волокон, заполненная
гидрофобным компаундом; 2 — медная
проволока (токопроводящая жила дистан-
ционного электропитания); 3 — водобло-
кирующая лента; 4 — медная лента; 5 —
промежуточная оболочка из полиэтилена
высокой плотности; 6 — круглая сталь-
ная оцинкованная проволока; 7 — гид-
рофобный компаунд; 8 — наружная обо-
лочка из полиэтилена высокой плотности
Стойкость к радиальному гидростатическому давлению,
МПа, не менее 4,0
Температурный диапазон эксплуатации, °С —40...4-40
Электрическое сопротивление токонесущего элемента ди-
станционного питания (совокупности медных проволок),
Ом/км, не более 1,0
Максимальная строительная длина кабеля, км:
при поставке на барабане 8
при отгрузке на судно-кабелеукладчик 50
В стадии разработки и испытаний находятся и более мощные
подводные оптические кабели.
Уникальное географическое положение ЗАО «Севкабель-оп-
тик» — цех по производству оптических кабелей расположен на бере-
гу залива и имеет собственный глубоководный причал — позволяет
существенно модернизировать процесс подготовки подводного кабеля
к прокладке. Предприятие, обладая тенксами — емкостями для хра-
нения больших строительных длин подводного кабеля, готово прово-
дить комплексные работы по созданию будущих подводных ВОСП,
включал монтаж муфт и оптических усилителей, накладку и тести-
рование линейного тракта. Причем эти работы можно проводить в
пределах кабельной секции на берегу в заводских условиях с последу-
ющей перегрузкой участка линии на борт судна — кабелеукладчика.
Контрольные вопросы
1. Как классифицируются электрические кабели связи по области
применения и конструкции?
2. Как классифицируются электрические кабели связи по условиям
и* прокладки и эксплуатации?

86
Глава 3
3. Каковы основные конструктивные элементы электрических кабе-
лей связи?
4. Материалы токопроводящих жил и требования, предъявляемые к
ним.
5. Основные характеристики диэлектриков, применяемых для изоля-
ции жил.
6. Основные типы изоляции жил симметричных кабелей связи.
7. Основные типы изоляции коаксиальных кабелей связи.
8. Типы скрутки жил в группы.
9. Повивная и пучковая скрутка кабелей ГТС.
10. Типы защитных оболочек и требования, предъявляемые к ним.
11. Типы бронепокровов и требования, предъявляемые к ним.
12. Как маркируются междугородные симметричные кабели?
13. Как маркируются кабели ГТС?
14. Как маркируются коаксиальные кабели?
15. Каковы отличительные особенности кабелей с использованием ви-
тых пар, область их применения?
16. Как классифицируются оптические кабели?
17. Чем отличаются многомодовые ОВ от одномодовых?
18. Область применения одномодовых ОВ.
19. Область применения многомодовых ОВ.
20. Каково преимущество многомодовых градиентных ОВ перед сту-
пенчатыми?
21. Каковы конструкции модулей применяются в ОК?
22. Каково назначение силовых элементов в ОК, их материалы?
23. Назовите основные требования, предъявляемые к ОК.
24. Как классифицируются ОК по допустимым растягивающим уси-
лиям?
25. Какие ОК применяются для прокладки в грунт?
26. Какие ОК применяются для прокладки в телефонной канали-
зации?
27. Какие ОК применяются для подвески на опорах?
28. Какие ОК применяются для прокладки методом пневмозадувки?
29. Конструктивные особенности подводных ОК.

Глава 4
Основы электродинамики
направляющих систем
4.1. Общие сведения
Материальным носителем информации в системах электросвя-
зи является электромагнитное поле. Электромагнитное поле пред-
ставляет собой особую, невещественную форму существования ма-
терии, которой присущи определенные масса, импульс, энергия и
для которой выполняются все фундаментальные законы сохранения.
Одним из специфических свойств электромагнитного поля являет-
ся способность к переносу энергии в виде волновых процессов —
электромагнитных волн — с последующим преобразованием энер-
гии в иные виды. Данное свойство составляет физическую основу
всех систем электросвязи. Электромагнитная энергия может распро-
страняться в виде волн как в открытом пространстве, что исполь-
зуется при организации радиопередач, так и в специально органи-
зованных каналах — направляющих системах — элементах обра-
зующих линии связи.
Изучением явлений, связанных с электромагнитным полем, за-
нимается раздел физики — электродинамика. Электромагнитные
явления в различных системах и устройствах электросвязи описыва-
ет техническая электродинамика. Основы технической электродина-
мики в вузах телекоммуникационного профиля излагаются в курсе
«Электромагнитные поля и волны» (ЭМПиВ).
Из курса физики известно, что электромагнитное поле имеет ду-
алистическую корпускулярно-волновую природу, т.е. наряду с вол-
новыми свойствами проявляет свойства частиц. Частицу электро-
магнитного поля называют фотоном. Фотоны способны к взаимо-
действию с электронами и протонами — заряженными частицами,
Ходящими в состав вещества. Во многих случаях, встречающих-
Ся в радиотехнике, непосредственно процесс взаимодействия поля с

88
Глава 4
микрочастицами вещества не представляет практического интереса,
в то время как существенными являются следствия этого взаимодей-
ствия, проявляющиеся в макроскопических масштабах, т.е. в объе-
мах, линейные размеры которых соизмеримы с человеческими пред-
ставлениями. С таких позиций описывает электромагнитные явле-
ния и процессы макроскопическая электродинамика.
С макроскопической точки зрения электромагнитное поле прояв-
ляет себя в процессе силового взаимодействия с заряженными телами
посредством пондеромоторных сил. При этом известно, что пондеро-
моторная сила имеет две составляющие, одна из которых пропорцио-
нальна лишь величине заряда, а вторая также и скорости его движе-
ния. Такой эмпирический дуализм электромагнитного воздействия
на вещество стал в свое время причиной деления электромагнитного
поля на электрическое и магнитное поля.
Электрическим полем принято называть одно из проявлений еди-
ного электромагнитного поля, проявляющее себя в силовом воздей-
ствии на заряженные тела с силой, пропорциональной электрическо-
му заряду и не зависящей от скорости движения тела.
Магнитным полем принято называть одно из проявлений единого
электромагнитного поля, проявляющее себя в силовом воздействии
на заряженные тела с силой, пропорциональной электрическому за-
ряду и скорости движения тела.
На самом деле электромагнитное поле объективно едино, а деле-
ние его на электрическую и магнитную составляющие связано лишь
с постановкой опыта и зависит от выбора системы отсчета. Действи-
тельно, неподвижный электрический заряд, создающий электриче-
ское поле, с точки зрения движущегося относительно него наблюда-
теля создает также и магнитное поле. Однако традиционно приня-
то характеризовать электромагнитное поле при помощи параметров,
учитывающий такое общепринятое, хотя и весьма условное, разде-
ление пондеромоторных сил.
Источниками электромагнитного поля являются электрические
заряды и токи и, в то же время, само поле является первопричиной
возникновения токов и зарядов.
В настоящее время макроскопическая электродинамика пред-
ставляет собой строгую, непротиворечивую теорию, описывающую
электромагнитные явления, а также явления и процессы, им сопут-
ствующие, как в свободном пространстве, так и в различных есте-
ственных и искусственных средах, системах и устройствах. Кроме
того, современная электродинамика располагает широким набором
методов расчета параметров электромагнитных попей, создаваемых
разнообразными системами источников, в различных условиях.

Основы электродинамики направляющих систем 89
Как известно из курса ЭМПиВ, математическую основу электро-
динамики составляет система дифференциальных уравнений в част-
ных производных, которую принято называть уравнениями Максвел-
ла. Данные уравнения описывают взаимосвязь характеристик элек-
тромагнитного поля с параметрами материальной среды в самом об-
щем случае. Формулировка уравнений Максвелла для различных
случаев и их физическая интерпретация будут даны ниже.
В ряде частных случаев применение электродинамических ме-
тодов анализа процессов, протекающих в направляющих системах,
оказывается нецелесообразным ввиду сложности и громоздкости ма-
тематического аппарата, несущественности явлений, специфических
для электродинамических систем (например, таких как излучение),
или вследствие каких-либо иных соображений. В этих случаях при-
меняются методы теории электрических и магнитных цепей с сосре-
доточенными или распределенными параметрами.
Как правило, приближение метода эквивалентной электриче-
ской цепи при анализе направляющих систем дает хорошее прибли-
жение на достаточно низких частотах. В случаях, когда простран-
ственный период изменения поля оказывается существенно меньше
линейных размеров анализируемой области пространства, парамет-
ры эквивалентных цепей можно считать сосредоточенными и поль-
зоваться методами классической теории электрических и магнитных
цепей. Если же линейный размер, соответствующий направлению
распространения электромагнитной энергии, оказывается одного по-
рядка или больше пространственного периода изменения поля, то па-
раметры эквивалентных цепей полагают распределенными и пользу-
ются положениями теории длинных линий, получаемыми из извест-
ных телеграфных уравнений. С другой стороны, на крайне высоких
частотах и частотах оптического диапазона применимыми оказыва-
ются методы лучевой оптики.
Основные соотношения теории цепей и лучевой оптики тради-
ционно строятся на несколько иных предпосылках, нежели уравне-
ния Максвелла, однако они, безусловно, являются соответствующи-
ми асимптотическими приближениями общей теории электромагнит-
ного поля.
4.2. Характеристики электромагнитного
поля и электрофизические параметры
сред
Как отмечалось выше, основным эмпирическим признаком элек-
тромагнитного поля является силовое воздействие на заряженные те-

90
Глава 4
ла. Данное обстоятельство, очевидно, послужило причиной того, что
в качестве основных характеристик электромагнитного поля исполь-
зованы векторные величины.
Традиционно, силу, действующую со стороны электромагнитного
поля на заряд, отождествляют с выражением
F = qnE + qn[V,B], (4.1)
где qn — пробный заряд, помещенный в электромагнитное поле; V —
скорость его движения; Е и В — силовые характеристики поля.
Характеристикой поля, инвариантной по отношению к величине
пробного заряда, является векторная величина, определяемая вы-
ражением
F/qn=E + [V,B). (4.2)
Разделяя в (4.2) электрическое и магнитное поля, в соответствии
с описанным ранее критерием получим соответствующие им сило-
вые характеристики.
Таким образом, электрическое поле принято характеризовать
векторной величиной — напряженностью электрического поля, опре-
деляемой как
Ё= lim —. (4.3)
Магнитное же поле характеризуется вектором магнитной индукции,
который определяется выражением
В= lim -^. (4.4)
9n-o qnV
Предельные переходы в (4.3) и (4.4) выполнены для того, чтобы
исключить влияние собственного поля пробного заряда на характе-
ристику анализируемого электромагнитного поля.
Следует отметить, что векторы соответствующей силы и напря-
женности электрического поля коллинеарны (в случае положитель-
ного пробного заряда — параллельны), а векторы скорости, магнит-
ной индукции и соответствующей силы лежат в трех ортогональных
плоскостях и, в случае положительного пробного заряда, образуют
правую тройку.
Выше отмечалось, что электромагнитное поле активно взаимо-
действует с материальными средами, при этом параметры сред пре-
терпевают качественные и количественные изменения. Если в ве-
ществе присутствует элсктрОхМагкитное поле, то можно выделить
несколько механизмов взаимодействия его с веществом:

Основы электродинамики направляющих систем 91
• движение свободных, не связанных молекулярной структурой ве-
щества зарядов, называемое электрическим током проводимости,
характеризуемое вектором плотности тока, пропорциональным
напряженности электрического поля,
3=*Ё, (4.5)
где а — удельная электропроводность вещества;
• смещение зарядов, связанных силой межмолекулярного взаимо-
действия, характеризующееся вектором электрического смеще-
ния
б = £0егЁ = еАЁ, (4.6)
где во = 8,85 • Ю-12 Ф/м — электрическая постоянная; еТ и
£а — относительная и абсолютная диэлектрические проницае-
мости среды соответственно;
• изменение ориентации орбитальных и спиновых механических
моментов атомов и молекул вещества, характеризуемое векто-
ром напряженности магнитного поля
Я = B/(/io/ir) - B//ia, (4J)
где /ло = 47г • Ю-7 Гн/м — магнитная постоянная; /ir и /ха —
относительная и абсолютная магнитные проницаемости среды
соответственно.
В литературе встречаются трактовки взаимосвязи векторов поля
и параметров среды, отличающиеся от вышеизложенной, что, впро-
чем, определено лишь методологическими подходами к системати-
ческому изложению основ теории электромагнитного поля и никоим
образом не меняет физического смысла вводимых параметров.
Таким образом, характер явлений, имеющих место в матери-
альной среде под воздействием электромагнитного поля, полностью
определяется тремя электрофизическими параметрами сг, еа и /ха.
Данные параметры принято называть макроскопическими, подчер-
кивая тем самым, что они дают полную информацию об электроди-
намических свойствах среды с макроскопической точки зрения.
Если эти параметры не зависят от величины электрического и
магнитного полей, то такая среда называется линейной. Если хо-
тя бы один из этих параметров зависит от величины электрического
или магнитного поля, то такая среда называется нелинейной. Сре-
да, параметры которой не зависят от координат, называется одно-
Родной. Если свойства среды не одинаковы во всех ее точках, то
такая среда называется неоднородной. Если параметры среды одина-
ковы по разным направлениям, то такая среда называется изотроп-

92
Глава 4
ной. В противном случае говорят об анизотропии — зависимости
свойств среды от направления.
Уравнения (4.5)-(4.7), связывающие векторы электромагнитного
поля в свободном пространстве с векторами поля в материальной
среде, принято называть материальными уравнениями.
4.3. Основные положения теории
электромагнитного поля
Математическую основу теории электромагнитного поля состав-
ляют уравнения Максвелла, традиционно в технических приложени-
ях трактуемые как обобщения ряда эмпирических закономерностей.
Так, первое уравнение Максвелла является обобщением закона пол-
ного тока Ампера (теоремы о циркуляции вектора напряженности
магнитного поля) и формулируется следующим образом:
£
Hdl = I.
(4.8)
Интеграл в левой части (4.8) имеет смысл циркуляции векто-
ра напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому
контуру, охватывающему линии тока. В правой части записан так
называемый полный ток, являющийся алгебраической суммой вели-
чин токов проводимости и смещения,
"Jj^+L^
(4.9)
Второе слагаемое в правой части (4.9) представляет собой ток сме-
щения, определяемый как
c"=fsJc"d3=fs%'
(4.10)
Лгм = / Jcm dS = -^r dS.
Таким образом, плотность тока сме-
щения определяется скоростью изме-
нения вектора электрического смеще-
ния во времени. Линии вектора плот-
ности тока смещения замыкают линии
полного тока в областях, где отсут-
ствует электропроводность.
Взаимное расположение линий тока и контура Г показано на
рис. 4.1. Поверхность 5, через которую вычисляется поток линий
плотности тока в (4.9) и (4.10), опирается на контур Г.
Рис. 4.1. К формулировке
первого уравнения Максвелла

Основы электродинамики направляющих систем
93
Запись вида (4.8) называют интегральной формой первого урав-
нения Максвелла. Использование теоремы о том, что циркуляция
любого вектора равна потоку ротора этого вектора через поверхность,
опирающуюся на контур, по которому вычисляется циркуляция, из-
вестной под названием теоремы Стокса, позволяет получить диффе-
ренциальную форму первого уравнения Максвелла:
дб
rot Я = jnp + jCM = jnp + —. (4.11)
Второе уравнение Максвелла, как правило, рассматривают как
обобщенный закон электромагнитной индукции Фарадея-Ленца:
£ Edf=-^- f BdS. (4.12)
Циркуляция вектора напряженности электрического поля в ле-
вой части (4.12) имеет смысл ЭДС, наводимой переменным магнит-
ным потоком в контуре L. При этом предполагается, что контур L
пронизывается линиями магнитного поля. Соотношения между кон-
туром и поверхностью, по которой вычисляется интеграл в правой
части, аналогичны предыдущему случаю. Интеграл в правой части
представляет собой ни что иное, как скорость изменения во времени
переменного магнитного потока, охватываемого контуром L.
Применение теоремы Стокса позволяет записать второе уравне-
ние Максвелла в дифференциальной форме следующим образом:
тс*Ё = ~. (4.13)
Сопоставление (4.11) и (4.13) позволяет сделать вывод о сходно-
сти структур первого и второго уравнений.
Отсутствие в правой части (4.13) слагаемого, аналогичного плот-
ности тока проводимости, обусловлено тем обстоятельством, что но-
сителей магнитного заряда и магнитных токов в природе не суще-
ствует.
Третье уравнение Максвелла представляет собой закон Гаусса,
распространенный на общий случай переменных во времени и про-
странстве зарядов:
£
DdS = Q. (4.14)
s
Интеграл в левой части (4.14) представляет собой поток векто-
ра электрического смещения через произвольную поверхность. Член

94
Глава 4
в правой части имеет смысл полного заряда, заключенного в этой
поверхности:
Q= [ pdVy (4.15)
Jv
где V — объём, ограниченный поверхностью 5; р — объёмная плот-
ность электрического заряда, определяемая следующим образом:
АО
р = lim -^. (4.16)
дк-о AV
Применение теоремы о равенстве потока вектора через замкну-
тую поверхность объемному интегралу от дивергенции, взятому по
объему, ограниченному этой поверхностью, известной под названием
теоремы Остроградского, можно легко получить дифференциальную
форму третьего уравнений Максвелла:
divD = p. (4.17)
Четвертое уравнение Максвелла по структуре аналогично тре-
тьему с нулевой правой частью, что опять-таки является следствием
отсутствия в природе автономных носителей магнитного заряда:
/.
BdS = 0; div£ = 0. (4.18)
s
Сравнительный анализ (4.17) и (4.18) говорит о том, что электри-
ческое поле может существовать как в потенциальной (линии векто-
ра Е разомкнуты, начинаются и заканчиваются на зарядах), так и
в соленоидальной (линии вектора Е замкнуты) формах. Причем по-
тенциальная форма электрического поля создается неизменными во
времени электрическими зарядами, а соленоидальная — переменны-
ми. Линии же магнитного поля всегда замкнуты.
Система уравнений Максвелла традиционно дополняется диф-
ференциальными формулировками закона Ома, закона сохранения
электрического заряда и уравнения непрерывности линий электри-
ческого тока.
Закон сохранения электрического заряда записывается следу-
ющим образом:
I=_dQ
dt
или с учетом (4.15)
1 7лс— _ / _ллт/ (А л<Х\

Основы электродинамики направляющих систем
95
Выражение (4.19) представляет собой интегральную форму за-
кона сохранения электрического заряда. Дифференциальная форма
может быть получена при помощи теоремы Остроградского:
div j =
dp
dt'
(4.20)
Закон непрерывности линий полного тока получается после под-
становки в (4.20) третьего уравнения Максвелла
divJ+^div0=O; divU+^J=0 (4.21)
или, учитывая физический смысл производной в левой части (4.21),
можно записать
div (j + Jcm) = 0; div jfnojlH = 0.
(4.22)
Иными словами, линии полного тока не имеют ни источников,
ни стоков, т.е. всегда замкнуты.
Под законом Ома в дифференциальной форме понимают выра-
жение (4.5).
Итак, полная система уравнений Максвелла выглядит следую-
щИхМ образом:
Интегральная форма
£"-1.{'+%)«
I E<U = -4- [ BdS
Jr dt Js
<j>DdS = q,
I BdS = 0
Дифференциальная форма
л -t dD
rotH = J + -
- дВ
rotE = -lH 1
div D = р
divB = Q
л. -f dp 1
Закон сохранения заряда divj = ——.
Уравнение непрерывности div ^ПОлн = 0
Закон Ома j = oE.
Уравнения Максвелла в интегральной форме описывают элек-
тромагнитное поле в некоторых объёмах, ограниченных контурами
и поверхностями интегрирования, а уравнения Максвелла в диффе-
ренциальной форме характеризуют поле в точках. Из уравнений

96
Глава 4
Рис. 4.2. Взаимосвязь векторов электромагнитного поля
следует, что электрическое и магнитное поля взаимосвязаны между
собой и способны порождать друг друга. В частности, электриче-
ское поле создает вокруг себя магнитное поле (рис. 4.2,а), а всякое
изменение магнитного поля сопровождается образованием электри-
ческого поля (рис. 4.2,6). В целом изменение одного поля вызы-
вает появление другого поля, в результате действует и существует
суммарное электромагнитное поле (рис. 4.2,в), переносящее энергию
в атмосфере, кабелях, волноводах, световодах и любых других на-
правляющих системах.
Однако в ряде случаев взаимной обусловленностью электриче-
ского и магнитного полей можно пренебречь. В соответствии с дан-
ным критерием среди всего многообразия электромагнитных полей
принято выделять ряд классов:
• статические поля — поля, создаваемые системами неподвижных
зарядов, постоянных магнитов и постоянных токов в тех обла-
стях, где токи отсутствуют; в этом случае система уравнений
Максвелла распадается на две подсистемы, каждая из которых
содержит либо электрические, либо магнитные величины:
Система уравнений
электростатики
rot Е = б; div D = р
D = eaE
Система уравнений
магнитостатики
rot Н = б; div В = 0
В = ДаЯ
• стационарное электромагнитное поле — поле, создаваемое систе-
мами неподвижных зарядов, постоянных магнитов и постоянных
токов в тех областях, где токи существуют; отличие стационар-
ного случая от статического состоит в том, что в анализируемой
области пространства присутствуют постоянные токи; электри-
ческое и магнитное поля можно считать независимыми в стаци-
онарном случае, если ток j = оЕ определяется как независя-
щий от самого поля:

Основы электродинамики направляющих систем 97
1 Система уравнений стационарных полей i
rot E = 0
div D = р
D = eAE
rot Я = j
div В = 0
B = fiaH
• квазистационарное электромагнитное поле — поле, источники
которого представляют собой относительно медленно меняющи-
еся во времени функции, таким образом, что пространственный
период изменения поля оказывается существенно меньше, чем
линейные размеры анализируемой области пространства. При
этом описание электромагнитных явлений может быть осуществ-
лено аналогично стационарному случаю;
• быстропеременные поля, для которых пространственный период
изменения поля одного порядка или меньше размеров анализи-
руемой области пространства; в этом случае целесообразно при-
менение полной системы уравнений Максвелла.
Особое место традиционно отводится монохроматическому элек-
тромагнитному полю как практически важному случаю. На самом
деле практически любой сигнал, встречающийся в радиотехнике и
электросвязи, может быть представлен в виде суперпозиции монохро-
матических составляющих. Монохроматическими называются про-
цессы, изменяющиеся во времени по закону косинуса или синуса,
описываемые соответственно скалярными и векторными функция-
ми вида
Ф = ipmcos(u;t + (p);
A(t) = х0Лхт cos(ut + ipi) + уоАут cos(ut + <р2) + z0Azm cos(u>t + <^з).
При анализе таких процессов широко используется метод ком-
плексных амплитуд, состоящий в формальной замене функции ф на
комплексное изображение ф следующим образом:
ф = фте*шг+^ = фш^\
где Фт — Фт^ — комплексная амплитуда. При этом очевидно, что
Ф = Кеф. Комплексное представление векторных величин выгля-
дит следующим образом:
A(t) = Ке[х0Ахте^^^ + y0Ayme^t+^ + г0А2ГПе[^+^};
А* = хоАхте«ш1+**> + уоАуте1^^> + В6Агте1{и*+"*>;
4—5440

98
Глава 4
А* = (20Ахгп№ + у6Ауте1** + г0А,те1^)еш,
где А^ = x0Axmelipi + уоАутпе1(р2 + soA^e1^3 — комплексная ам-
плитуда вектора А.
Поскольку уравнения Максвелла содержат только линейные
операции, в случаях, когда параметры среды не зависят от поля, фор-
мальная замена соответствующих величин их комплексными изоб-
ражениями не меняет вида этих уравнений (все линейные операции
могут проводиться раздельно над действительной и мнимыми частя-
ми комплексных величин).
Уравнения Максвелла для монохроматического поля выглядят
следующим образом.
Первое уравнение Максвелла:
rot Hm = <тЁт + iioeaEm. (4.23)
Группировка слагаемых в правой части позволяет выделить об-
щий сомножитель
rot Н*т = шел (1 - г— ) Ёт, (4.24)
где £а = £а[1 — ^/(^£а)] — комплексная диэлектрическая проница-
емость, учитывающая инерционность процессов, имеющих место в
веществе, связанных с воздействием электрического поля.
Аналогичным образом записывается второе уравнение Максвел-
ла для монохроматического поля:
rotEm = -iuji&Hm. (4.25)
Взятие операции дивергенции от обеих частей (4.23) и (4.25) поз-
воляет легко показать, что третье и четвертое уравнения для моно-
хроматического поля выводятся соответственно из первого и второго.
При записи уравнений Максвелла под вектором плотности тока
проводимости подразумевается плотность тока, который возникает в
проводящей среде под воздействием электрического поля. Однако,
помимо этого тока, в рассматриваемой области пространства могут
существовать и такие токи, которые сами являются источниками воз-
никновения в этой области электромагнитного поля и к тому же счи-
таются известными. Эти токи принято называть сторонними. Анало-
гично вводятся сторонние заряды. С учетом сторонних источников
уравнения Максвелла имеют вид:

Основы электродинамики направляющих систем 99
Интегральная форма
iEdU-jtjsed§
<f DdS = q + qc'T
<j> BdS = 0
Дифференциальная форма
rot H = Jnp + Зсм + JCT
div 5 = 0
4.4. Граничные условия и краевые задачи
электродинамики
В электродинамике встречается ряд задач по вычислению по-
ля вблизи границы раздела сред с макроскопическими параметрами.
При этом возникает следующая ситуация: макроскопические пара-
метры среды изменяются в пределах объема диффузии сред. Как
правило, линейные размеры этого объема оказываются сравнимы с
внутримолекулярными размерами вещества, что позволяет предпо-
лагать, с макроскопической точки зрения, что параметры £, /i, а ме-
няются скачкообразно. При скачкообразном изменении одного или
нескольких параметров разрыв будут претерпевать функции, стоя-
щие под знаком производной в уравнениях Максвелла, поэтому эти
уравнения в дифференциальной форме утрачивают свой физический
смысл. Для компенсации разрывов векторов поля при переходе через
границу раздела вводят функции, имеющие смысл зарядов и токов,
определяемых на поверхности раздела. Эти токи и заряды называ-
ют поверхностными и характеризуются соответственно плотностью
поверхностного тока 7 с = hm —— и плотностью поверхностного
AL-+0 AL
заряда ps = hm -г-^.
Далее из уравнений Максвелла получают систему граничных
условий, раздельно формулируемых для тангенциальных и нормаль-
ных составляющих векторов поля.
Полная система граничных условий
An - An = Ps'j
Е\Т = Е2т\
An = B<in\
(4.26)
•«Ir -#2r =JS-

100
Глава 4
Если одна из сред может считаться идеальным проводником, по-
ле во второй среде отсутствует, D2 = E2 = В2 = Н2 = 0 и система
граничных условий принимает вид
&\п — ,
Е\т = 0; Н\п = 0; #ir = j'5.
(4.27)
Рис. 4.3. Компонен-
ты векторов поля на
поверхности цилиндри-
ческого проводника
Иными словами, электрическое поле все-
гда перпендикулярно поверхности проводни-
ка, а магнитное — касательно. Нормальные
и тангенциальные компоненты векторов поля
на поверхности цилиндрического проводника
показаны на рис. 4.3.
Обобщая вышеизложенное, можно утвер-
ждать, что электродинамическая задача пред-
ставляет собой систему уравнений Максвел-
ла в дифференциальной форме с конкрет-
ными сторонними источниками, дополненные
системой граничных условий для устранения
неоднозначности, возникающей при интегри-
ровании дифференциальных уравнений. Та-
кие задачи называют краевыми или граничными. Решить электроди-
намическую задачу — значит отыскать такие функции (либо векто-
ры поля, либо заряды и токи), которые удовлетворяют уравнениям
Максвелла и граничным условиям.
Электродинамические задачи, как и любые задачи математиче-
ской физики, традиционно задачи подразделяют на прямые и обрат-
ные. Сторонними источниками в прямых задачах являются заряды
и токи, в обратных — векторы поля. Как правило, исследование ре-
альных физических процессов требует многократного поочередного
решения прямых и обратных задач. Кроме того, задачи электро-
динамики разделяют на внутренние и внешние. Внутренняя задача
сводится к вычислению поля внутри некоторой области, ограничен-
ной замкнутой идеально проводящей поверхностью. Решение внеш-
ней задачи определяется полем в области внешней по отношению к
поверхности, на которой распределены сторонние источники.
4.5, Энергетические соотношения
в электродинамике
Поскольку электромагнитное поле материально, то для него вы-
полняется закон сохранения и превращения энергии.
Пусть V — произвольный объем, в котором существует элек-
тромагнитное поле. Б объеме определенным образом распределены

сторонние источники с суммарной мощностью Рст. Умножим каждый
член первого уравнения Максвелла скалярно на Е, а каждый член
второго уравнения Максвелла скалярно на Я и вычтем второе полу-
чившееся уравнение из первого, учитывая, что — (Н rot Е — Е rot H) =
= — div[£, H]. Получим при этом следующее соотношение:
-j„E = оЁ2 + ^ LJ^- + ^\ + div[E, Я]. (4.28)
Все слагаемые правой части имеют смысл соответствующих объем-
ных плотностей мощностей, в левой части — плотность мощности
сторонних источников. Кроме того, произведение оЕ1 определяет
д ( Е2 Я2>
плотность мощности тепловых потерь, а — [ £&—г- + //а-^г~ I — ско-
ot \ 2 2 /
рость изменения во времени объемной плотности энергии электро-
магнитного поля в объеме V. Каждый член, стоящий под знаком
производной, представляет собой соответственно объемные плотно-
сти энергии электрического и магнитного полей. Таким образом, со
временем энергия электрического поля переходит в энергию магнит-
ного поля и наоборот.
Обозначая [Е, Н] = П, проинтегрируем полученное уравнение
(4.28) по всему объему V, используя теорему Остроградского:
-£«*"-/e,'"+!X(^+u£)"+/,fl*
(4.29)
Полученное уравнение носит название теоремы Умова-Пойтинга
в интегральной форме. Анализ (4.29) позволяет заключить, что энер-
гия электромагнитного поля может быть вычислена по формуле
Интеграл / E2adV = Рп определяет мощность тепловых по-
Jv
терь, а — / EjCTdV = Рст — мощность сторонних источников, по-
Jv
ступающая в объем.
Вектор П имеет смысл плотности потока энергии, т.е. определяет
электромагнитную энергию, переносимую через единицу поверхно-
сти в единицу времени, и носит название вектора Пойнтинга. Таким
°бразом, теорема Умова-Пойтинга является формулировкой закона
сохранения и превращения энергии для электромагнитного поля.

102
Глава 4
Рассмотрим далее формулировку закона сохранения энергии для
монохроматического электромагнитного поля, поскольку она содер-
жит ряд особенностей.
При рассмотрении периодических процессов удобно анализиро-
вать не мгновенные значения, а их средние за период значения, опре-
деляемые как /ср = ^ JQ f(t)dt.
Воспользуемся следующими преобразованиями, не имеющими
четкого физического смысла, однако позволяющими избежать изме-
нения вида уравнений, проявляющегося при выполнении нелинейных
операций по вычислении энергетических характеристик:
1 • 1 •
Тогда вектор Пойнтинга может быть выражен как
П = ^Re[Д Й] + i j[£m, Йт)е[2^ + [Ёт, ^та]е-йь"|. (4.30)
1 ^ ^ =. =•
Нетрудно показать, что Пср = -Re[E,H] = Rell, где П =
= -Re[E,H] — комплексный вектор Пойнтинга. Средняя за период
мощность тепловых потерь определяется выражением
Рпср = ЦoEEdV. (4.31)
Средняя мощность сторонних источников записывается как
Рстср = -^Re j jCTEdV. (4.32)
Средние за период энергии электрического и магнитного полей:
W9Cp = J / еаЁЁ dV; WMcp = ^f /хаЯ Я dV. (4.33)
Проводя преобразования, аналогичные использованным при вы-
воде (4.29), нетрудно показать, что теорема Умова-Пойнтинга для
монохроматического поля будет иметь вид
-ил
dV =
= 1 [ aEEdV + ™ \ [ u*HHdV - [ eaEEdV) + & Ud§. (4.34)
*Jv * \Jv Jv J Js

Основы электродинамики направляющих систем
103
Следующая запись позволяет выявить физический смысл вхо-
дящих в (4.34) слагаемых:
Рст = Рист + Ф UdS + 2iu(WMcp - W9Cp). (4.35)
Выделяя в (4.35) действительную и мнимую части, можно по-
лучить, соответственно, уравнения баланса активных и реактивных
мощностей:
Re/ст z=z *пср
+ Re ф UdS; ImPCT - Im ф UdS+ 2lj(Wmcp - W3Cp).
Js Js
(4.36)
Определим далее скорость распространен
ния электромагнитной энергии, для чего вы- _ L) в"
делим в объеме, в котором существует элек- | Т1 Т AS
тромагнитное поле, цилиндр с площадью ос-
нования AS И ДЛИНОЙ Д/ (рис. 4.4). Рис. 4.4. К опре-
Скорость переноса энергии определим еле- делению скорости
_ Д/ переноса энергии
дующим образом: V3 = Zq lim —. Величина
д*-*о At
переносимой энергии AW = AlfAswcpdS. По определению векто-
- AW f - -
pa П —г— = / П dS. Тогда скорость переноса электромагнитной
At Jas
энергии может быть определена следующим образом:
V9 = lim — = -^ r^r; или V3 = . (4.37)
At^o At JAS wcp dS wcp
4.6. Электромагнитное поле волнового
характера
Система дифференциальных уравнений Максвелла представля-
ет собой систему из четырех векторных уравнений (12 скалярных,
если задача трехмерная), причем в первые два из них входит электри-
ческая и магнитная величины. С практической точки зрения пред-
ставляет интерес уменьшение размерности системы уравнений.
Исторически сложилось так, что ЭМП в однородной изотропной
среде принято характеризовать двумя векторными функциями (си-
ловыми характеристиками), хотя такой способ описания не является
единственным. Следовательно, для представления целесообразно вы-
брать иную систему векторных или скалярных функций так, чтобы
Уравнения описывались наиболее простым способом. Такими функ-
циями являются разного рода электродинамические потенциалы.

104
Глава 4
Рассмотрим произвольный объем У, в котором определенным об-
разом дислоцированы проводящие тела и сторонние источники элек-
трического типа Jct5 и обозначим г — радиус-вектор точки наблюде-
ния, г* — радиус-вектор точки поверхности, несущей сторонний ток.
Исключая в уравнениях Максвелла электрический или магнит-
ный вектор и вводя векторный и скалярный электродинамические по-
тенциалы для сокращения размерности системы следующим образом:
Н = — rot Л; Ё = -\шА - grad <p, (4.38)
Ро
нетрудно получить уравнение второго порядка относительно вектор-
ного потенциала:
S72A + и2е0р0А = -pojCT. (4.39)
При этом на, А и <р накладывается условие лоренцевой калибровки:
div A + ujeoAW — 0- (4.40)
Правомочность условия (4.40) вытекает из того обстоятельства, что
векторный потенциал А определен с точностью до градиента про-
извольной скалярной функции.
Общее решение уравнения (4.40) для случая источников элек-
трического типа известно в виде интеграла:
A(r) = /io / W')G{?, ?') dV. (4.41)
Jv
Аналогичные рассуждения приводят к решению для скалярно-
го потенциала:
tp(r) = — I p{r')G{r,r')dV, (4.42)
£о Jv
где p{fr) — поверхностный заряд, наведенный на поверхности про-
водника, связанный с плотностью поверхностного тока законом со-
хранения электрического заряда:
p{r') = - div h(r')- (4.43)
Интегрирование производится по объему, занимаемому током j(r')
или зарядом р{т'). G(r,r') — функция Грина, для среды без потерь
e-ik\f-f,\ 2n
v{r,r') = А ^ ^,, к - —, (4.44)
4тг|г-г/| А

Основы электродинамики направляющих систем 105
Наличие множителя \r — rf\ в экспоненте в функции Грина ука-
зывает на то обстоятельство, что интегралы (4.41)-(4.42) описывают
волновой процесс, а источники в условиях настоящей задачи явля-
ются источниками излучения.
Излучением называется процесс создания в пространстве элек-
тромагнитного поля волнового характера. Волновое поле описыва-
ется запаздывающими функциями и представляет собой процесс, пе-
реносящий энергию. Следовательно, не всякое поле является полем
излучения, так как не переносит энергию (например, статическое по-
ле). С точки зрения теории Максвелла уход энергии в виде электро-
магнитного поля так же естественен, как ответвление электрической
энергии по ветвям электрической цепи.
По характеру электромагнитного поля, излучаемого источником
возмущения во внешнее пространство, это пространство делится на
две зоны: ближнюю и дальнюю. Ближней зоной называется бли-
жайшая к источнику возмущения область пространства, для кото-
рой длина волны существенно больше расстояния. Дальняя зона —
это область пространства, в которой расстояние от источника суще-
ственно превышает длину волны. Границей раздела этих зон условно
можно принять равенство расстояния от источника возмущения 1/6
длины волны. Электромагнитное поле, действующее в ближней зоне,
называется полем индукции, а в дальней — полем излучения.
В ближней зоне электрическое и магнитное поля сдвинуты по
фазе на 90°, а вектор Пойнтинга имеет лишь реактивную состав-
ляющую, поэтому вся энергия электромагнитного поля сосредото-
чена около источника возмущения и непрерывный перенос энергии
во внешнее пространство, характерный для процессов излучения, от-
сутствует. В ближней зоне происходят преимущественно местные пе-
ремещения энергии, связанные с периодическими преобразованиями
электрической энергии в магнитную и обратно. В дальней зоне имеет
место процесс излучения электромагнитной энергии: часть энергии
от источника возмущения переносится во внешнее пространство на
большее расстояние от источника.
4.7. Электромагнитные параметры
материальных сред
Материальные среды могут существенно отличаться друг от дру-
га по величинам электрофизических параметров.
В реальных средах всегда присутствует как ток проводимости,
1ак и ток смещения. Принято среду считать проводящей, когда вы-

106
Глава 4
полняется условие uj£a/a < ОД. Диэлектрики характеризуются нера-
венством шбь/а > 10.
Металлы практически во всем диапазоне частот являются про-
водниками. Диэлектрики (полистирол, полиэтилен, гетинакс и др.)
на всех частотах действуют как изоляция с преобладанием токов сме-
щения. Естественные среды (почва, вода, лед) обнаруживают провод-
никовые свойства в области низких частот, а выше они проявляют
себя как диэлектрики.
Коэффициенты затухания и фазы в материальной среде могут
быть вычислены:
• для диэлектрических сред
• для проводящих сред
а = 13 = y/irf^.
Фазовый сдвиг между электрическим и магнитным полями опре-
деляется углом диэлектрических потерь J, причем для диэлектриче-
ских и полу проводящих сред tg£ = , для проводящих 8 = 7г/2,
соответственно Е и Н сдвинуты по фазе на 7г/4.
Скорость распространения электромагнитного поля для диэлек-
трических и полу проводящих сред V = о;//?, Для проводящих сред
v. ж. JE.
V Ма<7 у ****
Глубина проникновения поля внутрь среды Д = 1/а.
Волновое сопротивление для диэлектрических и полупрово-
дящих сред Zc = y/Ji^cos5jI^; для проводящих сред Zc =
= i//ia^/creZ7r/4 = (г + 1)^/0,5/ха^/(т, \ZC\ = у/ц&и;/<т, где и — цик-
лическая частота (и = 27г/).
4,8. Краевые задачи электродинамики
для направляющих систем
Из курса ЭМПиВ известно, что при падении однородной плоской
волны на границу раздела с металлической средой, во всех случаях
(при любом угле падения) возникает направляемая волна, распро-
страняющаяся вдоль границы раздела. Заметим, что свойства гра-
ницы раздела двух сред направлять электромагнитную энергию со-
храняется и при цилиндрическом искривлении этой границы.

Основы электродинамики направляющих систем 107
Устройства, в которых происходит образование и распростране-
ние направляемых электромагнитных волн, называются линиями пе-
редачи. Выделяют две основные группы линий передачи: открытые
линии передачи и волноводные линии передачи. Волноводные линии
передачи — линии передачи, имеющие одну или несколько проводя-
щих поверхностей с поперечным сечением в виде замкнутого прово-
дящего контура, охватывающего область распространения электро-
магнитной энергии. Поле волноводной линии передачи полностью
экранировано его внешней оболочкой. Поле в открытых линиях пе-
редачи не экранировано снаружи и потому частично существует в
пространстве, окружающем линию.
Ниже будут рассматриваться волновые явления в регулярных
линиях передач, у которых в продольном направлении неизменны
форма поперечного сечения и электромагнитные параметры запол-
няющей среды.
На рис. 1.4 изображены основные типы линий передач, которые
часто применяются в технике связи. Их многообразие обусловлено
особенностями работы в различных диапазонах частот. Если про-
дольную ось регулярной, не имеющей потерь линии передачи сов-
местить с осью 0Z, то комплексную амплитуду любого из векторов
монохроматического поля, например вектора Е, можно представить
в следующем виде:
Ем (х, т/, z) = Ем (х, y)e-'lf3z; (4.45)
EM((p,r,z) = EM(tp,r)e-lf3z. (4.46)
Представление (4.45) относится к декартовой системе координат,
а представление (4.46) — к цилиндрической системе координат. Вол-
новые уравнения для этих двух случаев имеют вид:
V\EM{x,y) +71^м(х,у) = 0; (4.47)
ViJg(v,r)+7i^r) = 0. (4.48)
В этих уравнениях применены следующие обозначения:
7i = *2-/?2; Vi = V2-^. (4.49)
Аналогично могут быть получены уравнения и для вектора Я:
Vi#M(x,y) + 71Ям(я,у) = 0; (4.50)
Vj_#(<p, г) + т±Н(<р, г) = 0. (4.51)

108
Глава 4
Величина 7j_ в значительной степени определяет структуру по-
ля направляемой волны в поперечном сечении линии передачи и по-
этому носит название поперечного коэффициента распространения
(волнового числа).
Для упрощения процесса решения записанных уравнений посту-
пают следующим образом. На первом этапе определяются продоль-
ные составляющие полей, используя уравнения вида:
Vi*ZM+7i^M=0; (4Л2)
vi£ZM + 7iifzM = a
На втором этапе определяются поперечные составляющие полей.
Для этого сначала переходят от векторных уравнений Максвелла к
скалярным уравнениям, которые связывают между собой все состав-
ляющие векторов Ей Я, а затем из них определяют неизвестные
поперечные составляющие. При этом учитывается, что все компо-
ненты векторов электромагнитного поля зависят от координаты z как
e-i/3z Уравнения, связывающие между собой поперечные и продоль-
ные составляющие векторов поля, получили название соотношений
связи. Для волн, имеющих продольную компоненту вектора Е и не
имеющих продольной компоненты вектора Н (Ezm ф 0, HZM = 0),
соотношения связи имеют вид:
—г grad_l(£*m); H±m = — r-
V Р
Е±м = —£ gradx(£ZM); H±M = — [z, Ё±ы]. (4.53)
Для волн, имеющих продольную компоненту вектора if и не име-
ющих продольной компоненты вектора Е (#гм Ф 0, EZm = 0), ана-
логичные соотношения записываются как
£±м - ^ grad±(tf ZM); к = ^%Й±ы]. (4.54)
7 Р
Как видно из (4.53) и (4.54), структура поля направляемой вол-
ны зависит от того, какой вектор поля имеет продольную состав-
ляющую.
Различают четыре класса направляемых волн.
1. Электрическая Е'-волна, вектор Е которой имеет поперечную
и продольные составляющие, а вектор Н лежит в плоскости, пер-
пендикулярной направлению распространения (не имеет продольной
составляющей): Ezm Ф 0, Hzm = 0.
2. Магнитная Я-волна, вектор Н которой имеет поперечную и
продольные составляющие, а вектор Е лежит в плоскости, перпен-

Основы электродинамики направляющих систем
109
\Н/
Е
EZ*Q
# =0
Н
#z*0
Е =0
ЕН или НЕ
Н2*0
Ez*0
Т
Рис. 4.5. Взаимное расположение компонент векторов поля в направляющей
системе
дикулярной направлению распространения (не имеет продольной со-
ставляющей): Hzm ф 0, Ezm = 0.
3. Гибридная (смешанная) волна, векторы Е и Н которой имеют
поперечные и продольные составляющие: Hzm Ф 0, EZM ф 0. Обо-
значение: ЕН-волна или НЕ-волна.
4. Поперечная электромагнитная волна, векторы Е и Н которой
лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распростране-
ния, т.е. Hzm = 0, Ezm = 0. Для такой волны принято обозначение
Т-волна (ТЕМ-волна). Взаимное расположение компонент векторов
поля в направляющей системе схематически показано на рис. 4.5.
4.9. Параметры направляемых волн
в линиях передачи
К основным параметрам направляемых волн относятся крити-
ческая длина волны, критическая частота, коэффициент фазы, фа-
зовая скорость и скорость распространения, длина волны в линии и
характеристическое сопротивление.
Критическая длина волны определяется по формуле
27Г
Ао = —. (4.55)
Ьй соответствует критическая частота /о = г>оМо> гДе ^о — скорость
света в среде, заполняющей линию. Значения Ао(/о) зависят от фор-
мы и размеров поперечного сечения линии передачи, класса и типа
волны, параметров среды, заполняющей линию. Термин «критиче-
ская» будет пояснен позднее.

по
Глава 4
Коэффициент фазы (продольное волновое число) с учетом (4.49)
имеет вид
Фазовая скорость с учетом того, что /3 = и/Уф и к = uj/vq,
определяется по формуле
Уф =
vo
n/1 ~ (VAo)2
(4.57)
Скорость распространения энергии с учетом известного тожде-
ства УфУэ = Vq определяется как
Уэ = у0\ 1
(£)•
(4.58)
п
о
(О
Рис. 4.6. Частотная
зависимость фазовой
скорости и скорости
распространения энергии
Графики зависимостей фазовой скоро-
сти и скорости распространения энергии от
частоты показаны на рис. 4.6.
Длина волны в линии передачи опреде-
ляется из формулы связи длины и продоль-
ного волнового числа (3 = 27г/Л. В результа-
те её можно вычислить следующим образом:
А
а = 24 =
0 у/\ - (Л/Ао)2
(4.59)
Характеристическое сопротивление оп-
ределяется как отношение поперечных со-
ставляющих напряженностей электрического и магнитного полей
Zc =
Е±ы
Я±м'
(4.60)
Для Т-волн ZTC = Zc = у/Цй/ea, — характеристическое сопро-
тивление среды, заполняющей линию. Для Е- и Н-ъолв. справед-
ливы соотношения
Z? = ZrA 1-
z? =
>/i - №о)2
(4.61)
Из формул, приведенных выше, следует, что фазовая скорость и
скорость распространения энергии направляемых волн в общем слу-

Основы электродинамики направляющих систем
111
чае зависят от длины волны Л, а следовательно, и от частоты /. Это
означает, что в линии передачи имеет место дисперсия. С ростом
частоты дисперсия ослабевает. Кроме того, как видно из (4.61), дис-
персия на любой частоте отсутствует в тех линиях передачи, для
которых Л0 = ею (/о = 0).
Условия распространения. При Л > Ло коэффициент фазы
становится чисто мнимой величиной, так как
р=kf~W=Ч^)2'1=±ia' (4б2)
где знак «+» выбирается для волн, распространяющихся в направле-
нии убывания координаты г, а знак «-» — в направлении возрастания
координаты z. В связи с этим фазовый множитель в превращается
в экспоненту e~l@z = е_1^~1а^г = e_Q2, a векторы поля приобретают
вид, описываемый выражениями:
Ём = Ёы(х,у)е-аг; Ем = EM(x<y)e-az. (4.63)
Это означает, что при А > Ло поле в линии передачи теряет характер
распространяющейся (бегущей) волны и его амплитуда экспоненци-
ально уменьшается с расстоянием. Следовательно, условием распро-
странения волны в линии передачи является неравенство
А<Ао, или />/0. (4.64)
Таким образом, /о — минимальная частота, при которой еще воз-
можно распространение энергии в линии передачи, т.е. линия переда-
чи в некотором смысле является фильтром верхних частот. Волна,
имеющая наименьшую /о среди всех волн, которые могут распро-
страняться по линии, называется основной (низшей), а остальные
типы — высшими.
Режим, при котором / > /о, называется режимом отсечки, а са-
ма линия, работающая в таком режиме, — запредельной. Режим от-
сечки важен для понимания процессов при нарушении регулярности
линии передачи. В результате таких нарушений возникают волны
высших типов, для которых условие распространения не выполня-
ется. Из формул (4.61) видно, что характеристическое сопротивле-
ние при этом становится мнимой величиной, так что линия переда-
чи действует на генератор как реактивное сопротивление, отража-
ющее всю энергию обратно к источнику. Следовательно, затухание
волн в режиме отсечки вызвано не поглощением энергии в линии,
а её отражением.

112
Глава 4
4.10. Направляемые волны в прямоугольном
металлическом волноводе
В прямоугольном волноводе, являю-
щемся частным случаем линии передачи,
У f у/ / / в которой энергия распространяется внут-
ри полой металлической трубы, могут су-
b < а ществовать волны Е и Н и невозможно су-
ществование волн типа Т. Исследование
волн в прямоугольном волноводе обычно
4 7 п " проводится при следующих предпосылках:
т^лическиГп^яГ^ стенки волновода являются идеально про-
угольный волновод водящим (а = ею); волновод заполнен ва-
куумом (воздухом). Эти допущения суще-
ственно упрощают анализ поля, не нарушая общности задачи, так
как реальные волноводы выполняются из металлов с высокой удель-
ной электропроводностью, а воздух, заполняющий волновод, по сво-
им электрическим параметрам идентичен вакууму.
Полый металлический волновод прямоугольного сечения изоб-
ражен в декартовой системе координат на рис. 4.7.
Структура поля £?-волн, как отмечалось ранее, находится из ре-
шения уравнений (4.47) и (4.50) с наложением следующих граничных
условий: Ет = 0, Нп = 0. Выражения для всех компонент векто-
ров поля £"-волн имеют вид:
— _, . /ттгх\ . /тп7гу\ _i0z
E*m = E0sm (-^-) sm {-у-) е фг\
F* =
F* —
ут
-гт7г/3_ /ткх\ . /ттгу\ _i0z
ше^тг . /ттгх\ (ттгу\ _•-
— ги)6Л7П7Г .
aj2±
Hym = пгЛ Ео cos (—) sin (—J e **,
где Ео — амплитуда продольной составляющей электрического по-
ля на продольной оси волновода; га = 1,2,3...; п = 1,2,3...; 7± =
= у/(ттг/а)2 + (шг/Ь)2.
Критическая длина волны определяется выражением

Основы электродинамики направляющих систем
113
Из записанных выражений следует, что структура поля в плос-
кости поперечного сечения волновода соответствует стоячим волнам,
причем т определяет число стоячих полуволн, укладывающихся
вдоль стенки длиной а (широкой стенки), п — число полуволн, укла-
дывающихся вдоль стенки длиной Ь (узкой стенки). Ни один из этих
индексов не должен равняться нулю, так как в противном случае
обращаются в ноль все компоненты векторов поля. В зависимости
от значений чисел тип изменяются 7_ь /о и, следовательно, все
параметры волны. Поэтому числа тип однозначно определяют тип
волны, который обозначается Етп.
Структура поля if-волн находится аналогично £-волнам. Выра-
жения для всех компонент векторов поля Н-воли имеют вид:
Я;т = Я0соз(^)со8(^)е-^;
imic/3 . /ттгх\ /гати/\ _i0z
н™ = ^гЯо sin (—)cos (.—)е ;
Щт = -щ-Н, cos (-—) sin (-JL) е-"*; (4.66)
-«^аПТГ „ _ /ГШГХЧ (ТППу Ч ^
F1* =
xm lr/l
/ГП1ГХ\ . /"ПМГу\
ЯоС08(_-)зш(__К
-гш^гптг тт . /тпх\ /ттгу\ -Qz
>ym - —^2 Я° 8Ш { — ) COS ("ft" J e '
E* =
«71
Смысл индексов тип такой же, что и в случае .Е-волн. Один
из индексов волны Нтп может быть нулевым, так как при т = 0 или
п = 0 не происходят обращения в ноль всех компонент поля.
Критическая длина волны Нтп определяется по формуле (4.65).
При индексах тип, отличных от нуля, значения 7_1_, /о Для волн
Етп и Нтп с равными индексами оказываются одинаковыми. Сле-
довательно, все указанные параметры у этих волн также одинаковы.
В результате условия распространения волн Ешп и Ншп с равны-
ми индексами оказываются идентичными. Такие волны называют
вырожденными.
Основная волна прямоугольного волновода. В волноводе
может распространяться большое число типов волн, отличающихся
структурой поля, критической длиной волны и другими параметра-
ми. Однако одновременное распространение нескольких типов волн
(многоволновый, или многомодовый режим) в волноводе отрицатель-
но сказывается на его технико-эксплутационных показателях. Это
объясняется главным образом тем, что при передаче сигнала по вол-
новоду с помощью нескольких типов волн, скорость распространения

114
Глава 4
и фазовая скорость которых различны, в точку приема приходят сиг-
налы с разными фазовыми набегами вследствие различного времен-
ного запаздывания отдельных типов волн. В результате интерферен-
ции этих сигналов возникают искажения в точке приема и повышает-
ся уровень шумов. Характер и степень искажений зависят от способа
модуляции, частотного спектра сигнала, вида передаваемой инфор-
мации и других факторов. Кроме того, поскольку структура поля
разных волн различна, в многоволновом режиме невозможно полу-
чить желаемый вид поляризации. В силу этих причин к волноводу
обычно предъявляется требование обеспечения одноволнового режи-
ма работы. Проще всего такой режим работы можно получить, если
использовать волну, обладающую наибольшей критической длиной
волны (основную волну). Так как а > 6, то основной волной пря-
моугольного волновода является волна Ню, для которой Ао = 2а.
Подставляя в (4.66) т = 1 и п = О, получаем соотношения для
составляющих поля волны Ню:
Я;„ = Яосоз(^)е-«';
т~-£*-"(=).-; (467)
nmy I-Jmx ^mz u*
Основные параметры волны Ню определяются по формулам
/3=^1-Ш2; Л= / Л 2; Z"W= I ZC 2>
v K2aJ Vi-Ш2 \Л - Ш2
Уф = ^ГШ; v-=«fW- (468)
Структура поля волны Ню-, соответствующая различным сече-
ниям, изображена на рис. 4.8. При построении структуры поля учте-
ны следующие обстоятельства. Так как волна Ню не имеет продоль-
ной составляющей электрического поля, то электрические силовые
линии лежат в плоскости поперечного сечения и параллельны оси ОУ
(узкой стенке), в то время как магнитные линии образуют замкнутые
контуры в продольной плоскости. Силовые линии вектора Е прово-
дятся наиболее густо в середине широкой стенки (Е^у = О макси-
мальна при х — а/2) и разрежаются при приближении к краям стен-

Основы электродинамики направляющих систем
115
н
0
"Т
"т
1 ' 1 ' ,' ■ !i
т t \. / ::
/" ^n
!Н' it!
1 V+.ti *' i
\f + + + + +/'
+ +"+"+"++' +
1 1 1 /'+\ 1 i
1 Т Т .* ill
L Z
з
_
№
№
Рис. 4.8. Структура поля волны Ню в прямоугольном волноводе
ки (Е^у = О при х = 0; а). В поперечной плоскости силовые линии
магнитного поля параллельны оси ОХ (широкой стенке) и проводятся
равномерно (Я^у). Так как п — 0, то поле вдоль оси 0Y однородно.
Волна Ню имеет наибольшую критическую частоту, поэтому
размеры поперечного сечения волновода, при которых возможна пе-
редача энергии на заданной частоте, для этой волны будут наимень-
шими. Использование волны Ню позволяет уменьшить габариты и
массу волновода, а следовательно, и его стоимость. Поляризация
электрического поля волны Ню линейна и строго фиксирована, что
обычно требуется для работы ряда устройств и систем СВЧ тракта.
Благодаря этим достоинствам основная волна прямоугольного
волновода #ю имеет большое значение для технического примене-
ния. Прямоугольный волновод с волной Ню широко используется
в качестве фидерных линий в радиорелейных, радиолокационных и
других системах сантиметрового диапазона волн.
Каждому типу волны в волноводе соответствует своя структура
поверхностных токов на идеально проводящих стенках. Плотность
поверхностного тока определяется по формуле
js = [Я, Я],
(4.69)
где п — внешняя нормаль к поверхности волновода.
Используя эту формулу и известное распределение магнитного
поля, легко построить картину поверхностных токов для любого типа

116
Глава 4
волны в волноводе. В случае £-волн HZ = 0 и поверхностный ток
имеет только продольные составляющие. На стенках волновода с
iZ-волнами существуют и поперечный, и продольный токи.
4.11. Ослабление волн при
распространении в волноводе
В реальных волноводах часть энергии волны тратится на нагре-
вание стенок и потери в диэлектрике, который заполняет волновод.
Вследствие этого амплитуда поля уменьшается вдоль направления
распространения, т.е. волна затухает. Уменьшение амплитуд векто-
ров поля происходит по экспоненциальному закону е~а2, где а — ко-
эффициент затухания. Так как изменение мощности Р, переносимой
электромагнитной волной вдоль оси 0Z, пропорционально квадрату
изменения амплитуды поля, то
P(z) = P0e~2az, (4.70)
где Ро — мощность в сечении z = 0 направляющей системы.
Найдем мощность потерь, приходящихся на единицу длины вол-
новода:
= Um РЫ-Р^+Дг) = _дР
п Az^o Az dz v
Подставляя (4.71) в (4.70), находим
Р'п = 2aP0e~2az = 2aP(z), (4.72)
т.е. а = P'j2P(z).
С другой стороны, коэффициент ослабления а = ад -I- апр, где
ад — коэффициент ослабления в диэлектрике, заполняющем волно-
вод, апр — коэффициент ослабления в проводящих стенках волново-
20tg8'
поэтому а « апр. Для нахождения апр выделим участок волно-
вода длиной Az. Мощность потерь в стенках волновода на этом
участке равна
д^ - гк Г dziIHJdl - £k I]HJ * <4J3)
где Г — контур поперечного сечения волновода.
Из (4.72) следует, что потери на единицу длины
"•-гкб^"- (474)
да. Величина ад определяется как аД = тг^ТГТ* Обычно ад <£i апр,

Основы электродинамики направляющих систем
117
'О 5 10 20 40/, ГГц
Рис. 4.9. Частотная зависимость коэффициента ослабления волны Ню
Подставляя (4.74) в (4.72) получаем
RS fiTJ |2
OJn
<f\H„
dl,
np ~~ 4P(z)
где Rs — активная часть поверхностного сопротивления,
Rs =
1
сгДп
(4.75)
(4.76)
Так как для всех металлов, кроме ферромагнитных, /ха « ^о, то
(4.77)
Л5 wl,987\/-10"dOM.
Отметим, что формула (4.77) справедлива не только для прямоуголь-
ного волновода, но и для расчета коэффициента ослабления в прово-
дящих стенках любой волноводной линии передачи.
Для волны ifю в прямоугольном волноводе общая формула
(4.75) преобразуется в более простую вида
Д5[1 + 2(6/а)(А/2а)2]
а
Zcby/1 - (А/2а)2
(4.78)
График зависимости коэффициента ослабления от частоты в
этом случае изображен на рис. 4.9. Из графика видно, что потери
в стенках волновода резко возрастают при приближении частоты к
критической. Это вызвано резким увеличением локальных переот-
ражений волны от стенок волновода. Рост а на частотах / 3> /о
объясняется усилением поверхностного эффекта на стенках. Это
ограничивает применение металлических волноводов на очень вы-
соких частотах, в частности в диапазоне миллиметровых и более
коротких длин волн.
Выбор размеров поперечного сечения волновода. К ли-
нии передачи любого типа предъявляются следующие требования:

118
Глава 4
обеспечение одноволнового режима работы, высокая электрическая
прочность, малое затухание волны, минимально возможные габари-
ты. Выполнение этих требований обеспечивается правильным выбо-
ром размеров поперечного сечения.
4.12. Направляемые волны в круглом
металлическом волноводе
Круглый волновод в цилиндрической си-
стеме координат изображен на рис. 4.10. Волны
в круглом волноводе обозначаются Етп и Нтп.
Их поля имеют более сложную зависимость от
поперечных координат по сравнению с волнами
в прямоугольном волноводе. Радиальная зави-
симость поля описывается функциями Бесселя
m-го порядка Jm(7±> т*) и их первыми производ-
ными Jm{,y±,r). Индексы га и п в обозначении
волн имеют следующий смысл: т — число сто-
ячих полуволн, укладывающихся вдоль окруж-
ности волновода, п — число стоячих полуволн,
укладывающихся вдоль радиуса волновода. Ниже приведены форму-
лы для всех компонент поля Е-воли и Я-волн в круглом волноводе:
Д-волны (Ншх = 0):
Е;т = E0Jm(l±r) cos(m(<p - <ро))е~*г;
Рис. 4.10. Круг-
лый волновод
E*rm = E0-^E0Jmb±r)cos(m(<p - ^))е"№;
7±
l—E0Jm{i±_r) sin(m(^ - ip0))e-i(3z;
Р* =
И* =
Г1тт
1±г
—iueam
7j7
(4.79)
E0Jmb±r) sin(m(v? - v?0))e 0Z;
TT* _
11 (pm
-uvea
7±
E0Jm(>y±r) cos(m(<p - <p0))e i(3z,
где E0 — амплитуда продольной составляющей вектора, напряжен-
ности электрического поля на оси волновода; <ро — начальная фа-
за поля.
Я-волны (Нтх = 0):
Я2*т = H0Jmh±r)cos(m(<p - <ро))е-**;

Основы электродинамики направляющих систем
119
F* =
7-L
HoJ'mij^r) cos(m(<p - (^0))e
-i(3z.
7jl
2Ш H0Jmb±r) s'm(m(<p - <p0))e-i(3z.
IT* _
i]r
(4.80)
Величина Aq для волн Ешп и Ятп определяется из таблицы вида:
Тип волны
Ао/а
Яц
3,413
#01
2,613
Я21
2,06
Я01
1,64
Sii
1,64
Я31
1,5
Е21
1,223
Я41
1,182
Я12
1,178
Волны Я01 и Е1!! имеют одинаковые значения Ао. Эти волны, а
также волны Яо2 и ^127 #оз и ^з и т.д. являются вырожденными.
Основной волной круглого волновода является волна Яц. Стру-
ктура силовых линий изображена на рис. 4.11. Условие одноволново-
го режима имеет вид 2,613а < А < 3,413а, и потому радиус волновода
нужно выбирать из соотношения 0,293А < а < 0,383А.
Коэффициент ослабления основной волны круглого волновода
определяется по формуле
Д5[0,418+(А/3,413а)2]
а =
ZcRy/l - (А/3,413а)2
(4.81)
Т; W : !
\ • • • *—*i.
/ • • • * 1
| '.~ч » 1
1 / * Л II
!; ' ;!:
! v + + + f' '
ч-V-F+~+ +,'
+ V-F~+~*-+ +
/4 + + + + +v
J ,'+-*V*n J
! ! /+^ ! '
тТ: '. ;•
i Z
Л
-E
\
№
№
Рис. 4.11. Структура поля основной волны круглого волновода

120
Глава 4
а, дБ/км
2а = 50 мм,
медь
0 4 8 12 16 /,ГГц
Рис. 4.12. Частотная зависимость коэффициентов ослабления в круглом
волноводе
Графики зависимости а от частоты для волн Нц, Eoi и i/oi
круглого волновода представлены на рис. 4.12.
Применение круглых волноводов с волной Нц в качестве про-
тяженных фидерных трактов ограничивается ее поляризационной
неустойчивостью. Эта особенность волны Нц состоит в появлении
составляющей поля с паразитной ортогональной поляризацией, кото-
рая возникает из-за эллиптичности поперечного сечения волновода,
вызванной неточностью изготовления, деформацией и изгибами вол-
новода. Из коротких отрезков волновода с волной Нц выполняются
различные устройства СВЧ тракта: поляризаторы, фазовращатели,
циркуляторы и др. Отрезки круглых волноводов с волной Eqi, об-
ладающей осесимметричной структурой поля, используются во вра-
щающихся сочленениях волноводов. Большой практический интерес
представляет осесимметричная волна Hoi, коэффициент ослабления
которой с ростом частоты неограниченно падает, что свидетельствует
о том, что волна Hoi способна с малыми потерями переносить энер-
гию на большие расстояния. Практическое использование волны Hoi
связано со значительными трудностями, так как волна весьма чув-
ствительна к деформации волновода, поскольку асимметрия стенок
приводит к появлению других типов волн — низших, а на очень вы-
соких частотах — высших типов. При этом аномальные свойства ча-
стотной зависимости потерь в волноводе могут быть утрачены. Кро-
ме того, паразитные типы волн образуют попутный поток, наличие
которого приводит к искажению сигнала.
4.13. Линии передачи с Г-волной
Полагая в формулах связи Е^г — H^z = 0, получаем, что
i?m_L^i = 0 и #го±^± = 0- Эти равенства справедливы при отлич-
ных от нуля поперечных составляющих поля Т-волны, если 7_i_ — 0.
10
\
\\
А
ч_
^
iL—-
""яГ"
нъ\

Основы электродинамики направляющих систем
121
При этом условии До = оо и /о = 0. В линиях передачи, допускаю-
щих существование Т-волны, эта волна может распространяться на
любой частоте. Параметры Т-волны не зависят от частоты и равны
параметрам в свободном пространстве. Дисперсия в линиях пере-
дачи с Т-волной отсутствует.
Коаксиальный волновод (кабель). На
рис. 4.13 коаксиальный волновод изображен в
цилиндрической системе координат. Волны в
коаксиальном волноводе обозначаются ЕтП и
Яти, причем смысл индексов тип тот же, что
и у волн в круглом волноводе. Наличие внут-
реннего проводника приводит к существованию
Т-волны, которая является основной, так как
\Т — оо. Для нахождения структуры Т-волны
в коаксиальном кабеле используется следую-
щий подход. Полагая в волновых уравнениях
0, получаем:
E*mzll
0 и И*тЛ\ -
Рис. 4.13. Коак-
сиальный кабель
V2E*±m = 0 и V2#lm = 0.
(4.82)
Уравнения (4.82) представляют собой двумерные уравнения Ла-
пласа. Поле, удовлетворяющее уравнению Лапласа, является потен-
циальным. Это означает, что решение первого из уравнений (4.82)
может быть выражено через градиент некоторой скалярной функ-
ции:
Е1т ~
grad± ф,
(4.83)
где функция ф является скалярным потенциалом, также удовлетво-
ряющим уравнению Лапласа:
v V = о.
(4.84)
Аналогичное представление для вектора Н±т через градиент
некоторой функции можно не находить, поскольку вектора Е^ и
Н±т выражаются друг через друга следующим образом:
Н1г
-Q-lZ>E i>
(4.85)
т.е. векторы Е±т и Н±т у Т-волны взаимно ортогональны.
В полярной системе координат, которую удобно использовать
при нахождении структуры поля в коаксиальном волноводе, урав-

122
Глава 4
нение (4.84) имеет вид
д2ф 1&ф 1 д2ф
дг2 г дг г2 dtp2
= 0.
(4.86)
При решении этого уравнения необходимо учитывать, что на
поверхности внутреннего проводника и на внутренней поверхно-
сти внешнего проводника должны выполняться граничные усло-
вия, т.е. касательная компонента вектора Е должна обращаться в
ноль. Решение уравнения (4.86), удовлетворяющее граничным усло-
виям:
^ = -^Д11п(г)е-"") (4.87)
где Eq — амплитуда напряженности электрического поля у поверх-
ности внутреннего проводника. Добавляя множитель e~lkz, нахо-
дим составляющие поля Т-волны в коаксиальном волноводе следу-
ющим образом:
ьггп - ^о—е ,
г
Я* — Т? l ~~ifcz
rm-^oy е
Zrr
(4.88)
(4.89)
Анализ структуры поля в других линиях передачи с Т-волной
проводится аналогично. Структура поля Т-волны в коаксиальном
волноводе показана на рис. 4.14.
Потенциальный характер электрических и магнитных полей в
линиях передачи с Т-волной позволяет ввести понятия тока и на-
пряжения.
Разность потенциалов между внутренним и внешним проводни-
ком в коаксиальном кабеле
ЕС = / 2 E:m dr = E0Ri In ^V*4 (4.90)
/•Л2
т* = Е*
11'{№))i'{.
• • 1 1+I+L+I 1
I 114*11 I TTTTT T
? A A A A A I I |. |. I I Г
T T+T+H+T • H.U •
Рис. 4.14. Структура поля поперечной волны в коаксиальном кабеле

Основы электродинамики направляющих систем
123
Рис. 4.15. Симметричная двухпровод- Рис. 4.16. Картина силовых линий
ная линия Т-волны
Ток, текущий по поверхности внутреннего проводника и по внут-
ренней поверхности внешнего проводника,
Гт = }йа = ] R1H;m(r = R1)d<p=^-?-e-ik*. (4.91)
Важнейшим параметром коаксиального волновода является вол-
новое сопротивление ZB, определяемое как отношение напряжения
между проводниками U^ к амплитуде тока /^:
ZB = V*JVm. (4.92)
Волновое сопротивление, как видно из (4.92), зависит от гео-
метрии волновода и среды заполнения. В случае диэлектрическо-
го заполнения
ZB = ^hA (4.93)
для воздушного заполнения
ZB = 60ln(r2/ri). (4.94)
Коаксиальные волноводы (кабели) в основном используются в
диапазонах ОВЧ и УВЧ. При А < 10 см значительно возрастают
потери в проводниках и диэлектрике, поэому в сантиметровом диа-
пазоне длин волн применяются лишь короткие отрезки коаксиаль-
ного кабеля.
Симметричная двухпроводная линия передачи. Основной
волной двухпроводной линии передачи (рис. 4.15) так же является
Г-волна. Структура поля Т-волны находится путем решения уравне-
ния для скалярного потенциала с наложением соответствующих гра-
ничных условий, однако полученные выражения для компонент поля
являются весьма сложными и поэтому здесь не приводятся. Картина
силовых линий для этой волны изображена на рис. 4.16.

124
Глава 4
Волновое сопротивление и коэффициент ослабления определя-
ются по формулам:
ZB = — In-, (4.95)
7Г Г
a'=2.rZc^-^ (496)
Основным преимуществом двухпроводной линии являются про-
стота конструкции и удобство соединения с симметричными нагруз-
ками. К недостаткам линии относятся: потери мощности в проводах
и изоляторах; индукционные потери за счет того, что поле линии
наводит токи в находящихся поблизости металлических предметах;
потери на излучение, вызванные неточностью выполнения проводни-
ков («антенный эффект»). Последний снижает помехозащищенность
линии передачи и делает ее саму источником помех. Для устране-
ния антенного эффекта двухпроводные линии выполняются в виде
экранированного симметричного кабеля. Но в этом кабеле появля-
ются дополнительные потери на поляризацию диэлектрика и вихре-
вые токи, наводимые в экране.
К симметричным линиям относятся также четырехпроводные от-
крытые (воздушные) фидеры, имеющие меньший антенный эффект
по сравнению с двухпроводными аналогами. Ослабление излучения
вызвано тем, что направление токов на каждой паре встречное. Вто-
рым достоинством четырехпроводной линии является возможность
передачи более высокого, чем у двухпроводной линии уровня мощно-
сти. Двухпроводные и четырехпроводные линии передачи использу-
ются в диапазонах сверхдлинных, длинных и средних частот.
4.14. Общие подходы к расчету
направляющих систем передачи
В рамках классической физики уравнения Максвелла дают воз-
можность решить практически любую электродинамическую задачу,
включая передачу сигналов связи по различным направляющим си-
стемам передачи в различных диапазонах частот. Однако во многих
случаях крайне сложно, а подчас и нецелесообразно искать точные
решения на основе теории электромагнитного поля. В связи этим
весьма популярными являются приближенные методы решения за-
дач различных классов. Наиболее характерными методами, которые
можно считать предельными для электродинамики, явились методы
теории электрических цепей и геометрической оптики. В первом слу-

Основы электродинамики направляющих систем
125
Электродинамический режим
Уравнения Максвелла
/->о |
Квазистационарный режим
Уравнения длинной линии
1 /-Х»
т
Квазиоптический режим
Уравнения геометрической оптики
Рис. 4.17. Режимы передачи электромагнитной энергии по направляющим
системам
чае совершается переход от волновых процессов к колебательным, а
во втором — к лучевым (геометрическим) процессам.
В зависимости от соотношения длины волны и поперечных гео-
метрических размеров системы можно выделить три режима пере-
дачи (рис. 4.17).
В квазистационарном режиме передача ведется на поперечно-
электромагнитной волне Т. Здесь волновые уравнения электромаг-
нитного поля вырождаются в уравнения электромагнитостатики и ре-
шаются с помощью законов Ома, Кирхгофа и обычных телеграфных
уравнений теории цепей. Это справедливо для частот до 108... 109 Гц
(метровый диапазон). В данном режиме осуществляется передача
по двухпроводным воздушным линиям, симметричному кабелю, по-
лосковым линиям, ленточному кабелю, а также по коаксиальному
кабелю.
В электродинамическом (резонансном) режиме работают направ-
ляющие системы, передача по которым ведется на волнах типов Е и
Н. К таким системам относятся волноводы, линии поверхностной
волны, а также коаксиальные кабели при передачах сверхвысоких
частот 1010...1012 Гц (сантиметровый и миллиметровый диапазоны).
Одномодовые световоды также работают в этом режиме (микронные
волны). Этот режим наиболее сложен для исследования, так как
здесь имеют место резонансные процессы.
В квазиоптическом режиме действуют законы геометрической
(лучевой) и волновой оптики. Здесь приходится иметь дело с ла-
зерными системами, диэлектрическими волноводами, световодами,
работающими на смешанных гибридных волнах (ЕН или НЕ) и сим-
метричных волнах в оптическом диапазоне 1013...1015 Гц (микрон-
ные волны).
Математический аппарат электродинамики направляющих си-
стем электросвязи, основы которого изложены в настоящей главе,
позволяет строго и достоверно проводить анализ всех процессов, про-

126
Глава 4
текающих в однородных и неоднородных линиях передачи с произ-
вольной конфигурацией поперечного сечения. При этом получае-
мые аналитические и численные решения, как правило, оказывают-
ся весьма сложными и громоздкими. С инженерной же точки зре-
ния для анализа процессов, проходящих в направляющих системах,
необходимо знать не собственно характеристики электромагнитного
поля в линии связи, а некоторые параметры, которые принято на-
зывать параметрами передачи.
Нахождение параметров передачи оказывается возможным без
применения строгих электродинамических методов, при принятии ря-
да допущений и ограничений. Так, например, для вывода анали-
тических выражений параметров передачи можно использовать си-
стему телеграфных уравнений. При этом подразумевается допуще-
ние об отсутствии внешнего излучения направляющей системы связи.
Применение такого подхода к определению первичных параметров
различных направляющих систем будет продемонстрировано ниже.
Изложенные ниже методы справедливы для случая гармонического
возбуждения линии, поэтому все соответствующие электротехниче-
ские и электродинамические величины следует понимать как ком-
плексные изображения, причем символ «'» везде опущен для упро-
щения записи.
Контрольные вопросы
1. Электромагнитное поле как особый вид материи. Электрический
заряд и электрический ток. Электрическое и магнитное поля как два про-
явления электромагнитного поля.
2. Основные характеристики электромагнитного поля.
3. Макроскопические параметры среды. Виды сред и их классифика-
ция по характеру взаимодействия с электромагнитным полем.
4. Закон полного тока. Первое уравнение Максвелла в интегральной
и дифференциальной формах. Структура и физический смысл. Токи про-
водимости и токи смещения.
5. Закон электромагнитной индукции. Второе уравнение Максвелла
в интегральной и дифференциальной формах. Структура и физический
смысл.
6. Теорема Гаусса для электростатического поля. Третье уравнение
Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Структура и
физический смысл.
7. Четвертое уравнение Максвелла в интегральной и дифференциаль-
ной формах. Структура и физический смысл.
8. Закон сохранения электрического заряда и уравнение непрерывно-
сти линий электрического тока. Закон Ома в дифференциальной форме.
9. Граничные условия на поверхности раздела сред с различными мак-
роскопическими параметрами. Поверхностные заряды и токи.

Основы электродинамики направляющих систем
127
10. Граничные условия на поверхности идеального проводника.
11. Монохроматическое электромагнитное поле. Метод комплексных
амплитуд. Уравнения Максвелла для монохроматического поля. Комп-
лексная диэлектрическая проницаемость среды. Диэлектрические потери.
12. Баланс энергии электромагнитного поля. Теорема Умова-Пойн-
тинга. Физический смысл слагаемых входящих в уравнение баланса. Плот-
ность потока энергии поля.
13. Баланс энергии монохроматического поля. Теорема Умова-Пойн-
тинга в комплексной форме. Среднее значение вектора Пойнтинга. Баланс
активной и реактивной мощностей.
14. Волновые уравнения для монохроматического поля. Однородные
и неоднородные уравнения Гельмгольца.
15. Волны в диэлектрических средах. Параметры и дисперсионные
свойства.
16. Волны в проводящих средах. Глубина проникновения поля в ма-
териал.
17. Принципы работы направляющих систем. Закрытые и открытые
линии передачи.
18. Классификация направляемых волн. Продольные, поперечные и
гибридные волны. Связь между продольными и поперечными компонен-
тами ЭМП в линиях передачи.
19. Параметры направляемых волн. Поперечный коэффициент рас-
пространения. Критическая длина волны и критическая частота. Волна
основного типа. Условие одноволнового режима.
20. Параметры поперечных электромагнитных волн в линиях переда-
чи. Условия существования. Поперечный коэффициент распространения.
Фазовая и групповая скорости.
21. Параметры электрических электромагнитных волн в линиях пе-
редачи. Условия существования. Поперечный коэффициент распростране-
ния. Фазовая и групповая скорости.
22. Параметры магнитных электромагнитных волн в линиях переда-
чи. Условия существования. Поперечный коэффициент распространения.
Фазовая и групповая скорости.
23. Прямоугольный волновод. Конструкция. Постановка электроди-
намической задачи и ее особенности в случаях электрических и магнит-
ных волн.
24. Круглый волновод. Конструкция. Постановка электродинамиче-
ской задачи и ее особенности в случаях электрических и магнитных волн.
25. Граничные условия на поверхности, ограничивающей направля-
ющую систему. Токи на стенках круглого волновода в режиме основной
волны.
26. Затухание направляемых волн. Потери в заполнении и в металли-
ческих стенках. Комплексный коэффициент распространения. Коэффици-
ент затухания и глубина проникновения поля в стенки волновода.
27. Структура поля и параметры направляемых волн в коаксиальном
волноводе кабеля. Волновое сопротивление. Конструктивные особенности
коаксиальных волноводов.

Глава 5
Теория передачи по проводным
направляющим системам связи
5.1. Уравнения передачи однородных
двухпроводных направляющих систем
связи
Рассматривая процессы, происходящие в проводных направляю-
щих системах, напомним, что применяемые ниже методы анализа-
справедливы для случая гармонического возбуждения НС. Поэтому
все электротехнические и электродинамические величины следует
понимать как комплексные изображения, при этом символ «'» для
упрощения записи опущен.
Двухпроводные НС имеют различные конструкции. Наибольшее
распространение получили симметричные цепи, коаксиальные цепи
и микрополосковые цепи. Данные двухпроводные НС используют-
ся в частотном диапазоне длин волн, когда длина волны наивысшей
частоты распространяемого (передаваемого) сигнала намного боль-
ше поперечных размеров конструкций НС. При выполнении данных
условий по двухпроводным НС происходит распространение только
квази-ТЕМ-волн. В квазистационарном режиме волновые уравнения
электромагнитного поля вырождаются в уравнения электромагнито-
статики и решаются с помощью законов Ома и Киргофа. В этом
случае для вывода уравнений, описывающих изменения напряжения
и тока в двухпроводной НС, можно воспользоваться эквивалентной
схемой рис. 5.1, где R — Ra + Яь и L — La + Ьь — общее сопротив-
ление и индуктивность, а(?иС — проводимость и емкость участка
dx двухпроводной НС. Параметры R,L,G,C называются первичны-
ми параметрами передачи двухпроводной НС. Первичные парамет-
ры передачи R и L, включенные последовательно, образуют сум-
марное сопротивление, которое для гармонического сигнала будет
равно Z = R + jujL. Параметры передачи G и С образуют суммар-

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 129
Zo
-CZr-^
Uo.*o
х = 0
—о—
X =1
—о——
х x+dx
Рис. 5.1. К выводу уравнения двухпро- Рис. 5.2. Схема цепи двухпроводной
водной НС НС
ную проводимость цепи, которая для гармонического сигнала равна
^ = G + 3<jjC. Из указанных четырех первичных параметров пере-
дачи лишь R и G обуславливают потери энергии: первый — теп-
ловые потери в проводниках и других металлических частях окру-
жающих двухпроводную НС; второй — потери в изоляции. Вывод
выражений для первичных параметров и их физическая сущность
для различных конструкций двухпроводных НС рассматриваются в
последующих главах.
Рассмотрим двухпроводную НС (рис. 5.2), в начале которой
включен генератор гармонического сигнала Е — Umsmujt, где Um —
амплитуда гармонического сигнала; Zq — комплексное сопротивле-
ние генератора.
Цепь нагружена на комплексное сопротивление Zi. Будем счи-
тать, что первичные параметры НС R,L,G,C не меняются по длине
линии. Такую НС называют однородной. Обозначим комплексные
значения напряжения и тока в начале цепи Uo, /о? в конце — E/j, /j.
Выделим на расстоянии х от начала цепи бесконечно малый участок
dx. Обозначим ток, проходящий по элементу цепи dx, через 1Х и на-
пряжение между проводниками а и б через Ux. Тогда на участке dx,
удаленном на расстояние х от начала НС, падение напряжения
dUx
--£=Ix{R + juL).
(5.1)
■■Ux(G + Iu>C).
(5.2)
Утечка тока на участке
_dh
dx
Полученная система дифференциальных уравнений в символи-
ческой форме определяет напряжение и ток в любой точке НС как
Функции координаты х и справедлива по отношению к любой одно-
родной двухпроводной НС независимо от ее конструкции. Изменение
5—5440

130
Глава 5
конструкции приводит только к изменению численных значений пер-
вичных параметров R, L, G, С.
Для решения этих уравнений относительно Ux и 1Х исключим
сначала величину 1Х из первого уравнения, взяв вторую производ-
ную по х:
d2Ux dlx
Подставив в это выражение уравнение (5.2), получим
d2UT
dx2
= Ux(R+jwL)(a + ju>C).
Обозначив 7 = y/(R + JojL)(G + ju>C), получим
дх* 7 Ux-
Параметр 7 характеризует степень изменения напряжения Ux и
тока 1Х вдоль линии и называется коэффициентом распространения.
Решение данного уравнения имеет вид [16]
Ux=Ae-~fX + Bet'yx,
где А и В — постоянные интегрирования.
Продифференцируем данное уравнение по х:
^ = -Л7е"7Х + Б7е7* - -7(Ле"7Х - Ве7Х).
ах
Подставляя его в (5.1), получаем
IX(R 4- juL) = 7(Ае"7* - В<?х).
Обозначим
R + ju>L R + juL
Zb = —T~ = VgTJ^' (5-3)
Тогда
IXZB = Ае-^х - Be^x.
Таким образом, имеем два уравнения с двумя неизвестными
Ux = Ае-ч* + Ве*х;
Za (5.4)
i* =
(Ае—/Х - Ве^1)'

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 131
В (5.4) первые слагаемые описывают падающую волну
л
^хпад — ■**■" •> -'хпад — /7 '
а два других слагаемых описывают отраженную волну
Ь'хотр = -DG ? -*хотр = ^7~^
^в
Из приведенных соотношений следует, что при любых значениях х
^хпад ^хпад
-*хпад -*хотр
= zB.
Таким образом, отношение комплексных амплитуд напряжения и то-
ка в падающей (отраженной) волне в любом сечении НС определя-
ется волновым сопротивлением ZB, которое свойственно данной НС
и не зависит от ее длины.
Для нахождения А и В воспользуемся известными значениями
тока /о и напряжения С/0 при х = 0. Тогда уравнения (5.4) примут вид
С/о = А + В; I0ZB = A~B. (5.5)
Отсюда
С/о + /о^в D С/о - /oZB , ч
Л= ^ ; В = 2 • (56)
Подставляя А и В в уравнение (5.4), получим
_ Up + IpZB _7Х {/о - IpZB 7Х
t/x- 2 2 '
к —7Х .Л'Х
1х — ~ ^, е
(5.7)
2ZB 2ZB
После преобразования, учитывая, что chx = 0,5(е7Х 4- е_7Х) и
shx = 0,5(е7Х — е"~7Х), получим выражение для напряжения Ux и
тока 1Х в любом сечении НС
Ux = U0 ch ух - I0ZB sh yx;
Ix = I0chjx- -^-shyx.
В конце НС при х = I имеем
Ui = С/0 ch ye - I0ZB sh ye;
С/о , (5.9)
Ii = Iq chye — — sh ye.
ZB

132
Глава 5
Решая уравнения (5.9) относительно Uq и /о, получаем выраже-
ния, устанавливающие зависимость напряжения и тока в начале НС
от напряжения и тока в конце НС:
С/о = Uich^l- IiZBsh-yl; j
70 = J/ ch 7/ + тг sh7/.
При согласованных нагрузках Zq = Z; = ZB, £/о//о = #i/Jf = ZB. j
Уравнения (5.8), (5.9) упрощаются и принимают вид
1х = 10е-ч*- \
п п -7i (5Л1)
^ = /ое'
-7/
Уравнения (5.8)—(5.11) устанавливают связь токов и напряже-
ний с параметрами передачи НС Д, L, С, G, 7 и ZB и позволяют
определить напряжение и ток в любом сечении НС в зависимости
от значений U и / в начале или конце НС. Уравнения (5.8)—(5.10)
называются уравнениями однородной линии, они справедливы при
любых нагрузках на концах НС.
5.2. Вторичные параметры передачи
Из полученных соотношений (5.8)—(5.11) следует, что токи и на-
пряжения в любом сечении НС обусловлены ее волновым сопротивле-
нием ZD и коэффициентом распространения 7, которые носят назва-
ния волновых или вторичных параметров передачи НС. Ими часто
пользуются на практике как наиболее просто поддающимися изме-
рению. В свою очередь, 7 и ZB полностью определяются первичными
параметрами НС Я, L, G, С.
Волновое сопротивление. В общем виде волновое сопротив-
ление является комплексной величиной и определяется через пер-
вичные параметры:
г-^Ш=™-"-- (512)
Как видно из (5.12), волновое сопротивление не зависит от длины
для однородной цепи, а его частотную зависимость определяют пер-
вичные параметры. При постоянном токе ZB = y/Ro/Go, а <рв = 0.

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 133
В диапазоне относительно низких (тональных) частот, когда
Л > шЬ и G > ыС,
ZB = y/R/^Ce'j45°; \ZB\ = х/^С; ^в = -45°.
В диапазоне высоких частот, когда шЬ ^> Я, шС ^> G,
ZB = у/L/C; <рв = 0.
В диапазоне средних частот необходимо пользоваться полной фор-
мулой (5.12).
Частотная зависимость \ZB\ и
срв показана на рис. 5.3. На вы-
соких частотах модуль волнового
сопротивления стремится к посто-
янной величине, равной ZBOO =
= у-^внеш/^? где Ьвнеш внеш-
няя межпроводниковая индуктив-
ность НС, Гн/км.
Для практических расчетов
формулу для волнового сопротив-
ления часто преобразовывают к
виду
М ' - (5.13)
ZB — ZB
Рис. 5.3. Частотная зависи-
мость волнового сопротивления
где М — коэффициент, зависящий от конструктивных размеров НС
и диэлектрической проницаемости изоляции; / — частота, Гц.
Коэффициент распространения, 1/км, является комплексной ве-
личиной и может быть представлен в виде суммы ее действитель-
ной и мнимой частей:
7 = а + j/3 = y/{R + juL){G + ju>C).
(5.14)
Действительная составляющая коэффициента распространения
называется коэффициентом затухания (ослабления) а, а мнимая со-
ставляющая — коэффициентом фазы /3.
Коэффициент затухания (ослабления) оценивается в децибелах
(дБ) или неперах на 1 км (1 Нп » 8,68 дБ). Коэффициент фазы (3
измеряется в радианах или градусах на 1 км (1 рад. = 57,3°).
Расчетные формулы для а и /3 через первичные параметры пе-
редачи нетрудно получить из (5.14):
а2 + /J2 = х/(Я2 + ^L2){G2 + lj2C2); а2 - (З2 = RG - lj2LC.

134
Глава 5
Решая эти уравнения относительно а, дБ/км, и /?, рад./км, получаем
(5.15)
а = 8,68 Jhy/(R2 + u>2L2)(G2 + ш2с2) - (ш2ЬС - RG)];
0 = J^W(R2+lj2L2){G2+uj2C2) + (lj2LC - RG)}.
Эти формулы можно упростить для различных диапазонов ча-
стот. На постоянном токе а = у/RqGo, /З = 0. В тональном диапа-
зоне, когда R ;» шЬ и G 3> ujC,
а = 8,68^uRC/2; /3 = y/ujRC/2.
(5.16)
В диапазоне высоких частот, когда uL ^> R, uC ^> G, приме-
нив к выражению коэффициента распространения 7 формулу бино-
ма Ньютона и ограничившись лишь первыми двумя членами раз-
ложения, получим
а = ам + ад = 8,68
(f/S)
где ам = 8,68
характеризует по-
о^о f G /С
тери в металле, ад = 8,68 I — у у
диэлектрике. Характер частотной зависн-
ув мости а и /3 приведен на рис. 5.4.
Л „ Л тт Для практических расчетов вторич-
Рис. 5.4. Частотная
зависимость коэффи- ные параметры цепей записывают в еле-
циента затухания а и дующем виде:
коэффициента фазы /3 коэффициент затухания
а = Ay/f + Bf + ao,.
(5.18)
где первый член характеризует потери в металле, второй — в ди-
электрике, третий — значение потерь при постоянном токе;
коэффициент фазы
P = 27rft9 + A1y/f,
(5.19)
где t3 = у/ЬвнешС — время задержки электромагнитной энергии при
распространении по НС, с/км; А\ = Л/8,68 — коэффициент нели-
нейности коэффициента фазы.

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 135
С учетом (5.18) и (5.19) коэффициент распространения
а0 А гг- В
^a + j(3=sM + sfis^
JLU +
8,68 ■ 2ттх
и + juot3
(5.20)
Коэффициенты А, В, ao,t3, Zoo, M определяются аналитически
черея конструктивные параметры НС [17, 18] или по эксперименталь-
ным частотным зависимостям а и /?.
Скорость распространения электромагнитной энергии по
НС. Электромагнитная энергия распространяется по НС с опреде-
ленной скоростью. Посланный в НС сигнал достигает конца ее лишь
через соответствующий промежуток времени. В общем виде скорость
распространил, определяется из выражения [19] v = ш/р. Из этой
формулы видно, что скорость распространения является функцией
частоты / = и/2п и коэффициента фазы /3, который, в свою очередь,
зависит от первичных параметров НС.
В диапазоне высоких частот, когда (3 = uVLC, скорость не зави-
сит от частоты и определяется лишь первичными параметрами НС:
у = ш/Р= 1/у/ЬС.
В низкочастотном диапазоне
частот, когда 0 = y/^RC/2, имеем _J v>ltflCM/c
v = y/2u/RC.
Время прохождения волны по
НС называется временем задержки
на единицу длины t3 = 1/v, с/км.
На рис. 5.5 представлена ча-
стотная зависимость скорости рас-
пространения электромагнитной
энергии в НС.
300
200
100
0
/
Рис, 5.5. Частотная зависи-
мость скорости распространения
электромагнитной энергии в НС
5.3. Параметры передачи согласованной
направляющей системы
Математической моделью НС в частотной области являются ее
передаточные функции, которые определяются как отношения на-
пряжения или тока на выходе НС к напряжению или току на входе:
• передаточная функция НС по напряжению
Ui
Hu(jw)
UG
= \Hu(ju;)\e^\
(5.21)

136
Глава 5
• передаточная функция НС по току
Я/СИ = 7- = \Hj(ju;)\^y (5.22)
iO
где Ui, Uq и 7/, /о — комплексные значения напряжения и тока
на входе (х = 0) и выходе (х = /) НС (рис. 5.2).
Для случая, когда НС согласована по концам Zq = Zi = ZB,
подставляя (5,11) в (5.21) и (5.22), получаем
Н{М = Я^СИ - Я/СИ - е-^ - е~а1е-М = |Я(^)|е^. (5.23)
Модуль |H(jcc;)[ = е~"ы характеризует уменьшение абсолютно-
го значения напряжения или тока при прохождении по НС длиной
/. Уменьшение (ослабление) энергии объясняется двумя видами по-
терь — потерями в металле и потерями в диэлектрике. При прохож-
дении тока по НС нагреваются токопроводящие жилы и создаются
тепловые потери энергии. С ростом частоты эти потери увеличива-
ются, так как возрастает активное сопротивление проводников (уве-
личивается интенсивность вихревых токов). Потери энергии в изо-
ляции обусловлены несовершенством применяемых диэлектриков и
затратами энергии на диэлектрическую поляризацию (G = ujctgS).
Изменение угла векторов тока или напряжения на участке НС
длиной / характреизует угол ip = aigH(ju) = —/?/.
Одним из основных параметров НС является величина которая
носит название собственного затухания НС (затухание сигнала в со-
гласованной по концам однородной НС).
Затухание НС принято оценивать в децибелах (белах) или непе-
рах. Для децибелов (белов) используется десятичная система лога-
рифмов, а для неперов — натуральная.
Затухание 1 бел (Б) соответствует уменьшению мощности в 10
раз, а тока или напряжения в 3,17 раза
a = lg|P0/fi|=lglO = lB,
где Ль Pi — мощности на входе и выходе НС соответственно, или
\P0/Pt\ = 10a = 10 при а = 1 Б.
Для согласованной НС ZB = Z\ — Zq, Po = U§ZB, Pi = U?ZB,
Uo
U
2
= 21g
Uo
Ui
или \U0/Ui\ = 10a/2 = 3,17 при a = 1 Б.
Децибел является одной десятой частью бела. Соответственно
получим, что затухание в 1 децибел (дБ) характеризует уменьшение
a = lg
щгв
u?zB

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 137
по мощности в 1,26 раза и по напряжению или по току в 1,12 раза:
а = 10 lg
a = 201g
|р°
к*
С/о
Ui
ИЛИ
ИЛИ
Pol
ъ\
С/о|
Ui\
= l0°'lQ = 1,26 при а = 1 дБ.
= Ю°'05а = 1,12 при а = 1 дБ.
Затухание в 1 непер (Нп) соответствует уменьшению мощности
в е2 = 7,4 раза, напряжения или тока в е = 2,718 раза:
а = -In
2
^
Л
или
а = In
Ui
или
Uo
Ui
= е2а = 7,4 при а = 1 Нп;
= еа = 2,718 при а = 1 Нп.
Между децибелами и неперами существуют следующие соотно-
шения:
а (дБ) - 20\g\U0/Ui\ = 201gea(Hn> =
= 20а (Нп) lgе = 20а (Нп)0,434 = 8,686а (Нп).
Следовательно, 1 Нп = 8,686 дБ или 1 дБ = 0,115 Нп.
5.4. Параметры передачи направляющей
системы с несогласованными нагрузками
по концам
Анализ основных уравнений передачи (5.7)—(5.11) показывает,
что процесс распространения сигналов в несогласованных НС име-
ет волновой характер и может быть представлен в виде падающих и
отраженных волн. Из (5.7) при х — I следует
и _ Uq + IqZb L _ U0-IqZb 1я
и1пад — 9 WOTp — ~ с ,
-Чпад —
Up + /qZb _7j
6 5 ^чотр —
Uq — I$ZB
a7«
2ZB ~ ' ~l0Tp 2ZB
Уравнение передачи можно записать в виде
(5.24)
(5.25)
Учитывая, что /*пад = ЭДпад/£в и /fOTp = UiOTp/Z^ из (5.24)
получаем
^пад ^ 5 Wo
) WOTp
Z ■ е
Аналогичные зависимости можно получить и для тока.
(5.26)

138
Глава 5
Отношение напряжения или тока отраженной волны к напря-
жению или току падающей волны называется коэффициентом от-
ражения.
Коэффициент отражения по напряжению на дальнем конце
(х — I) НС Г/ имеет вид
р = ^ОТР = Ul ~ ZJl
Ui пад Ui + ZbIi
Имея в виду, что Ui = ZBi/, получим
Аналогично можно получить выражение и для коэффициента
отражения по напряжению НС на ближнем конце (х = 0):
Го = §^. (5.29)
Из уравнений (5.25) следует, что отношение амплитуд падаю-
щей и отраженных волн тока отличается знаком от подобного от-
ношения для волн напряжения. Поэтому и коэффициенты отраже-
ния по току будут отличаться знаком от коэффициентов отражения
по напряжению.
Из приведенных выражений следует, что соотношение между ам-
плитудами и фазами отраженных и падающих волн напряжения и то-
ка в конце и начале НС зависит исключительно от соотношений меж-
ду волновым сопротивлением НС и сопротивлением нагрузок Zq и Z\.
Из выражений (5.28) и (5.29) следует, что коэффициенты отра-
жений Го и Г/ в общем случае являются комплексными величинами.
Модуль коэффициентов отражения Го и Г/ для пассивных нагрузок
не превышает единицы.
Из (5.29) следует, что при Z\ = 0, т.е. при коротком замыкании
НС, коэффициент отражения Г/ = —1, при Z\ — со, т.е. при холостом
ходе, Г/ = 1, а при Z{ = ZBTi - 0.
В последнем случае, когда волновое сопротивления НС по мо-
дулю и по фазе равны сопротивлению нагрузки, отраженных волн
не будет и в НС будет режим бегущей волны. Этот режим работы
всегда стремятся обеспечить при передаче информационных сигна-
лов по НС.
Случай Г; = ±1 (короткое замыкание или холостой ход на конце
НС) называется полным отражением. При полном отражении ам-
плитуды отраженной и падающей волн равны.

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 139
При сложении одинаковых амплитуд падающей и отраженной
волн синусоидального напряжения образуется стоячая волна напря-
жения, а при сложении падающей и отраженной волн тока — стоячая
волна тока. В сечении, где складываются максимальные значения
падающей и отраженной волн тока или напряжения, будут пучности
тока или напряжения, а в сечениях НС, где эти значения вычитают-
ся, будут узлы тока или напряжения.
Если НС нагружена на активное сопротивление, то коэффициент
отражения Г/ будет величиной действительной. Напряжение в пуч-
ности (максимум напряжения) будет равно UMaLKC = \Unan\ + \UOTp\,
а в узле (минимум напряжения) будет равно UMUH = \UnaA\ — \UOTp\.
Максимумы напряжения (пучности) и минимумы напряжения (узлы)
будут отстоять друг от друга на расстоянии, равном А/2.
Имея в виду, что |С/отр| — Г/|С/Пад|? можно записать
t/макс = |£/пад| + |^отр| = |^пад|(1 + Г/);
f/мин = |£/„ад| - |0отр1 = 1^пад|(1 - Г/).
Отношение
^макс 1 + Г/
= КБВ
называется коэффициентом бегущей волны (КБВ).
Величина 1/КБВ, обратная коэффициенту бегущей волны, яв-
ляется мерой рассогласования и называется коэффициентом сто-
ячей волны (КСВН)
^макс 1 + Г; 1
КСВН =
С/мин 1-Г, КБВ'
Как видно из представленных формул, КБВ не может быть боль-
ше 1, а КСВ — меньше 1.
Входным сопротивлением линии называется отношение напря-
жения в начале цепи Uq к току в начале цепи /о- Используя уравне-
ние (5.10) и имея в виду, что Ui/Ii = Z/, получаем
UQ Znb-yl + Z^hil
Z** = Т~ - ^ гу г у , гу л j ' (5.30)
/0 ZB ch тI + Zi sh 7/
Это выражение можно представить, применив показательные функ-
ции chx = 0,5(е7Х + е~1Х) и shx = 0,5(е7:Е - е"7Х), в виде
7 _r, (Zi + ZJeH + jZi-ZJe-*
Zbx " Zb (Z, + ZB)e^ - [ZX - Z.)e-7i' (o'6l)

140
Глава 5
Используя формулу (5.28), полу-
чаем
ZBx — Z*
1 + Г/е"2^
(5.32)
Рис. 5.6. Частотные зависи-
мости и модули волнового со-
противления |ZB| и входного со-
противления |ZBX| при Z\ = 2ZB
1 - rze"2^'
Частичная зависимость входного
сопротивления НС от частоты при на-
грузочном сопротивлении Z\ — 2ZB по-
казана на рис. 5.6.
Сопротивление нагрузки Z\ может
быть различным. На практике все-
гда стремятся иметь сопротивление на-
грузки, равным волновому сопротивлению Zi — ZB. В этом случае не
будет отраженных волн, и входное сопротивление НС, как это сле-
дует из формулы (5.32), будет равно ZB. Следовательно, входное
сопротивление в этом случае не зависит от длины линии и равно ZB.
Из (5.32) следует, что для электрически длинной линии (al >
> 13 дБ) входное сопротивление не зависит от Z/. В этом случае
на конце НС хотя и происходит отражение, но отраженные волны
в начале НС очень малы и практически не влияют на соотношение
между напряжением и током в начале НС.
Передаточная функция. С учетом приведенных параметров
Го, Г/ и ZBX решение системы дифференциальных уравнений, соглас-
но рис. 5.2, можно представить в виде
_Б =Uo_
Zq + ZBX ZBX
Io =
(5.33)
где Е — идеальный источник напряжения, В; Z0 — внутреннее со-
противление источника сигнала, Ом.
Подставляя (5.32) в (5.33), получим
/о =
1 - Г,е
-2~(1
Е
-Г0;(1-Г,е-2^), (5.34)
ZB + Z0 1 - Г0Гге-27< ZB + Z0
Г01 = 1/(1 - Г0Г,е-2^).
Физический смысл коэффициента Tqi становится ясным при раз-
ложении его в ряд по степеням
где
Го, = 1 + Х>оГ;ехр(-270]п.
п=1
Члены ряда, начиная со второго, учитывают вторичные (многократ-
ные) отражения на концах НС.

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 141
Подставляя (5.34) в (5.5) и учитывая, что Uq = IoZBX, после ре-
шения системы уравнений (5.5) получаем
А = Е-
Л)/; В = E—f-To^e-^1. (5.35)
Подставив А и В в уравнение (5.4), получаем выражение для
напряжения в произвольном сечении х НС
ZB
Ux = Unan + t/oTD — -Е-;
-Гш[1 + Г,]е-^.
(5.36)
Напряжение на конце несогласованной НС длиной I будет равно
Ui=E-
-Гм(1 + Г,)е-т'.
.-„.,-,-.,- . (5.37)
ZB -f- Zo
Передаточная функция НС относительно идеального источника
напряжения Е примет вид
Ui zB
н¥
-Г0/(1 + Г,)е-^.
(5.38)
Е ZB + Zq
В технике связи источник сигнала стараются согласовать с вход-
ным сопротивлением НС. В этом случае из (5.33), (5.29) следует
Io = S-; U0 = IZBX = ^- E = 2U0; To = 0. (5.39)
ZZBX L
Тогда передаточная функция НС, согласованной на входе, прини-
мает вид
Ui
Я = ^ = (1 + Г1)е-'.
(5.40)
Для согласованной по концам НС Г/ = 0 и передаточная функция
принимает вид (5.24).
Рабочее затухание ар является затуханием НС в рабочих усло-
виях, т.е. при любых нагрузочных сопротивлениях Zq и Z\ на концах
НС. Оно представляет общий параметр, так как, кроме собственного
затухания НС а = а/, учитывает также дополнительное затухание
за счет неравенства волнового сопротивления ZB с Zq и Z/. Рабочее
затухание рассчитывается по формуле
ар = 201g
1
НЕ
= a/ + 201g
2ZBZi
{ZB + Z0)(Zi + ZB)
Го/
(5.41)
Выражение (5.41) состоит из двух слагаемых: первое слагаемое опре-
деляет собственное затухание НС al; второе — дополнительное зату-

142
Глава 5
хание вследствие несогласованности сопротивления источника сиг-
нала Zq и нагрузки Zi с входным сопротивлением НС. Если обес-
печить согласование на входе и выходе НС (Zq = Zi = ZB), то в
этом случае ар = а/.
Как следует из (5.41) и физической природы явлений, рабочее
затухание в общем случае всегда равно или больше собственного за-
тухания: ар ^ а/. Однако в некоторых случаях может оказаться, что
второе слагаемое отрицательно и соответственно величина ар может
оказаться меньше собственного затухания НС. Это может произой-
ти тогда, когда сопротивления Zo, Zi, ZB будут иметь фазы разных
знаков, т.е. в случае сочетания сопротивлений емкостного и индук-
тивного характера.
5.5, Направляющие системы,
неоднородные по длине
Однородная по длине НС по своим электрическим характери-
стикам на всем протяжении и нагруженной по концам аппаратурой с
сопротивлением, равным волновому (Zq = Z{ = ZB). В этом случае
отраженных электромагнитных волн нет и вся передаваемая энер-
гия полностью поглощается приемником, электрические процессы в
линии описываются упрощенными уравнениями, а затухание линии
определяются ее собственным затуханием. Поскольку кабельная ли-
ния однородна и нагрузки согласованы, сопротивление в любой ее
точке одинаково и равно волновому. Такое состояние линии наибо-
лее благоприятно для прохождения сигналов связи, и его стремят-
ся создать в практике.
Значительно более сложные электромагнитные процессы воз-
никают в неоднородных линиях и при несогласованных нагрузках.
В местах электрических несоответствий возникают отраженные вол-
ны, некоторая доля энергии возвращается к началу цепи. Следова-
тельно, в приемник поступает лишь часть энергии, по абсолютной
величине меньшая, чем при согласованной нагрузке.
В неоднородной линии отраженные волны искажают частотную
характеристику собственного волнового сопротивления кабеля. Под-
ключенный ко входу цепи измерительный прибор покажет уже не
волновое, а входное сопротивление ZBX, характеризующее новое элек-
трическое состояние линии. Затухание неоднородной линии пред-
ставляет собой суммарную величину, включающую, кроме собствен-
ного затухания кабеля, также затухание за счет неоднородности
электрических характеристик цепи. Дальность связи по такой ка-

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 143
бельной линии будет обуславливаться не собственным затуханием
линии а = а/, а ее рабочим затуханием ар.
Количественное соотношение между энергией, поступившей к
приемнику и отраженной, зависит от соотношения сопротивлений
приемника Z\ и волнового ZB и характеризуется коэффициентом от-
ражения р = (ZiZB)/(Zi + ZB). При согласованной нагрузке (Zt = ZB)
коэффициент отражения превращается в нуль и энергия полностью
поглощается приемником.
Следует отметить, что передача электромагнитной энергии по
неоднородным линиям находится в неблагоприятных условиях и ка-
чество связи по ним может быть значительно снижено.
Рассмотрим свойства линий: с несогласованными нагрузками по
концам и неоднородных по длине.
Линии с несогласованными нагрузками по концам. Вход-
ным сопротивлением ZBX такой линии будет сопротивление, изме-
ренное на входе линии при любом нагрузочном сопротивлении на ее
конце. Величину ZBX в общем виде можно записать так:
ZBX = Uo/Io = ZB th(7/ + n), (5.42)
где п = 0,51n[(ZB + Zi)/(ZB - Z{)) = 0,51n(l/p); p — коэффици-
ент отражения.
Если линия имеет согласованную нагрузку {Z\ — ZB), то ZBX = ZB
и коэффициент отражения р = 0. Для электрической длинной линии
при любой нагрузке на ее конце ZBX = ZB.
В отличие от волнового сопротивления, входное сопротивление
линии зависит от длины линии и сопротивления нагрузки. Это объ-
ясняется тем, что при несогласованной нагрузке (т.е. при Z\ ф ZB)
в линии возникают отраженные волны, которые, взаимодействуя с
падающими, изменяют соотношение напряжения и тока в начале ли-
нии (ZBX = Uo/Io)- Аналогичные, но еще более сложные процес-
сы происходят в составных линиях, в кабелях с конструктивными
неоднородностями.
Входное сопротивление линии можно также выразить через ко-
эффициент отражения р, отнесенный к началу линии, в виде
z*x = ад+p)/(i -р) * ад + 2р). (5.43)
Рабочее затухание для практических целей удобно представить
в виде
ap = al + In |(Z0 + ZB)/2y/Zrf~B\ + In |1 - p^e"2^, (5.44)

144
Глава 5
где pi и р2 — коэффициенты отражения на стыках «генератор - ка-
бель» и «приемник - кабель»:
Pi = (Z0 - ZB)/{Z0 + ZB) ир2 = (Z, - ZB)/(Zt + ZB).
Выражение (5.44) состоит из четырех слагаемых: первое слага-
емое выражает собственное затухание кабеля а/; второе и третье —
дополнительные затухания вследствие несогласованности сопротив-
лений генератора и кабеля Zq Ф Zb, а также приемника и кабеля
Z{ ф ZB; четвертое слагаемое равно дополнительному затуханию от
взаимодействия несогласованностей в начале и в конце линии. Ес-
ли обеспечить согласование нагрузочных сопротивлений в начале и
в конце линии (Zo = Z/ = ZB), то в этом случае в (5.44) останется
лишь первое слагаемое и рабочее затухание окажется равным соб-
ственному (ар = al).
Линии, неоднородные по длине. Реальные НС практически
всегда неоднородные по длине. Различают неоднородности внутрен-
ние — в пределах строительной длины кабеля и стыковые, обуслов-
ленные различием характеристик сопрягаемых строительных длин.
Стыковые неоднородности, как правило, превышают внутренние.
Неоднородность кабеля сказывается главным образом на волновом
сопротивлении кабеля, которое на участках неоднородности отли-
чается от номинальной.
Неоднородности цепи учитываются через коэффициент отраже-
ния
р = (Z'B - ZB)/(ZfB + ZB) = AZB = AZB/2ZB, (5.45)
где ZB и Zg — волновые сопротивления соседних неоднородных участ-
ков кабеля; AZB = 2pZB — отклонение волнового сопротивления.
Реальный кабель можно рассматривать как неоднородную цепь,
составленную из отдельных участков. Электромагнитная волна, рас-
пространяясь по такому кабелю и встречая на своем пути неоднород-
ность, частично отражается от нее и возвращается к началу линии.
При наличии нескольких неоднородных участков волна претерпева-
ет серию частичных отражений и, циркулируя по линии, вызывает
дополнительное затухание и искажение характеристик цепи.
Неоднородности в кабеле приводят к появлению в цепи двух до-
полнительных потоков энергии: обратного, состоящего из суммы эле-
ментарных отраженных волн в местах неоднородностей и движуще-
гося к началу цепи, и попутного, возникающего по закону двойных
отражений вследствие того, что первоначально отраженные волны,
движущиеся к началу цепи, встречая места неоднородностей, частич-
но отражаются и направляются к концу линии (рис. 5.7).

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 145
ZB\ Ф Z*:
~~1 [
ф Zb3 ф Zb4
~1
^
II
t
j—t
I
III
Рис. 5.7. Схема образова-
ния обратного (II) и попутно-
го (III) потоков в нерегуляр-
ной линии (I — основной поток)
Обратный поток приводит к
колебаниям входного сопротивле-
ния кабеля .Zbx становится волно-
образной. Это затрудняет согла-
сование кабеля с аппаратурой на
концах линий и приводит к иска-
жениям в цепи передачи. Попут-
ный поток искажает форму пере-
даваемого сигнала и также созда-
ет помехи в передаче. Особенно
страдает из-за этого качество те-
левизионной передачи, для кото-
рой фазовое соотношение переда-
ваемых и принимаемых сигналов является решающим фактором.
Для нормальной передачи телевизионных сигналов попутный поток
должен составлять не более 1 % основного. Попутный поток обу-
словлен прежде всего отклонением волнового сопротивления кабеля,
причем попутный поток за счет внутренних неоднородностей прямо
пропорционален длине кабельной линии за счет стыковых неодно-
родностей — числу строительных длин кабеля.
Следует отметить, что в аналоговых системах передачи с частот-
ным разделением каналов попутный поток надо учитывать на всей
длине линии. В цифровых системах передачи с временным разде-
лением каналов попутный поток лимитируется лишь длиной реге-
нерационного участка.
С целью повышения однородности кабельных линий связи стро-
ительные длины группируются. Они прокладываются с таким рас-
четом, чтобы отклонение электрических характеристик не превыша-
ло определенных значений. Коаксиальные кабели группируются по
величинам волнового сопротивления, симметричные — по электри-
ческой емкости.
5.6, Временные характеристики передачи
Физическая цепь линии связи может быть охарактеризована ча-
стотными или временными характеристиками. Частотные свойства
Цепи связи определяются ее передаточной функцией H(jui), а вре-
менные — переходной функцией h(t) или импульсной переходной
Функцией g(t) — dh(t)/dt. Физически h(i) — это выходное напря-
жение цепи при воздействии на ее вход единичного скачка напряже-
ния uBX(t) = l(t); g(t) — выходное напряжение цепи при воздействии
на ее вход импульса напряжения в виде функции S(t). Частотные и

146
Глава 5
временные характеристики цепи взаимно связаны и могут быть вы-
ражены друг через друга преобразованиями Лапласа или Фурье [22].
Для нахождения сигнала на выходе цепи связи применятся обыч-
но операторный или спектральный метод, основанный на преобразо-
ваниях Лапласа и Фурье, или временной метод, основанный на ис-
пользовании интеграла Дюамеля.
В рамках операторного и спектрального методов передаточная
функция является полной математической моделью НС. Если эта
функция известна, то определение реакции цепи на заданное вход-
ное воздействие разбивается на три этапа: 1) uBX(t) —► Ubx(p);
2) UBm(p) = K{p)UbX(p); 3) ивых(р) -> м„ых(*), где р = ju.
Определение реакции цепи временным методом сводится к реше-
нию интеграла Дюамеля по известными h(t) и g(t):
**вых(*) = / uBX(r)g(t-r) dr; или uBblx(t) = ufBX(r)h(t-r)dT.
J — oo J—ос
Для конечного результата оба метода эквиваленты и выбор од-
ного из них зависит обычно от удобства вычислений.
Развитие импульсной техники, рефлектометрии, цифровых спо-
собов передачи сигналов привело к необходимости исследования
временных характеристик передачи (ВХП) различных типов линий
связи.
Сложность в определении временных характеристик НС опреде-
ляется в основном видом аппроксимации их частотных характери-
стик. Аппроксимация вида (5.18) и (5.19) является наиболее точной
и отражает физические процессы, происходящие в НС. Однако опре-
деление ВХП при данной аппроксимации связано с большими мате-
матическими трудностями и возможно лишь численными методами.
В высокочастотных кабельных НС потери в проводниках в ис-
пользуемом спектре частот намного больше потерь в диэлектрике, и,
следовательно, для практических целей коэффициент ослабления с
определенной погрешностью можно аппроксимировать одночленом
a = bxV7, (5-46)
где &i — коэффициент аппроксимации; / — частота, Гц. В этом
случае коэффициент распространения, записанный в операторной
форме,
-y = by/p + pts, (5.47)
где Ь = 6j/8,68tt с1/2/км.
Значения параметров Л, Ву b\, t3, Z^ для коаксиальных и сим-
метричных цепей некоторых существующих кабелей связи представ-

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 147
Таблица 5.1
Г Параметр
[7(1 МГц), дБ/км
Л/, МГц
L4-10-3
в-ю-6
|б| • ю-3
Да, %
£3, мкс/км
(М/у/2) • Ю"3
^оо, Ом
го • Ю-9, с/км
Значения параметров А
5, &1, £3, Zoo
Тип кабеля
КМ-2,64/9,5
2,39
ОД...600
2,38
0,0076
2,46
3
3,46
0,93
74,1
6,37
МК-1,2/4,6
5,34
ОД...600
5,33
0,017
5,47
3
3,73
1,92
73
31,5
MKCA-4x4xl,2
4,9
ОД...20
4,7
0,16
5,3
8
4
1,5
163,5
29,58
ЗКПБ-1х4х1,2
5,19
ОД...20
5,51
0,06
5,54
3
5,08
1,72
137
32,3 ]
лены в табл. 5.1. Здесь же приведена максимальная погрешность
аппроксимации Да, %, коэффициента ослабления одночленом (5.46)
в заданном частотном диапазоне.
В технике многоканальной связи цепи НС можно считать элек-
трически длинными, а сопротивления Zq и Z/ — активными До и
Rt. В этом случае
Ki(p) =
-(1 + Гг)ехр(-70,.
где Г, = (Я, - ZB)/(^ + ZB).
На высоких частотах (/ > 0,3 МГц) ZB « Zoo. Тогда
(5.48)
Кх(р) =
-(1 + Г(оо)ехр(-70.
(5.49)
Ro + ZB
где Г1оо = (Rt - ZB)/(Ri + Zb).
При согласованном режиме работы цепи НС (До = Ri = Z^)
выражение (5.49) с учетом (5.47) принимает вид
КЛР) = щ~^ = еМ-Ыу/р - PUI).
(5.50)
Для электрически коротких НС коэффициент Р можно пред-
ставить в виде ряда:
N
N
Р = 1 + £(Г0Г,)П - 7Z £ 2п(ГоГ0п.
п=\

148
Глава 5
В этом случае
Ki(p) =
Ro + Z,
N
N
(1 + Г«) 1 + £(ГоГ,)п - 7/ J2 МГоГ,)" . (5.51)
L п—\ п—\ J
Формула (5.51) справедлива для N, при которых \~f\lN ^> 1.
Е(Р)
I
5.6.1. Временные характеристики
Рассмотрим наиболее общий
<) и'0 и случай, когда внутреннее сопро-
I тивление источника сигнала Rq и
£/(0, р) U(l, p) V\zi сопротивление нагрузки Ri не рав-
у{р\ ZB \ ны волновому сопротивлению це-
пи НС (рис. 5.8).
Передаточная функция несо-
Рис. 5.8. Схема цепи линии связи гласованной цепи описывается со-
отношением (5.48). Подставляя (5.13) в (5.48), с учетом (5.47) по-
лучаем
х = 0
-I
Kiip) = PoPi
Ri
2Zoc
Vp
+ 2a-
1
[a(po + pi) + y/p a(p0 -f pi) + y/p\
x exp(-bly/p - pt3l), (5.52)
где po = 2ZOQ/{R0 + ZB); pi = 2ZOQ/{Rl + ZB); а = M/2ZB c1/2.
Напряжение на входе цепи согласно рис. 5.2
2а + у/р
U(0,p) = E(p)P(>
2ар0 + у/р'
(5.53)
Если источником сигнала является идеальный генератор тока
i(t) (До = оо), то 1/(0, р) = Hp){Zoo + M/y/p).
Переходя от изображений (5.52), (5.53) к оригиналам [23], по-
лучаем выражения для напряжения на входе цепи при воздействии
единичного скачка напряжения E(t) = /(£), а также переходной и
импульсной характеристик цепи при ее несогласованном включении:
м(0, t) = {ро - 2) exp(pla2t) evic{p0aVi) + 2;
Ripopi
ZociPO + Pi)
9(h) = Y-Popi[x(h)
в(и,а)(ро+р1 - 2) + 2erfc (i) I 5
Ы
2ti
- a(p0 + pi-2)
(5.54)
+
+ a2(p0 + pi)e(tua)(p0 + pi- 2)},

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 149
2 Гх _ 2
где h = t - t3l, с; erfc(x) = 1 - erf (ж); erf (a:) = —/=• / e y dy —
V^ Jo
ти;
/ ч i f &2/2А
^1) = т^ехрГ4^;;
интеграл вероятности;
0{t\, a) = exp[(p0 + pz)aW + a2(p0 + pifh] erfc
61
2угг
+ а(ро+#)>/*7
Для удобства обращения с выражением для ВХП перейдем к
нормированному времени:
Ч\ -ti/r = t/r - t3l/r = q-q3, (5.55)
где т = то J2 = Ь2£2 /4 — конструктивная постоянная цепи длиной 2, с;
то = б2/4 — конструктивная постоянная цепи, с/км2.
Назовем го постоянной времени цепи и соответственно т — по-
стоянной времени цепи произвольной длины L Постоянную времени
цепи можно выразить непосредственно через коэффициент ослабле-
ния. Согласно (5.46) и (5.48)
*b = a2(/i)/[4*(8,e8)2/i]>
(5.56)
где а(Д) — коэффициент ослабления на частоте /i без учета потерь
в диэлектрике, дБ/км; Д — частота, МГц.
Значения то для основных типов кабелей связи представлены
в табл. 5.1.
Выражения для нормированных переходной и импульсной ха-
рактеристик примут вид:
RiPoPi
h(qi) =
Zoo(PO + Pi)
(x(qi
#(<7i) = TT"PoPl
0(qua)(po + Р1-2) + 2erfc ("4= J 5
1
(5.57)
9i A
- a(p0 4- /9/ - 2)
+
a2(po + Pi)0(qi,a)(po + pt - 2)},
где
%i, a) = exp[2a(p0 + pi) у/т + a2(p0 + P/)2rgi]x
1
x erfc
+ a(po + pi)y/r<h
[2y/ql
X(qi) =exp(-l/9i)/v/7T9i
(5.58)
(5.59)
Анализируя полученные выражения для h(q\) и g(qi), можно от-
ветить, что при ро = 2 — pi искажения сигнала в линии, обусловлен-

150
Глава 5
ные отражениями на входе и выходе цепи из-за частотно-зависимого
изменения ZB, взаимно компенсируются. В этом случае
h(qi) = (i?//Zoo)p0/>/erfc(l/v/gT);
9Ы = -^*Ы,
ZncT
где
*(<7i) =X(Qi)/Qi =Qi expi-l/q^/y/n,
(5.60)
(5.61)
(5.62)
Следовательно, чтобы избавиться от искажения формы сигнала
из-за отражений на входе и выходе цепи, не обязательно согласовать
ZB с сопротивлениями нагрузки и генератора. Достаточно подобрать
такие значения Rq и Я/, при которых ро = 2 — pi. Данное равенство
выполняется при Щ — Z^/Rq.
При Rq — fy = Zoo получаются нормализованные переходная и
импульсная характеристики для согласованной цепи:
h(gi) = erfc(l/^D; ff(«i) = ФЫ/т. (5.63)
Для электрически короткой НС из (5.21) при ZB = Zoo получаем
Mgi) = Po(l+rjoo)
N
erfc(l/V9l) + ^(r0oor,oo)nerfc(l/V4i^)
71=1
_ h2;2^o„ _l -П2,
где 9l„ = [t - t3i(2n + 1)]/t„; rn = 62P(2n + l)2/4.
При ГоооГгоо < 1
%i) = po(l + Ггоо){(1 + ГоосГгос) erfc( 1/V5)-
-2[t,Z*(«h)/T + 2X(9i)]r
На рис. 5.9 изображены характеристики u(0, £), рассчитанные
для коаксиальной цепи (КЦ) 1,2/4,6 при различных значениях ро-
Из приведенных графиков видно, что несогласование сопрютивления
"(0,0
1,6
1,2
0,8
1
Po=U
4*
1,0
4 0,8
А0(Л0 = 0)|
10 10
10"
10 10"
10"
/, с
Рис. 5.9. Напряжение на входе КЦ 1,2/4,6 при а — 33,4 дБ
для различных значений ро

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 151
0,20
0,15
0,10
0,05
0,1 1 10 100 q
Рис. 5.10. Нормированные переходная и импульсная характери-
стики КЦ 1,2/4,6 при а = 33,4 дБ, / = 1 км для ро + Pi = 2
(кривая i), ро + pi = 1,1 (кривая 2), ро + Pi = 1,2 (кривая 3)
источника сигнала с частотно-зависимым входным сопротивлением
цепи приводит к искажению формы входного сигнала в области боль-
ших времен (t > 10~6 с). Изменение коэффициента ро не искажает
формы входного сигнала, а изменяет его величину.
При ро = 2 источник сигнала выступает как идеальный гене-
ратор напряжения (До =0). В этом случае u(0, t) = E(t). При
i?o = °о источник сигнала является идеальным генератором тока
г(£), и выражение для u(0, i) при i(t) = l(t) принимает вид и(0, t) =
= l(t)ZB + 2М>Д/у/^.
На рис. 5.10 приведены графики h(qi) и rg(qi), рассчитанные
для КЦ 1,2/4,6 при различных значениях ро и pi. Из приведенных
графиков видно, что частотно-зависимая несогласованность ZB с Я0
и Ri приводит к незначительному изменению формы h(qi) и rg(qi).
Для согласованной цепи НС нормированные переходная и импульс-
ная характеристики представлены на рис. 5.11.
Полученные ВХП в нормализованной форме удобны для прове-
дения анализа и расчетов. Для расчета h(t\) и g(t\) заданной длины
Л С необходимо нормализованные ВХП денормализовать.
Например, для определения g(t\) необходимо сначала вычислить
по формуле (5.55) значения параметра г для заданной цепи НС, а
затем значения по оси ординат (рис. 5.11) разделить, а по оси абсцисс
умножить на т. Для определения h(t) достаточно значения по оси
абсцисс (см. рис. 5.11) умножить на т.
Временные характеристики НС удобно характеризовать их пара-
метрами: £3 — время задержки; £о,5 — время установления переход-
ной характеристики до уровня 0,5; дтъх — максимальное значение
импульсной характеристики; tomax — время установления импульс-
ной характеристики до своего максимального значения.
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
2vO
It3
//
\*g(tf)
/v^-
^pl
%)

152
Глава 5
^Я)
0,20
0,15
0,10
0,05
Г%)
—0,8
—0,6
—0,4
--0,2
"0,2317Г
|\*£(?)
Кя)
0,1 0,66 1
10
100
Рис. 5.11. Нормированные переходная и импульсная характеристики
согласованной цепи
Из графиков рис. 5Л1 и соотношения (5.55) видно, что £о,5 =
= 4,2т0/2 = 4,2т; tgmAX = 0,666т0/2; дтйх = 0,231т0/2. Из приведен-
ных равенств следует, что £о,5 и ^тах изменяются прямо, a gm8iX —
обратно пропорционально то и /2.
Влияние изменения температуры на ВХП и ее параметры можно
определить, воспользовавшись соотношениями для ol(T°) и /?(Т°). Из
(5.57) и (5.58) видно, что температурное изменение линейного члена
коэффициента фазы /3 не влияет на форму ВХП, а приводит лишь к
изменению времени задержки: t3(T°) = t3(20°)[l — ctt3(T° — 20°)], где
<*и = otp — температурный коэффициент t3.
Изменение а с температурой приводит к изменению постоянной
времени то и, следовательно, к изменению h(ti), g(t\) и их парамет-
ров £о,5, tg max ч <?max ♦
т0(Т°) = то(20°)[1 - аТ0(Т° - 20°)],
где аТо = аа/2 — температурный коэффициент tq.
Для экспериментального определения h(t) и g(t) необходимо воз-
действовать на вход цепи импульсами вида l(t) и <$(£). Данные
импульсы физически нереализуемы, являются математической аб-
стракцией и введены для удобства анализа переходных процессов
различных систем. Однако для линейных систем с ограниченной по-
лосой пропускания можно получить экспериментально переходную
и импульсную характеристики при длительности воздействия, много
меньшей постоянной времени исследуемой системы. При этом фор-
ма импульса воздействия практически не влияет на переходный про-
цесс. Если за время действия входного импульса от 0 до tw произ-
водную о переходной характеристики можно считать постоянной, то
uBm(t) = Sg{t), где S
= / Ub
Jo
:(t) dt — площадь входного импульса.

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 153
Соответственно для воздействия типа перепада напряжения с
длительностью фронта £ф, когда на интервале времени от 0 до £ф
h(t) не меняется, uBblx(t) = UBXh(t), где UBX — максимальное зна-
чение входного воздействия, В.
Из графиков рис. 5.11 видно, что g{q\) можно считать постоянной
на интервале от 0 до 0,05<?i, a h(q\) — на интервале от 0 до 0,5gi. Сле-
довательно, для экспериментального определения g(t) линии связи с
погрешностью менее 5 % длительность входного импульса tu долж-
на быть меньше 0,05т, а для измерения h(t) с той же погрешностью
*ф < 0,5т. При этих условиях h(t) = uBblx(t)/UBX; g(t) = uBblx(t)/S.
По измеренным ВХП и их параметрам можно определить ча-
стотные характеристики НС. Например, измерив параметры t3 и
fgmax, определяют параметр г = tgmax/0,666, откуда согласно (5.56)
a(f) = 2 - 8,680^/V?; 0(f) = 2ttU/ + 2у/^/^/\/7- Аналогично
определяются a(f) и /?(/) по другим параметрам ВХП.
5.6.2. Временные характеристики с учетом потерь
в диэлектрике
Полученные соотношения для ВХП справедливы для длинных
линий, у которых потери в диэлектрике намного меньше потерь в
проводниках. В линиях малой длины при расчете ВХП необходи-
мо учитывать суммарные потери в проводниках и диэлектрике. По-
этому представляет практический интерес получение ВХП с учетом
суммарных потерь и определение критерия для оценки границ при-
менимости соотношений (5.57)-(5.63).
Коэффициент передачи цепи НС с учетом суммарных потерь
КТ>(1ш) = K(iu>)KA(iu;)exp(—iu;t3l), где К(ги>) = ехр(—Ыл/1й) — ко-
эффициент передачи цепи с учетом потерь только в проводниках;
Ka(itj) = ехр(—тод/а;) — коэффициент передачи цепи с учетом по-
терь только в диэлектрике; тод — постоянная времени цепи, имею-
щей потери только в диэлектрике, с/км.
Для определения ВХП с учетом суммарных потерь в НС вос-
пользуемся теоремой свертывания и найдем ВХП в отдельности для
каждой из составляющих потерь. Переходная и импульсная характе-
ристики цепей с учетом потерь только в диэлектрике определяются
через обратное преобразование Фурье:
2дЫ = 2/[тгтд(1 + <72)]; (5.64)
K{Qjx) = 1 + 2arctg^/?r, (5.65)
где дд = (г — t3i)/ra — постоянная времени цепи длиной I с учетом
потерь только в диэлектрике, с. Для цепей, имеющих потери только
в проводниках, ВХП описываются выражениями (5.63).

154
Глава 5
Таблица 5.2
Значения параметров топ, тод, т
Тип кабеля
КМ-2,6/9,4
МК-1,2/4,6
МКСА-4х4х1,2
ЗКПБ-1х4х1,2
Т-0,5
ТПП-0,4
ТПП-0,5
гоп • Ю 9, с/км2
6,37
29,9
23,2
31,9
408,5
438
303
год • 10 9, с/км2
0,116
0,31
2,74
1Д
63,7
3,1
3,1
т, км
43,6
96,1
8,5
29
6,4
141,3
97,7
/о, км
0,45
0,21
2,3
0,7
3,1
0,15
0,2
Приведем полученные соотношения для ВХП к одной перемен-
ной q\. Согласно (5.55) и (5.64), (5.65) q\Tn = <7дтд. Отсюда qA — q\vnX,
где т = топ/тод; тпп — постоянная времени цепи, имеющей потери
только в проводниках, с/км2.
Подставляя qn в (5.64) и (5.65), получаем
TgA{qi) = 2ml/[ir(l + qlm2l2)];
hA(qi) = 1 + 2arctggim//7r,
(5.66)
(5.67)
Значения параметров топ, тод и т для некоторых типов НС при-
ведены в табл. 5.2. На рис. 5.12 представлены графики rgA{qi)/ml
и rg(qi) для различных значений ml.
Временные характеристики передачи для цепей с учетом сум-
марных потерь определяются через интеграл свертки:
9T.{q\) = / 9n{u)ga{qi - u)du\
Jo
M<7i) = / hn(u)ga(qi -u)du.
Jo
(5.68)
(5.69)
0,8
0,6
0,4
0,2
V 0,20
- 0,15
г 0,10
- 0,05
50\V
30V
20
Л0
4
5 jK
S&4\)
ч! ^
4
O^N
<o,i
\
N
0,01 0,05 0,1 0,5 1
5 10 50 q
Рис. 5.12. Нормированные импульсные характеристики rg(qi) и (T/lm)gn{qi)
при различных значениях ml

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 155
Из рис. 5.11 и 5.12 видно, что при ml > 30 на интервале вре-
мени, соответствующем длительности g^(qi), характеристики hn(qi)
и <7n(tfi) остаются практически постоянными, а выражения (5.68) и
(5.69) принимают вид:
9z(Qi) = 9п(Я\); МЫ = h„(qi).
Для количественной оценки влияния потерь в диэлектрике на
ВХП были проведены расчеты h(q\) и g(q\) с учетом суммарных по-
терь при различных значениях ml и отдельно с учетом потерь только
в проводниках. В результате сравнения рассчитанных характеристик
было установлено, что при ml > 20 характеристики отличаются не
более чем на 3 %. Следовательно, если I > 20/т, при расчете ВХП
потери в диэлектрике можно не учитывать. В табл. 5.2 представле-
ны рассчитанные значения /о = 20/т. Сопоставляя значения /о с
длинами регенерационных участков ЦСП, можно отметить, что при
расчете искажений импульсов на регенерационных участках потери
в диэлектрике можно не учитывать.
5.6.3. Искажения импульсов
Воспользовавшись интегралом свертки и приведенными выраже-
ниями для h(q\) и g(qi), можно рассчитать форму импульса на вы-
ходе цепи Л С при произвольном входном воздействии. Для вход-
ных импульсов, имеющих сложную форму, расчет возможен толь-
ко с применением ЭВМ. Импульсы, имеющие простую форму (близ-
кую к прямоугольной или трапецеидальной), можно описать анали-
тически, в результате чего расчет искажения импульсов в НС зна-
чительно упрощается.
Импульсы с выхода регенератора ЦСП или импульсного генера-
тора проходят через соединительный (станционный) кабель. Поэто-
му для аналитического описания их формы удобно воспользоваться
функцией, описывающей переходную характеристику линии h(t), с
помощью которой, используя принцип наложения, несложно аппрок-
симировать с достаточной точностью реальный импульс:
uBX(t) = UKBX (erfc ±, - erfc ^J==) , (5.70)
где С//свх = KuUm\ f/BX — максимальное значение входного импуль-
са, В; Ки — поправочный коэффициент аппроксимации; tH — дли-
тельность импульса, с.
Для удобства использования выражения (5.70) в качестве ап-
проксимирующего перейдем к нормированному времени q = t/rsBx-

156
Глава 5
где т$вх = S2/4. В этом случае соотношение (5.70) примет вид
1
<(<?) = иКъ
( erfc —— —
V у/Я
erfc
у/Ч ~ <Ы.\
(5.71)
где <?и.вх = tH/T*
0,5м,
Рис. 5.13. Вид апроксимирующей
функции uBX(t) при различных зна-
чениях параметра 6 (Si < 62 < £3)
Параметр J характеризу-
ет длительность фронта входно-
го импульса. Изменение значе-
ния 6 и £и, можно аппроксимиро-
вать импульс произвольной дли-
тельности с любым временем на-
растания его фронтов (рис. 5.13).
Значение параметра 6 определя-
ется по времени нарастания
фронта аппроксимирующего им-
пульса. Воспользуемся време-
нем toj, соответствующим нарастанию фронта импульса от 0 до
0,7 своего максимального значения. В этом случае 6 = 0,53у^о,7>
соответственно t$BX = 0,07Шо,7- Поправочный коэффициент Кц
введен с целью уменьшения погрешности аппроксимации реальных
импульсов выражения (5.70) и рассчитывается по формуле Кц =
= l/erfc(l/0,7gH.BX). Значение функции erfc(l/0,7gH.Bx) определяется
из графика (см. рис. 5.12) или по таблице [20].
Аппроксимация входного воздействия функцией erfc(6/2\/i) зна-
чительно облегчает задачу анализа искажений импульсов в НС, так
как изображения этой функции по форме соответствует изображе-
нию передаточной функции цепи. Воздействию, описываемому вы-
ражением
uBX(t) = UBX erfc{6/2yA), (5.72)
соответствует изображение ивх(р) = UBXexp{-5/\/р))fp. Переходя от
изображения к оригиналу, с учетом 5.48 получаем
uBblx(qis) = UBXh(qu),
(5.73)
где h(qis) — нормализованная переходная характеристика цепи,
определяемая из соотношения (5.57), (5.60) или (5.63); qis =
= (* - t3l)/rs; т6 = (Ы + б)2/4 = (y/F + v^^)2-
При S = 0 и UBX = 1, что соответствует импульсу воздействия
вида l(t), UBblx(qi) = h(q\). На рис. 5.14 приведены рассчитанные
графики uBblx(qi) при различных значениях т$вх/т.
Аналогично можно записать выражения для расчета искажений

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 157
рис. 5.14. Нормализованные
кривые напряжения на выхо-
де линии передачи при воз-
действии на ее вход перепа-
да напряжения, описываемого
функцией erfc(l/v/q) при раз-
личных значениях т$вх/т
импульсов в линии, описываемых соотношением (5.70):
иВых(<ш) = U^x[h(qu) ~ h(qu) - h(qi& - ди<5)], (5.74)
где q^s = t„/rs.
Таким образом, расчет искажения импульсов в линии сводит-
ся к следующему.
1. Определяются по значениям параметров входного импульса
to j и UBX значения параметров нормирования tsbx — 0,0717£о,7; <7и.вх =
= Wt<5bX; Ки = l/erfc(l/0,7gH.Bx)-
2. Рассчитывается по формулам (5.55), (5.56) или находится из
табл. 5.1 постоянная времени цепи то и определяется г = tqI2.
3. Рассчитываются значения Ukb* = KuUBX и qHs = tK/rs-
4. С учетом соотношения (5.57) или (5.60), а для согласованной
цепи (5.63), графиков (см. рис. 5.12) или таблиц для h(q) рассчиты-
вается по формуле (5.74) с помощью принципа наложения нормали-
зованная форма импульса на выходе цепи.
5. Рассчитанные значения денормализуются: t\ = q\rs.
Основные параметры выходного импульса:
• при £и.вх < 0,05т£ длительность фронта £ф1 по уровню 0,1...0,9
составляет 0,28^; максимальное значение импульса Um&x =
= 0,231/т^; длительность импульса £и.вых по уровню 0,5 состав-
ляет 1,8т$;
• при £ивх > 4ts длительность фронта £ф по уровню 0...0,5 равна
4,2т$; по уровню 0,1...0,9 — 125т<$; максимальное значение им-
пульса f/max = f/^Bxerfc(l/gM.BX).
5.6.4. Искажение импульсов на участке
«кабель + корректор» ЦСП
Параметры передачи цепей кабелей связи на регенерационных
Участках ЦСП отличаются из-за различных факторов (технологиче-
ский разброс, температурное изменение и т.д.) от своих номинальных
0 20 40 60 80 ^

158
Глава 5
значений. Это приводит к искажению формы импульсов на участке
«кабель 4- корректор» (КК) и, следовательно, к увеличению меж-
символьных искажений. В связи с этим представляет практический
интерес оценка влияния отклонения параметров передачи цепей на
искажение формы импульсов на участке КК.
Передаточная функция участка КК выбирается из условий полу-
чения минимальных межсимвольных искажений. В настоящее вре-
мя нет единого решения относительно оптимальной формы сигна-
ла на выходе участка КК. Применяют различное математическое
описание формы сигнала: гауссовский импульс, синус-квадратный
импульс и т.д.
Примем, что импульс на выходе участка КК при номиналь-
ном значении коэффициента распространения цепи 7(р) имеет синус-
квадратную форму:
«ккЮ = < "° Sb2 nt/2T ПРИ ° < ' * 2Г; (5.75)
кки ^ п при t < О, t > 2Т, W ]
где Т — период следования импульсов линейного сигнала ЦСП.
Изображение импульса икк(^) имеет вид
*КК(Р) = UBX(p)KK!i6(p)KKop{p) = \U0 (£)' l^+l'^r (5'76)
где С/вх(р) — изображение входного импульса; KKSL^(p) = ехр[~7(р)] —
передаточная функция цепи кабеля; Ккор(р) — передаточная функ-
ция корректора.
Допустим, что коэффициент распространения цепи на регенера-
ционном участке отличается от номинального на А*у(р) = Aby/р +
+At3p. В этом случае изображение импульса на выходе участка КК
при условии и с учетом (5.76) принимает вид
Переходя от изображения к оригиналу, после громоздких пре-
образований получаем
икк(*) = ^о sin2 7Tt/2T - Au(t), (5.77)
где Au(t) = Цоу/:!^АЪ{^пж/Т[С{^Щт) - C(y/2t/T - 4)] +
+ cosict/T[S(y/2t/T - 4) - S(y/2t/f)]}; S(x) = /Qx sin f u2 du — синус-
интеграл Френеля; С(х) = f* cos ^u2 du — косинус-интеграл Фре-
неля. *,

Теория передачи по проводным направляющим системам связи 159
Из полученного соотношения следует, что межсимвольная поме-
ха от г-го импульса линейного сигнала, отстоящего на п тактовых
интервалов в момент принятия решения регенератором,
Аи(пТ) = U0tV'*/2TAbcos7r(n + l)[S{y/2(n + 1) - 4) - S(y/2(n + 1))],
где n = 0, 1, 2, 3.
Воспользовавшись данной формулой, можно рассчитать суммар-
ную величину межсимвольной помехи в момент принятия решения
регенератором для конкретного линейного сигнала ЦСП.
Контрольные вопросы
1. Назовите и поясните физический смысл первичных параметров пе-
редачи.
2. Назовите и поясните физический смысл вторичных параметров пе-
редачи.
3. Как изменяется волновое сопротивление в зависимости от частоты?
4. Как изменяются коэффициенты затухания и фазы в зависимости
от частоты?
5. Как изменяется скорость передачи в зависимости от частоты?
6. Что такое коэффициент отражения?
7. Что такое коэффициент бегущей волны и коэффициент стоячей
волны?
8. Что такое ZBX цепи?
9. Что такое рабочее затухание?
10. Поясните причины появления обратного и попутных потоков.
11. Назовите параметры временных характеристик направляющих си-
стем.
12. Какие факторы влияют на искажение формы импульсов, распро-
страняющихся по направляющим системам связи?

Глава 6
Параметры передачи проводных
направляющих систем
электросвязи
6.1. Коаксиальные кабели
6.1 Л. Электрические процессы в коаксиальных
цепях
Способность коаксиальной цепи (пары) пропускать широкий
спектр частот конструктивно обеспечивается коаксиальным распо-
ложением внутреннего и внешнего проводников. Особенности рас-
пространения электромагнитной энергии по коаксиальной паре обу-
словливают возможность передачи широкого спектра частот и ставят
высокочастотные связи в преимущественное положение по сравне-
нию с низкочастотными. Как будет показано ниже, взаимодействие
электромагнитных полей внутреннего и внешнего проводников коак-
сиальной пары таково, что внешнее поле равно нулю. Рассмотрим
раздельно электрическое и магнитное поля коаксиальной пары [17].
Результирующее магнитное поле
коаксиальной пары представлено на
рис. 6.1, где показаны также напря-
женности магнитного поля Н£ и #£
каждого проводника (а и Ь) в отдель-
ности. В металлической толще про-
водника а магнитное поле Н£ возрас-
тает, а вне его — уменьшается по за-
кону полного тока Я£ = //2ят, где
г — расстояние от центра проводни-
ка. Поле Н^ проводника Ь вне его вы-
ражается таким же уравнением, как
и для сплошного проводника: #£ =
= 7/27ГГ, где г — расстояние от цен-
тра полого проводника. Поэтому при
Рис. 6.1. Магнитное поле коак-
сиальной цепи: / — поле провод-
ника а; // — поле проводника 6;
/// — поле коаксиальной пары

Параметры передачи проводных НСЭ
161
определении внешних магнитных полей коаксиальной пары параметр
г для проводников а и b принимается одинаковым и исчисляется от
центра проводников (нулевой точки).
Учитывая, что токи в проводниках а и b равны по величине и
обратны по направлению, магнитные поля внутреннего и внешнего
проводников Н£ и Н^ в любой точке пространства вне коаксиаль-
ной пары также будут равны по величине и направлены в разные
стороны. Следовательно, результирующее магнитное поле вне ко-
аксиальной пары равно нулю:
Я^ = Я£ + Я£ = —- —=0.
Таким образом, силовые линии магнитного поля располагают-
ся внутри коаксиальной пары в виде концентрических окружностей;
вне коаксиальной пары магнитное поле отсутствует. Электрическое
поле внутри коаксиальной пары также замыкается по радиальным
направлениям между проводниками а и Ь, а за ее пределами рав-
но нулю.
На рис. 6.2 изображены электромагнитные поля коаксиальной и
симметричной цепей. Как видно из рисунка, электромагнитное поле
коаксиальной пары полностью замыкается внутри нее, а силовые ли-
нии электрического поля симметричной пары действуют на доволь-
но значительном от нее расстоянии. Отсутствие внешнего электро-
магнитного поля обусловливает основные достоинства коаксиальных
кабелей: широкий диапазон частот, большое число каналов, защи-
щенность от помех и возможность организации однокабельной связи.
В симметричных цепях из-за наличия внешнего электромагнитного
поля возникают вихревые токи в соседних цепях и окружающих ме-
таллических массах (свинцовой или алюминиевой оболочке, экране
и т.д.), и часть энергии рассеивается в виде потерь на тепло.
Рис. 6.2. Электромагнитное поле симметричной (а) и коаксиальной (б) цепей
6—5440

162
Глава 6
Магнитное поле
■*рез
Вихревые
токи / ,
Ток / при отсутствии
поверхностного эффекта
Рис. 6.3. Распределение плотности тока во внутреннем проводнике (поверх-
ностный эффект)
Рассмотрим действие поверхностного эффекта и эффекта бли-
зости в коаксиальных парах и определим характер распределения
плотности токов в проводниках при различных частотах.
Распределение плотности тока во внутреннем проводнике опре-
деляется лишь действием поверхностного эффекта (рис. 6.3). Сило-
вые линии внутреннего магнитного поля, пересекая толщу провод-
ника, наводят в нем вихревые токи, направленные по закону Ленца
против вращения рукоятки буравчика. Как показано на рис. 6.3,
вихревые токи /в т в центре проводника имеют направление, обрат-
ное движению основного тока, протекающего по проводнику, а на
периферии их направления совпадают.
В результате взаимодействия вихревых токов с основным про-
исходит такое перераспределение тока по сечению проводника, при
котором плотность его возрастает к поверхности проводника. Данное
явление, носящее название поверхностного эффекта, увеличивается
с возрастанием частоты тока, магнитной проницаемости, проводимо-
сти и диаметра проводника. При достаточно высокой частоте ток
протекает лишь по поверхности проводника, что вызывает увеличе-
ние его активного сопротивления.
Во внешнем проводнике плотность тока увеличивается в направ-
лении к ее внутренней поверхности. Это объясняется воздействием
поля внутреннего проводника. Если бы внутреннего проводника не
было, то переменный ток, проходя по внешнему проводнику, вслед-
ствие поверхностного эффекта вытеснялся бы на внешнюю поверх-
ность. При наличии внутреннего проводника плотность тока увели-
чивается на внутренней поверхности внешнего проводника.
Рассмотрим процесс перераспределения плотности тока во внеш-
нем проводнике б за счет воздействия поля внутреннего проводника
а. Как показано на рис. 6.4, переменное магнитное поле, создаваемое

Параметры передачи проводных НСЭ
163
Рис. 6.4. Распределение плотности тока Рис. в.5. Концентрация токов на
во внешнем проводнике взаимно обращенных друг к дру-
гу поверхностях проводников а и 6
током проводника а, наводит в металлической толще полого провод-
ника Ь вихревые токи /вт. На внутренней поверхности проводника Ь
вихревые токи совпадают по направлению с основным током (J+/B.T)>
а на наружной поверхности движутся против него (1 — 1в.Т). В резуль-
тате ток в проводнике перераспределяется таким образом, что его
плотность возрастает в направлении к внутренней поверхности. Сле-
довательно, токи в проводниках а и Ь как бы смещаются и концентри-
руются на взаимно обращенных поверхностях проводников (рис. 6.5).
Чем выше частота тока, тем сильнее эффект смещения тока на
внешнюю поверхность проводника а и внутреннюю поверхность про-
водника 6. По-другому поверхностный эффект можно объяснить как
проникновение электромагнитного поля в толщу проводника. При-
чем чем выше частота, тем меньше глубина проникновения поля в
металл. В результате энергия сосредоточивается внутри коаксиаль-
ного кабеля в диэлектрике, а проводники задают лишь направление
распространению волн электромагнитной энергии.
Мешающее электромагнитное поле высокой частоты, создавае-
мой соседними цепями передачи или другими источниками помех,
действуя на внешний проводник коаксиальной пары, также будет
распространяться не по всему сечению кабеля, а лишь по его наруж-
ной поверхности. Таким образом, внешний проводник коаксиальной
пары выполняет две функции: 1) является обратным проводником
Цепи передачи; 2) защищает (экранирует) передачу, ведущуюся по
кабелю, от мешающих влияний.
Из рис. 6.6 видно, что основной ток передачи концентрируется
на внутренней поверхности внешнего проводника, а ток помех — на
наружной стороне внешнего проводника. Как основной ток, так и
ток помех проникают в толщу проводника лишь на глубину, опреде-
ляемую коэффициентом вихревых токов. Причем чем выше частота,

164
Глава 6
тем больше отдаляются друг от друга
указанные токи и, следовательно, тем
лучше защищен кабель от действия
посторонних помех. Таким образом,
в отличие от всех других типов кабе-
лей, требующих для защиты от помех
специальных мер (симметрирования,
экранирования и т.д.), в коаксиальных
кабелях на высоких частотах это обес-
печивается самой их конструкцией.
Из изложенного следует, что основные преимущества коакси-
ального кабеля (малое затухание и высокая помехозащищенность)
особенно ярко проявляются в высокочастотной части передаваемого
спектра частот. При постоянном токе и на низких частотах, когда
ток практически проходит по всему сечению проводника, достоин-
ства этого кабеля пропадают. Больше того, коаксиальная цепь как
несимметричная относительно других цепей и земли (параметры ее
проводников а и b различны) в низком диапазоне частот по защищен-
ности от помех уступает симметричным кабелям.
Рабочий ток
Ток помех
Рис. 6.6. Рабочий ток и ток
помех в коаксиальной цепи
6.1.2. Электромагнитное поле коаксиальной цепи
Если коаксиальную пару расположить так, чтобы ее ось совпа-
дала с осью z, то электромагнитное поле вследствие цилиндриче-
ской симметрии не будет зависеть от координаты <р. Кроме того, по
физическим соображениям будет отсутствовать составляющая Hz —
напряженность магнитного поля по оси z. Также отсутствуют тан-
генциальная составляющая напряженности электрического поля Е^
и радиальная составляющая напряженности магнитного поля Нг.
Таким образом, применительно к
коаксиальной паре идеальной конструк-
ции действуют лишь три составляющие
электромагнитного поля: Er, Ez, H^
(рис. 6.7). В результате электромагнит-
ное поле коаксиальной пары определит-
ся следующими уравнениями:
дН{
Рис. 6.7. Составляющие
электромагнитного по-
ля коаксиальной цепи
dz
— = (<т + iu>ea)Er;
~^ + — = сг + га>га )EZ;
or г
дЕт dEz _ .
(6.1)
dz
дт

В этих уравнениях составляющие напряженности электромагнитно-
го поля зависят от двух переменных: гиг. Напряженность магнит-
ного поля коаксиальной пары содержит только одну составляющую
Я^. Это означает, что линии магнитной индукции располагаются
концентрически вокруг оси z.
Электрическое поле характеризуется двумя составляющими: ра-
диальной Ет и продольной Ez. Радиальная составляющая Ет обу-
словливается наличием тока смещения в диэлектрике /См и совпада-
ет по направлению с вектором плотности последнего. Продольная
составляющая Ez характеризует ток проводимости /Пр в проводни-
ках, направленных вдоль кабеля.
Для изучения явлений, происходящих в коаксиальной паре,
необходимо рассмотреть два процесса: распространение энергии
вдоль пары и поглощение ее проводниками (внутренним и внешним).
В первом случае энергия направлена вдоль оси г, а во втором —
внутрь проводников по составляющей г. Оба процесса оцениваются
и характеризуются с помощью теоремы Умова-Пойнтинга.
6.1.3. Передача энергии по идеальной
коаксиальной цепи
В данном разделе рассматривается передача энергии по коак-
сиальной паре идеальной конструкции, т.е. без учета потерь в про-
водниках. Движение энергии вдоль цепи подчинено закону Умова-
Пойнтинга, по которому вектор распространения энергии образует
с составляющими электрического Ег и магнитного Н^ полей пра-
вовинтовую систему:
г2тг
wz = / Егн;глр.
Jo
Энергия на пути своего движения встречает сопротивление сре-
ды Z2, которое математически выражается через отношение состав-
ляющих полей, образующих с вектором Пойнтинга право-винтовую
систему Zz = Ег/Нф. Таким образом, при рассмотрении процесса
распространения электромагнитной энергии вдоль коаксиальной па-
ры надлежит оперировать составляющими полей Ет и Я^, которые
связаны между собой следующими соотношениями:
—■£ = (а + 1шеъ)Ег; —^ = -шц^Н^. (6.2)
Здесь принято, что dEz/dr — 0, так как не учитываются продольная
составляющая поля и соответственно потери в проводниках.

166
Глава 6
Для установления распределения напряжения и тока вдоль про-
водников необходимо найти величины Ег и Н^> как функции пере-
менной z. Причем для составляющих полей в направлении оси z
действует экспоненциальный закон изменения, выражающийся ра-
венствами
Ег = Ег0е-^; Я„ = Я^е"7*, • (6.3)
где 7 — коэффициент распространения; Его и Н^о — начальные
составляющие векторов. Тогда первая производная функция при-
мет вид
£—7**---7*; Щ?—у*.-
Подставив эти значения в (6.2), найдем
7#у, = (<т + iuje^Er] jEr = iujfi^H^. (6.4)
Определим интересующие нас значения 7 и Zz. Перемножив вы-
ражения (6.4), получим 72 = iu;/2a(<7 + 1ше&). Соответственно
7 = y/iLJfJLa(<T + iu)€a). (6.5)
Поделив эти выражения, получим (Ег/Н<р)2 = ш/лл/(сг + ги;еа)
или, имея в виду, что Zz = Ег/Нф,
Zz = у/шцъ/^ + шел), (6.6)
где Zz — волновое сопротивление среды; 7 — коэффициент распро-
странения; //а, £а> <? — соответственно магнитная, диэлектрическая
проницаемости и проводимость среды.
Ранее было получено следующее выражение для волнового со-
противления окружающей среды: Zz = ETjH^. Для волнового со-
противления коаксиальной пары необходимо оперировать величина-
ми напряжения U между проводниками и тока I в проводниках:
ZB = U/L (6.7)
Напряжение между проводниками может быть определено как
линейный интеграл радиальной составляющей электрического поля
между проводниками:
U = Erdr. (6.8)
Из (6.4) имеем Er = (itu^/jjH^. Подставив сюда значение 7 и

Параметры передачи проводных НСЭ
167
имея в виду, что во закону полного тока Н^ = //2ят, получим
Тогда
Er= I iuJ^ 7 =ZZ J .
V о~ + шел 2nr z 2тгг'
J 2nr z 2п z Jr r 2n z га
Соответственно волновое сопротивление кабеля будет выражаться
следующей формулой:
I 2тг га 2ж у о + гшеа га
(6.9)
Первичные параметры R, L, С, G определим, используя приве-
денные в главе 5 соотношения: сопротивление Z = Д 4- гшЬ — /yZB и
проводимость Y = G + iujC = *y/ZB. Подставив значения 7 и ZB из
(6.5) и (6.9), получим выражение для полного сопротивления цепи:
Z = R + iujL = JiuuAo + iu;ae)-r-\ г^—In —,
27Г V cf + ги;£а га
или
Z = Я + iuL = iu>v>z— In —. (6.10)
27Г Га
Принимая сопротивление R = 0 (так как не учитывались потери
в проводниках кабеля), получим выражение для внешней межпро-
водниковой индуктивности коаксиального кабеля
L = £ln?- («.ID
27Г Га
Полная проводимость определяется в виде
V-r»a.,-,,^ 7 _ yWafr + wgft) (a + га;еа)2тг
г - G -f го>С = — - , , = Г . (ЬЛ2)
ZB / го;да 7 ^ rb \пЛ
V cr + го;еа 27Г га Га
Соответственно проводимость G = 2тга/1п(гъ/га) и емкость
С = 27rea/ln(r6/ra).
Таким образом, первичные параметры коаксиального кабеля
идеальной конструкции (без потерь в проводниках) имеют следую-
щие выражения:
Д = 0; L=^ln^; С = -Щ--, G = -^Ц. (6.13)
27Г r6 ln^r6/r0) \n(rb/ra)

168
Глава б
6.1.4. Передача энергии по коаксиальной цепи
с учетом потерь в проводниках
Выше рассматривался процесс распространения энергии по ко-
аксиальному кабелю идеальной конструкции без учета потерь в про-
водниках. В реальных условиях проводники имеют конечную прово-
димость и создают дополнительные потери энергии на джоулево теп-
ло. Эти потери могут быть учтены по закону Умова-Пойнтинга, ха-
рактеризующему радиальный поток энергии, направленный внутрь
коаксиального кабеля.
Для коаксиальной цепи с потерями
Z = R + iuL=— I ExH*rd<p, (6.14)
* Jo
где R — активное сопротивление проводника; L — внутренняя ин-
дуктивность проводника; Ez — продольная составляющая электри-
ческого поля; if* — тангенциальная составляющая магнитного поля
(сопряженное значение).
Таким образом, для нахождения параметров R и L коаксиаль-
ной пары необходимо определить значения Ez и Я* на поверхности
проводников, решив вышеприведенные уравнения Максвелла.
Полное сопротивление коаксиальной пары складывается из со-
противления внутреннего проводника Za = Ra + iuLa и сопротивле-
ния внешнего проводника 2ь = Rb = гиЬь- Кроме того, необходимо
учесть внешнюю межпроводниковую индуктивность.
Сопротивление внутреннего проводника может быть определе-
но как сопротивление одиночного проводника, так как электриче-
ское поле внешнего проводника никакого действия на внутренний
проводник не оказывает. Так как поле одиночного провода имеет
осевую симметрию, то dEz/dip = 0; d2Ez/dcp2 = 0. Тогда уравне-
ние примет вид
дЕг 1дЕя 2
"а-о" + —^~ = Ж'Ег. 6.15)
дгг г or
Решение данного уравнения выражается через цилиндрические
функции
Ez = AI0(Vikr) + BKo(Vikr), (6.16)
где А и В — постоянные интегрирования; /о и Ко — видоизмененные
цилиндрические функции нулевого порядка соответственно первого
и второго родов от комплексного аргумента. Характер изменения
функций от аргумента z = кг приведен на рис. 6.8.

Параметры передачи проводных НСЭ
169
При определении постоянных ин-
тегрирования Л и В исходим из того,
что напряженность поля Ez внутри про-
водника возрастет с увеличением ради-
уса г. Поэтому второй член уравнения
(6.16), уменьшающийся с увеличением
аргумента, не соответствует физике яв-
ления. Постоянная интегрирования В
принимается равной нулю и
Е2 = Alo(Vikr). (6.17)
к
ш
"Vn(z)
Ku.„(z)
z
Рис. 6.8. Характер из-
менения цилиндрических
функций первого (/) и второ-
го (К) родов от аргумента z
Для нахождения постоянной инте-
грирования А воспользуемся магнитной
составляющей поля Н^ и законом полного тока. На основании (6.1)
и (6.17) получим
Нр =
I dEz
гк
AIi(y/ikr),
tufa Or iujn&
где 1\ — функция Бесселя первого порядка первого рода.
Согласно закону полного тока тангенциальная составляющая
магнитного поля Н^ = 1/(2тгг), где / — ток иг — текущий ра-
диус проводника. Приравнивая правые части этих выражений при
г = го, получаем
/
А =
IU)IL&
2тгка y/ikh{y/ikr)'
Подставим А в выражение Ez и Н^. Тогда
/ \Ди>р& 10(уДкг)
Ez =
2тгга к h{VikraY
(6.18)
Полное сопротивление провода определится, если в (6.14) подста-
вить значения Ez и Н^ и провести соответствующие преобразования:
Za-Ra-\- iuLa =
\fik I Io{y/ikra)
(6.19)
а 2тгга I^yfikTaY
где Ra и La — сопротивление и индуктивность одиночного внутрен-
него проводника соответственно.
Для определения Ra и La обычно пользуются заранее рассчи-
танными таблицами функций F,G,H и Q для различных значений

170
Глава 6
Таблица 6.1
Kf
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
7
1 10
> 10,0
F(kr)
0
0,00033
0,00519
0,0258
0,0782
0,1756
0,318
0,492
0,678
0,862
1,042
1,743
2,799
4(v/2fcr - 1)
G(kr)
0
0,00098
0,01519
0,0691
0,1724
0,295
0,405
0,499
0,584
0,669
0,755
1,109
1,641
S(y/2kr - 1)
H(kr)
0
0,042
0,053
0,092
0,169
0,263
0,348
0,416
0,466
0,503
0,53
0,596
0,643
0,75
Q(kr)
1
0,9998 '
0,997 |
0,937
0,961
0,913
0,945
0,766
0,686
0,616
0,556
0,4
0,286
2y/2{kr) 1
кг (табл. 6.1). Сопротивление, Ом/км:
JRe = H0[l + F(fcr)], (6.20)
внутренняя индуктивность, Гн/км:
La = \fiQ(kr) . Ю-4, (6.21)
где Rq — сопротивление постоянному току одного километра про-
водника, Ом/км. Значения коэффициентов к и кг для различных
проводников приведены в табл. 6.2.
Для высоких частот, представляющих наибольший интерес для
коаксиального кабеля, формулы расчета Ra и La могут быть упроще-
ны. При большом значений аргумента, соответствующем ВЧ области
передачи (кга > 5), функции Бесселя можно разложить в асимпто-
тические ряды. Тогда
Za = Ra + гшЬа = + —т-. 6.22
2ттгаа 4ттг*<т
Таблица 6.2
Материал проводника
Медь
Алюминий
Сталь
к = y/CJ/iaCT, ММ 1
0,021v/7
0,0164v/J
0,075v/7
кг
0, OlObdy/J
0, Q0S2dy/J
0,0375dv/7

Параметры передачи проводных НСЭ
171
Пренебрегая вторым членом правой части ввиду его малости
и отделив действительную часть от мнимой (уД = 1/\/2 + г'1/\/2),
получаем
в.. А 1._'4ь. ,6.23)
47гг0сг 47гг0я
В пересчете на километр длины с учетом, что для меди //а =
= /i0 = 47г • 10~7 Гн/м и а = 57 • 106 Ом/м, для внутреннего медного
проводника коаксиального кабеля
Ra = (4,18v7/ra) • Ю-2; ^a = 6,66/(raу7) ■ Ю"3, (6.24)
где Ra, Ом/км, La, Гн/км, — сопротивление и индуктивность внут-
реннего проводника соответственно; г0 — радиус внутреннего про-
водника, мм.
Для нахождения параметров Яь и Ьь внешнего проводника могут
быть использованы ранее выведенные исходные уравнения
Е2 = Alo(Vikr) + BKoiVikr);
__ г dEz Vik[AT Г г (6-25)
Н^ = - — = \AIi(Vikr) - BKi(y/ikr)].
гшц oz гы/ia
Для определения постоянных интегрирования воспользуемся
граничными условиями на внутренней и внешней поверхностях внеш-
него проводника. На внутренней поверхности внешнего проводника
при г = гь магнитное поле по условию полного тока Н<р = 1/(2тггь)
будет
#„Ы = ^[М^уДкгь) - ВКг(у/1кгь)] = -^—.
На внешней поверхности проводника при г = гс магнитное по-
ле равно нулю, так как оно обусловлено равными, но противопо-
ложно направленными токами, текущими по внутреннему и внеш-
нему проводникам:
H^{rc) = ^L[Ah(yAkrc) - BKiiVikrc)] = 0.
Решая вышеприведенные уравнения с двумя неизвестными, опре-
деляем постоянные интегрирования А и В и соответственно состав-
ляющую поля Ея(гь).
Магнитная составляющая поля Н^(гь) = 1/2ттг. Подставив эти

172
Глава 6
соотношения в (6.14), получим
~ т> , . т >/** Io(y/ikrb)Ki(y/ikrc)-\-K0(Vikrb)Ii(y/ikrc)
Z& = lib -+- lUJbb = — 7= 7= 7= -p ,
2шьа Ii{yHkrc)Ki{y/ikrb) - Ki(y/ikrc)Ii{Vikrb)
(6.26)
y/ik /
или Zb — Rb + г^£ь = ~ cth v г/сД при /cr > 5. Тогда для ча-
27СГь<Т
стот свыше 60 кГц
Rb —
27ГГЬСГ
А: 4г6 + Д
71 " 8(г6 + Д)г6]
г >/2Ма
^6 =
Аттгьк
Пренебрегая последним членом и приводя значения Rb и L& к
одному километру кабеля, для внешнего проводника из меди имеем
Rb = (4,18>/7/гь) • ИГ2; L6 = 6,66/(rbv//) • ИГ3, (6.27)
где г*, — внутренний радиус внешнего проводника, мм.
Соответственно сопротивление коаксиальной пары, состоящее из
сопротивлений внутреннего (Ra) и внешнего (Я&) проводников, будет
Л = Яв + дь = ^*(Г1 + 1>)> (6.28)
или для медных проводников, Ом/км:
R = Ra + Rb= 4,18v/7(l/ra + 1/г6) • ИГ2. (6.29)
Для определения общей индуктивности коаксиального кабеля
необходимо знать кроме внутренней индуктивности проводников так-
же внешнюю межпроводниковую индуктивность Ьъш. Последняя обу-
словлена межпроводниковым магнитным потоком Ф и может быть
определена по ранее выведенной формуле (6.13):
Ьвш = [/Ха/(27г)]1п(гь/га).
Имея в виду, что /ха = /АоМг> где до = 47г • 10~7 Гн/м, полу-
чим окончательно, Гн/км:
£вш = 21п(гь/га).1(Г4. (6.30)
В результате общее сопротивление, Ом/км, и индуктивность,
Гн/км, коаксиального кабеля для высокочастотной области (от
60... 100 кГц и выше) будут
п п п уДк ( I 1 \
47R7 \Га ТЬ)

Параметры передачи проводных НСЭ
173
L — Lia -f- L\y Н~ Ьъш —
4пк
fl + lU21n^io-
\Га rbJ Га
(6.31)
для коаксиального кабеля из медных проводников
R = Ra + Rb = 4,18V? ( — + -)•10"2;
h — La ■+■ 1у5 Н" ^вш —
бб_
77
/ \Га ГЬ)
(6.32)
•10
-4.
для коаксиального кабеля из алюминиевых проводников
(6.33)
io-
B случае, если внутренний проводник медный, а внешний
алюминиевый,
д=Лд8^ + 5,4^Ун)-2;
\ га ть )
Y66,6 I 8M I 21пГ»
(6.34)
10"
Из приведенных формул следует, что при применении обоих алю-
миниевых проводников вместо медных сопротивление возрастает на
29 %, а при замене меди на алюминий только у внешнего провод-
ника сопротивление возрастает всего на 6 %. Последний вариант
предпочтительнее.
В области высоких частот внутренняя индуктивность проводни-
ков мала и индуктивность, Гн/км, коаксиального кабеля обусловли-
вается лишь внешней индуктивностью
L = LB
:21n(r6/ra)-10-
Электрическое сопротивление коаксиальной пары постоянному
току определяется по нижеприведенным формулам.
Электрическое сопротивление внутреннего проводника, Ом/км,
R = 4000p/7rd2, где d — диаметр проводника, мм; р — удельное со-
противление металла, Ом-мм2/м.
Электрическое сопротивление внешнего проводника, поверх ко-
торого наложено п стальных экранных лент, #ь = R}AR5/(RM + Д»),
где Дм = 1000pM/7r(D + Д)Д — сопротивление внешнего медного про-

174
Глава 6
водника, Ом/км; Я^ — 1000рэ/я"(£> + А + Аэ)Аэп — сопротивление
экрана, Ом/км; D — внутренний диаметр внешнего проводника, мм;
А — толщина ленты внешнего проводника, мм; Дэ — толщина экран-
ных лент, мм; п — число экранных лент; р — удельное сопротивление
металла, равное 0,0178 для меди марки МТ; 0,01724 для меди марки
ММ; 0,0282 для алюминия и 0,098 для стали.
6.1.5. Емкость и проводимость изоляции
коаксиальных цепей
В отличие от проводников, где имеются свободные электроны и
. действует ток проводимости /пр, в диэлектрике нет свободных элек-
тронов, а имеются ионы и связанные диполи. Под действием пере-
менного электромагнитного поля в диэлектрике происходят смеще-
ние диполей, их переориентация и поляризация.
Поляризацией называется смещение положительных и отрица-
тельных зарядов в диэлектрике под действием электрического поля.
Переменная поляризация обусловливает возникновение и действие
тока смещения (или емкостного тока) 1СМ и вызывает затраты энер-
гии на переориентацию диполей (потери в диэлектрике). Чем вы-
ше частота колебаний, тем сильнее токи смещения и больше потери.
При постоянном токе эти явления отсутствуют.
Явления в диэлектрике полностью характеризуются двумя па-
раметрами: емкостью С, определяющей способность поляризации и
величину токов смещения, и проводимостью G, определяющей ве-
личину потерь в диэлектрике. Емкость кабеля аналогична емкости
конденсатора, где роль обкладок выполняют проводники, а диэлек-
триком служит расположенный между ними изоляционный материал
или воздух. При определении емкости коаксиального кабеля учиты-
вают, что он аналогичен цилиндрическому конденсатору и его элек-
трическое поле создается двумя цилиндрическими поверхностями с
общей осью. Вследствие осевой симметрии напряженность электри-
ческого поля имеет равные потенциалы на определенном расстоя-
нии от центра кабеля.
Проводимость изоляции G может
быть определена как составляющая по-
терь в диэлектрике конденсатора, ем-
кость которого эквивалентна емкости
кабеля (рис. 6.9).
Проводимость изоляции и емкость
Рис. 6.9. К определению коаксиального кабеля могут быть рае-
проводимости изоляции считаны по формулам (6.13): емкость
■« »
7с С

Параметры передачи проводных НСЭ
175
Таблица 6.3
ГТип
кабеля
'2,6/9,5
2,6/9,5
1,2/4,6
2,1/9,7
5/18
Тип изоляции
Полиэтиленовая шайба
Полиэтиленовая спираль
Баллонно-полиэтиленовая
Пористо-полиэтиленовая
Кордельно-стирофлексная
вэ
1,13
1,1
1,22
1,5
1,19
Отно-
шение
vJVb
8,9
6
9
50
12
tg 6Э на частоте, МГц
1
0,5
0,4
1,2
2
0,7
5
0,5
0,4
1,3
3
0,8
10
0,7
0,5
1,5
3
1
60
0,8
0,6
1,2 |
С = 27геа/1п(гь/га), Ф/м; проводимость изоляции G — 2ксг/\п(гъ/га),
См/м. Обычно принято проводимость изоляции G выражать через
тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции кабеля: tg<J =
= С/шС = сг/и>Еа. Тогда G = [27r/ln(rb/ra)]u>£:atg£ = uCtgS.
Заменяя в выражении емкости еа = £о£г, получаем для 1 км
кабеля (где е0 = 10-9/(36тг), Ф/м)
С = ег • 10-6/[181n(r-6/ra)]; (6.35)
G = uCtgS, (6.36)
где sr и tgS — диэлектрическая проницаемость и тангенс угла ди-
электрических потерь изоляции соответственно. Эффективные зна-
чения еэ и tgo*3 комбинированной изоляции, применяемой в коакси-
альных кабелях, приведены в табл. 6.3.
В общем виде кроме проводимости изоляции, обусловленной ди-
электрическими потерями (?, необходимо учитывать также проводи-
мость, обусловленную утечкой тока в силу несовершенства изоля-
ции: G = 1/Диз- По величине эта проводимость изоляции обратно
пропорциональна сопротивлению изоляции кабеля. В коаксиальных
кабелях RH3 нормируется величиной 10 000 МОмкм. Таким образом,
проводимость изоляции коаксиального кабеля Go = 1/Яиз + сс?С tg 5,
См/км. По абсолютной величине в используемом диапазоне частот
второй член существенно больше первого, поэтому 1/Лиз можно не
учитывать.
Проанализируем полученные результаты и рассмотрим зависи-
мости первичных параметров коаксиального кабеля.
На рис. 6.10 приведены частотные зависимости параметров коак-
сиального кабеля. Из рисунка видно, что с ростом частоты активное
сопротивление закономерно возрастает за счет поверхностного эф-
фекта. Причем наибольшее удельное значение имеет сопротивление
внУтреннего проводника: величина Ra больше Ль в 3...4 раза. Ин-
дуктивность с увеличением частоты уменьшается. Это обусловлено

176
Глава 6
R,L,C,Gk
f, кГц
Рис. 6.10. Типовые частотные зависимости
первичных параметров коаксиальной цепи
L,C,G
Рис. 6.11. Изменение первичных
параметров в зависимости от со-
отношения диаметров проводни-
ков коаксиальной цепи
уменьшением внутренней индуктивности проводников La и Ьь за счет
поверхностного эффекта. Внешняя индуктивность Ьъш не меняется с
изменением частоты. Емкость не зависит от частоты. Проводимость
изоляции с ростом частоты линейно возрастает. Величина ее зависит
в первую очередь от качества диэлектрика, используемого в кабеле
и характеризуемого величиной угла диэлектрических потерь tg 8.
На рис. 6.11 показано изменение первичных параметров с увели-
чением соотношения радиусов внешнего и внутреннего проводников
коаксиального кабеля. Из рисунка видно, что с увеличением отно-
шения гь/га возрастает индуктивность кабеля и снижаются емкость
и проводимость изоляции.
Активное сопротивление R зависит не от соотношения гъ/га, а от
абсолютных значений радиусов внешнего и внутреннего проводников.
Чем толще проводники, тем меньше активное сопротивление.
6.1.6. Вторичные параметры передачи
коаксиальных цепей
Коаксиальные кабели практически используются в спектре ча-
стот от 60 кГц и выше, где R <C u>L и G <С иС. Поэтому их вто-
ричные параметры передачи рассчитываются по следующим упро-
щенным формулам:
OL — &м + OLjj =
С G !Т\
L+2Vc)'
8,69;
(6.37)
0 = шу/ТС; ZB = y/L/C; v = l/VbC,
где aM — коэффициент затухания вследствие потерь в металле; ад
коэффициент затухания вследствие потерь в диэлектрике.

Параметры передачи проводных НСЭ
\11
Однако вторичные параметры передачи коаксиальных кабелей
целесообразно выражать непосредственно через габаритные размеры
(d и D) и параметры изоляции (е и tgS).
Коэффициент затухания а, дБ/км, находится при подстанов-
ке в формулу первичных параметров. Для кабеля с медными про-
водниками получим
ol = ам +
2fiVJTr /1 1\ 3 .
9,08
v^tgiS-10-
(6.38)
При замене медных проводников на алюминиевые затухание воз-
растает пропорционально соотношению активных сопротивлений или
соответственно обратно пропорционально корню квадратному из про-
ста Ra /5~ / 57-10*
водимостей металлов — = —— — \ — = -'
ОСъл Ям V СГа
,зз)9.106=1'29'те-за-
тухание коаксиального кабеля с алюминиевыми проводниками боль-
ше, чем с медными, на 29 %.
При замене только внешнего проводника на алюминиевый зату-
«ма #ма л , \/^м/сГа ~ 1 „
хание возрастает в соотношении = —— = 14- — ; . При
(Ум RM 1 + гь/га
соотношении радиусов проводников гь/га = 3,6 получим амл/ам =
= RMSL/RM = 1,06, т.е. затухание кабеля возрастает всего на 6 %.
Изложенное дает основание сделать вывод о целесообразности
применения коаксиальных кабелей с внешним алюминиевым провод-
ником. В этом случае затухание увеличивается всего на 6 %, а расход
меди на изготовление коаксиального кабеля сокращается на 65 %.
Потери в металле ам изменяются пропорционально >/7» а потери
в диэлектрике ад связаны с частотой линейным законом и с уве-
личением / возрастают значительно быстрее
(рис. 6.12).
При использовании высококачественных
диэлектриков (с малым tgS) можно добить-
ся в определенном частотном диапазоне очень
малых диэлектрических потерь и положить
о;д = 0. При очень высоких частотах они на-
столько возрастут, что величина ад будет иг-
рать значительную роль в общем затухании
кабеля. В практически используемом спек-
тре частот передачи по коаксиальным кабе-
лям (до 60-106 Гц) при современных кабель-
ных диэлектриках величина аД незначитель-
на,
Рис. 6.12. Частот-
ная зависимость
составляющих ко-
эффициента затуха-
ния: ам — в металле;
Од — в диэлектрике

178
Глава 6
на (не превышает 2...3 % ам) и затухание увеличивается примерно
пропорционально y/J.
Коэффициент фазы /?, рад/км, коаксиальной пары определяется
из уравнения /3 = шу/LC. Подставляя сюда значения L и С, получаем
0 = ojy/JT&eZ. Коэффициент фазы можно выразить также через ег и
/3 = ujy/er/c, рад/км, где с — скорость света, равная 300000 км/с.
Скорость распространения v, км/с, электромагнитной энергии
по коаксиальным парам
v = 1/VLC = и IP = с/у/Гг. (6.39)
Коэффициент сдвига фаз определяет длину волны в кабеле:
Ак = 2тг/0 = v/f = c/(f/y/rr). (6.40)
Из приведенных формул видно, что коэффициент фазы возрас-
тает с увеличением частоты прямолинейно. Это обусловливает по-
чти полное постоянство скорости передачи энергии по коаксиаль-
ному кабелю во всем рассматриваемом спектре частот. Скорость
передачи уменьшается с увеличением диэлектрической проницаемо-
сти. Так, при сплошной полиэтиленовой изоляции (ег = 2,3) v =
= 200000 км/с, а при воздушно-комбинированной изоляции коакси-
альной пары (ег = 1,1) v = 285000 км/с.
Скорость передачи энергии по коаксиальным парам выше, чем по
симметричным, и почти приближается к скорости распространения
электромагнитных волн в воздухе (300000 км/с).
Волновое сопротивление ZB, Ом, коаксиальной пары для высо-
ких частот определяется выражением
b-Je-hJt1*! "л" *-sz«ta£ <M1>
где £д = y/fib/бъ — волновое сопротивление диэлектрика.
Имея в виду, что да = Мо/^г иеа = £o£V, где fio = 4п • Ю-7, Гн/м,
и во = 10~9/Зб7г, Ф/м, получаем
1 HZ D
Z* = 7TZ°\ —lnT'
2-тг V er a
где Zq = y/fio/so = 376 Ом — волновое сопротивление воздушного
пространства. Для среды /ir = 1 получим
Z. = ^h4 (6.42)

Параметры передачи проводных НСЭ
179
В коаксиальных парах со сплошным диэлектриком (ег = 2,3)
ZB = 50 Ом, а при комбинированной изоляции (ег = 1,1) волновое
сопротивление составляет примерно 75 Ом.
6.1.7. Оптимальные соотношения диаметров
проводников коаксиальной цепи
Конструирование коаксиальной пары подчинено задаче создания
оптимальной ее конструкции, требующей минимальных затрат ма-
териалов и средств на изготовление. При этом в первую очередь
необходимо выбрать диаметры внутреннего и внешнего проводников
кабеля и установить их соотношение при заданном диаметре внеш-
него проводника.
Коэффициент затухания а, дБ/км, коаксиального кабеля с со-
временным высококачественным диэлектриком в практически ис-
пользуемом спектре частот (до 60 МГц) может быть определен по
следующей формуле (без потерь в диэлектрике):
2,6у/]Тг{1 , П 1П_3 ,ллъ
Выразим соотношение D/d через х. Из данного выражения сле-
дует, что с увеличением х его числитель растет линейно, а знамена-
тель пропорционален логарифму отношения диаметров. Исследовав
данную формулу на минимум затухания при постоянном значении D
в зависимости от х, т.е. взяв первую производную от правой части
уравнения (6.43) по х и приравняв ее к нулю (да/дх = 0), полу-
чим, что а минимально при соотношении ln(D/d) = 1 + d/D, Та-
ким образом, оптимальная конструкция кабеля будет при D/d = 3,6.
Это соотношение справедливо для кабелей с одинаковыми (медны-
ми) проводниками. Если же проводники изготовлены из различных
металлов, то минимальное затухание определяется из выражения
где сг<* и а о — соответственно проводимости металлов внешнего и
внутреннего проводников.
Оптимальные соотношения D/d для различных металлов внеш-
него проводника приведены на рис. 6.13, причем во всех случаях при-
нято, что внутренний проводник изготовлен из меди, а внешний — из
материала, указанного на рисунке. Из рис. 6.13 видно, что нарушение
оптимального соотношения в меньшую сторону связано с довольно
резким возрастанием коэффициента затухания. Поэтому выбирают
отклонение соотношения D/d лишь в несколько большую сторону.
(6.44)

180
Глава 6
а А
3,6 3,9 5,2
15 Did
Рис. 6.13. Характер изменения затухания
коаксиальных цепей с проводниками из раз-
личных металлов (1 — свинец; 2 — алюми-
ний; 3 — медь) в зависимости от соотноше-
ния диаметров проводников
£г
ZB, Ом
1,03
75
1,15
67
Таблица 6.4
1,25
61
1,45
53
1,54)
50 |
J Sr
\D/d
1,0
3,5
1Д
3,7
1,2
3,9
1,3
4,2
Таблица 6.5
1,4
4,36
1,5
4,5
2,3
6,8
При конструировании коаксиального кабеля приходится отсту-
пать от оптимального соотношения D/d, если величина волнового
сопротивления кабеля строго нормирована. Например, для обеспе-
чения ZB = 75 От данное соотношение определяется по формуле
D/d = exp(ZBV/W60).
В табл. 6.4 приведены значения ZB в зависимости от ег при
D/d = 3,6. Из таблицы следует, что волновое сопротивление кабеля
существенно зависит от величины диэлектрической проницаемости
и для получения нормированной величины ZB = 75 Ом необходи-
мо иметь воздушно-пластмассовую изоляцию с малым содержанием
диэлектрика (ег = 1,03).
В табл. 6.5 дается соотношение между ег и D/d при нормиро-
ванной величине волнового сопротивления ZB = 75 Ом. Из данных
таблицы следует, что при повышенных значениях ег приходится от-
ступать от оптимальной конструкции кабеля. Так, при ег = 1,1 при-
ходится принять соотношение D/d = 3,7.
Для коаксиального кабеля с медными проводниками при опти-
мальном отношении D/d коэффициент затухания а, дБ/км, опре-
деляется по формуле
а = ам =21fiy/fer/D-10
л-з
(6.45)
из которой следует, что коэффициент затухания увеличивается с ро-
стом величин / и ег и резко уменьшается с увеличением диаметра
внешнего проводника D.
Если по кабелю необходимо обеспечить передачу большой мощ-
ности или требуется кабель на максимальное напряжение, то опти-
мальная конструкция будет при другом соотношении D и d. Опти-
мальная конструкция кабеля по электрической прочности находится

Параметры передачи проводных НСЭ 181
Таблица 6.6
ГБлГ
3,6
2,718
1,65
ZB = y/L/C
76,6/у^
59,9/^
зо/v^:
Свойства конструкции
Минимум затухания
Максимум электрической прочности на пробой
Максимум передаваемой мощности
из условия \n(D/d) = 1, или D/d = е = 2,718. Максимальная мощ-
ность может быть передана по кабелю при соотношении диаметров
проводников ln(D/d) — 1/2, или D/d = 1,65. Очевидно, что для
междугородных кабелей связи, по которым необходимо обеспечить
наибольшую дальность связи, исходят из условия оптимального по
затуханию соотношения D/d = 3,6 с учетом получения нормирован-
ной величины ZB = 75 Ом.
Условия максимальной мощности или электрической прочности
обычно реализуются в коаксиальных радиочастотных кабелях фи-
дерного назначения.
В табл. 6.6 приведены значения волновых сопротивлений и опти-
мальное соотношение внешнего и внутреннего проводников коакси-
альных пар, определяющие преимущества различных конструкций.
6.1.8. Конструктивные неоднородности
в коаксиальных кабелях
При изготовлении кабеля неизбежно возникает деформация в ви-
де эксцентриситета в расположении проводников, нарушения их фор-
мы, постоянства взаимного расположения и т.д. В результате изме-
няются параметры кабеля, и он перестает быть однородным по длине.
Различают неоднородности внутренние — в пределах строитель-
ной длины кабеля — и стыковые, обусловленные различием характе-
ристик сопрягаемых строительных длин. Стыковые неоднородности,
как правило, превышают внутренние. Имеются также неоднородно-
сти за счет отражения от аппаратуры. Неоднородность кабеля сказы-
вается главным образом на волновом сопротивлении кабеля, величи-
на которого на участках неоднородности отличается от номинальной.
Неоднородности цепи учитываются через коэффициент отраже-
ния
р=^ттв = ж^ (646)
где ZB и Zg — волновые сопротивления соседних неоднородных
участков кабеля; AZB — отклонение волнового сопротивления
Д^в = 2pZB.

182
Глава 6
Волновое сопротивление кабеля ZB = 60/\n(D/d)y/i^, Ом, и за-
висит от трех параметров: er, d, D. Имея в виду, что неоднородность
величин Ad, AD, Ае сравнительно невелика, отклонение волново-
го сопротивления от среднего значения (волнистость) может быть
выражено выражением
60 (AD Ad Де- D\ ._Л
*Z° = Wr\-D-^-^lnV- (647)
Наибольшее влияние на колебания волнового сопротивления
оказывают отклонения размеров внешнего проводника и неоднород-
ность изолирующих материалов, вызывающая колебания величины
диэлектрической проницаемости. Внутренний проводник, представ-
ляющий собой сплошную проволоку, может быть изготовлен с боль-
шой точностью.
Реальный коаксиальный кабель можно рассматривать как неод-
нородную цепь, составленную из отдельных участков. Электромаг-
нитная волна, распространяясь по такому кабелю и встречая на сво-
ем пути неоднородность, частично отражается от нее и возвращается
к началу линии. При наличии нескольких неоднородных участков
волна претерпевает серию частичных отражений и, циркулируя по
линии, вызывает дополнительное затухание и искажение характе-
ристик цепи.
Как показано выше, неоднородности в кабеле приводят к появ-
лению в цепи двух дополнительных потоков энергии: обратного, со-
стоящего из суммы элементарных отраженных волн в местах неодно-
родностей и движущегося к началу цепи, и попутного, возникающе-
го по закону двойных отражений вследствие того, что первоначально
отраженные волны, движущиеся к началу цепи, встречая места неод-
нородностей, частично отражаются и направляются к концу линии.
Обратный поток приводит к колебаниям величины входного со-
противления кабеля ZBX, т.е. характеристика ZBX становится волно-
образной. Это затрудняет согласование кабеля с аппаратурой на кон-
цах линий и приводит к искажениям в цепи передачи. Попутный по-
ток искажает форму передаваемого сигнала и также создает помехи
в передаче. Особенно страдает из-за этого качество телевизионной
передачи, для которой фазовое соотношение передаваемых и прини-
маемых сигналов является решающим фактором. Для нормальной
передачи телевизионных сигналов величина попутного потока долж-
на составлять не более 1 % основного.
Высококачественная телефонная связь требует отсутствия ам-
плитудных искажений в цепи передачи и в первую очередь — по-
стоянства ZB.

Zbx,°mI 1 1 1 1
7fi
JIM
«■■■■■■■и
IIИ M J1H1II iff 1111ГГТГГП p 1111H m 1111111
74—n———
Норма
75±0,45 Ом
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 /, км
Рис. 6.14. Изменение входного сопротивления неоднородной коаксиальной
цепи в зависимости от ее длины
Для обеспечения требуемого качества связи и телевизионной пе-
редачи по коаксиальному кабелю необходимо, чтобы отклонение вол-
нового сопротивления AZB, обусловленное отражениями, не превы-
шало ±0,45 Ом, что соответствует коэффициенту отражения 3 %.
На рис. 6.14 показано изменение входного сопротивления неод-
нородного кабеля в зависимости от его длины, измеренное импульс-
ным методом. Здесь же указана допустимая норма неоднородностей
AZB = ±0,45 Ом. Из рисунка видно, что величина ZBX сложно ме-
няется относительно ZB = 75 Ом и в четырех точках значения ZBX
выше нормы. Частотная зависимость входного сопротивления неод-
нородного коаксиального кабеля также будет иметь сложный коле-
бательный характер вокруг величины ZB = 75 Ом.
Расчет попутного потока, возникающего на длине усилительного
участка коаксиального кабеля за счет внутренних и стыковых неод-
нородностей, ведется соответственно по формулам
|?.|3 =
2 _
7aL] \qc\2 =
324(Д/)2а2
Результирующий попутный поток
^4
324(Д/)2а2
2n(l-e-4Qi).
Ы1
р
;[aL + 2n(l-e~4al)].
(6.48)
324(Д/)2а2 [
В этих формулах р — коэффициент отражения; Д/ — расстояние
между неоднородностями; а — коэффициент затухания кабельной
цепи; I — строительная длина кабеля; L — длина усилительно-
го участка; п — число строительных длин кабеля на усилитель-
ном участке.
Из приведенных уравнений следует, что попутный поток обуслов-
лен в первую очередь отклонением волнового сопротивления кабеля,
причем попутный поток за счет внутренних неоднородностей прямо

184
Глава 6
пропорционален длине кабельной линии, а за счет стыковых неод-
нородностей — числу строительных длин кабеля. Следовательно,
попутный поток особенно проявляется на длинных кабельных лини-
ях при аналоговой передаче (частотное разделение каналов). Для
цифровых систем передачи попутный поток лимитируется длиной
регенерационного участка.
С целью повышения однородности электрических характеристик
коаксиальных магистралей производится специальное группирова-
ние строительных длин кабелей перед прокладкой с таким расче-
том, чтобы отклонение волнового сопротивления двух смежных стро-
ительных длин не превышало 0,3 Ом. При этом строительные длины
располагают так, чтобы величины волнового сопротивления посте-
пенно нарастали от начала усилительного участка к его середине
и спадали от середины к концу. На входе в усилительный пункт
прокладывают строительные длины с номинальным волновым со-
противлением 75 Ом.
Неоднородности коаксиальных кабелей в настоящее время ис-
следуются и измеряются преимущественно импульсным методом с
помощью импульсных приборов большой чувствительности, которые
позволяют наблюдать на экране степень однородности волнового со-
противления кабеля по его длине и устанавливать место и харак-
тер повреждения.
6.2, Симметричные кабели
6.2.1. Электрические процессы в симметричных
цепях
Электромагнитное поле симметричной цепи показано на рис. 6.2.
В отличие от коаксиального кабеля, не имеющего внешнего поля, в
симметричной цепи поле открытое, действующее на значительном
расстоянии.
Под действием переменного поля происходит перераспределение
электромагнитной энергии по сечению проводников, при этом наблю-
даются следующие явления: поверхностный эффект, эффект близо-
сти соседних проводников, воздействие на параметры цепи окружа-
ющих металлических масс (соседних проводников, экрана, брони).
В симметричных кабельных цепях действуют все три фактора одно-
временно. В коаксиальных кабелях, являющихся закрытой систе-
мой, не учитывается действие окружающих металлических масс.
За счет указанных явлений происходит перераспределение элек-
тромагнитного поля и изменяются параметры цепей. Активное со-

Параметры передачи проводных НСЭ
185
Без учета
екта близости
Рис. 6.15. Эффект близо-
сти в симметричной цепи
противление R и емкость С возрастают, индуктивность L уменьша-
ется. Наиболее существенно возрастет сопротивление цепи:
R = Ro + ЯПЭ + R3 б + RM,
где Ro — сопротивление постоянному току; Дп.э — сопротивление
за счет поверхности эффекта; R3^ — сопротивление за счет эффек-
та близости; RM — сопротивление, обусловленное потерями в окру-
жающих металлических массах.
Поверхностный эффект был рассмотрен в разд. 6.1.
Эффект близости связан с
взаимодействием внешних полей.
Как видно из рис. 6.15, внешнее
поле Н проводника а, пересекая
толщину проводника 6, наводит в
нем вихревые токи. На поверхно-
сти проводника Ь, обращенной к
проводнику а, они совпадают по
направлению с протекающим по
нему основным током (I + /в.т)-
На противоположной поверхности
проводника b они направлены на-
встречу основному току (7 — /в.т)- Аналогичное перераспределение
токов происходит в проводнике а.
При взаимодействии вихревых токов с основным плотность ре-
зультирующего тока на обращенных друг к другу поверхностях про-
водников а и Ъ увеличивается, а на отдаленных — уменьшается. Это
явление («сближение» токов в проводниках а и Ь) носит название
эффекта близости. Из-за неравномерного распределения плотности
тока увеличивается активное сопротивление цепи переменному току.
Эффект близости также прямо пропорционален частоте, магнит-
ной проницаемости, проводимости и диаметру проводника и, кроме
того, зависит от расстояния между проводниками. С уменьшением
этого расстояния действие эффекта близости возрастает в квадра-
те. Если по двум соседним проводникам токи проходят в одном на-
правлении, то перераспределение их плотности из-за взаимодействия
внешних электромагнитных полей приводит к увеличению плотности
токов на взаимно отдаленных поверхностях проводников а и Ъ.
На рис. 6.16 показано распределение плотности токов в провод-
никах симметричной цепи, когда токи в проводниках а и Ь направле-
ны противоположно и когда они направлены в одну сторону.
Теперь рассмотрим, как воздействуют на параметры цепи окру-
ъсающие металлические массы.

186
Глава 6
WW
©® 0©
Рис. 6.16. Распределение плотно- Рис. 6.17. Вихревые токи в окружаю-
сти тока в проводниках симметрии- щей металлической оболочке кабеля
ной цепи
Магнитное поле Я, создаваемое током, протекающим по прово-
дам цепи, наводит вихревые токи /вт в соседних проводниках ка-
беля, окружающем экране, металлической оболочке и броне и т.д.
(рис. 6.17). Проходя по металлическим частям кабеля, они нагрева-
ют их и создают дополнительные тепловые энергии. Другими сло-
вами, происходит как бы «отсасывание» некоторой доли передавае-
мой энергии, причем наиболее воздействуют близко расположенные
к рассматриваемой цепи металлические части кабеля. Кроме того,
вихревые токи создают поле обратного действия, которое воздейству-
ет на проводники цепи и изменяет их параметры.
6.2.2. Передача энергии по идеальной симметричной
цепи
Рассмотрим процесс передачи энергии по симметричной цепи
идеальной конструкции, т.е. не имеющей потерь в проводниках и без
учета взаимодействия электромагнитных полей проводников.
Располагая цепь вдоль оси, можем воспользоваться теоремой
Умова-Пойнтинга, по которой продольная составляющая вектора
Пойнтинга образует с составляющими электрического Ет и магнит-
ного Ну полей правовинтовую систему:
Wz= Г ЕгЩг&р. (6.49)
Jo
Значения Ет и Н^ определяются следующим образом:
dH^/dz = (а + iuj£a)Er; dEr/dz = -iu^H^ (6.50)
Здесь принято, что dEz/dr = 0, т.е. не учитываются потери в про-
водниках. Тогда, имея в виду экспоненциальный закон изменения
составляющих Е и Н вдоль цепи, Ет — Er^~lz и Н^ = Я^ое-7*,

Параметры передачи проводных НСЭ
187
получим
7Я^ = (<т + {ше&)Ег; ^Er = iu^H^. (6.51)
Интересующее нас значение коэффициента распространения 7
определится в результате перемножения выражений (6.51):
72 = гы/ха(сг + го7£а)) или 7 = у/шц&{а + iu>e&). (6.52)
Поделив выражения (6.51), получим (Ег/Н^)2 = ги)ц&/(а + гс^£а)
или волновое сопротивление среды в продольном направлении
Zz = Ег/Нф = y/iujfia/icr + гы£а). (6.53)
Для определения волнового сопротивления симметричной цепи
необходимо оперировать значениями напряжения между проводни-
ками С/ и тока в проводниках /, т.е. ZB = U/I. Напряжение между
проводниками может быть определено по формуле U = f*~r Er dr,
где г — радиус проводника; а — расстояние между проводниками.
Из (6.51) имеем Ет = (шц^/^Ну. Подставляя сюда значение 7
и имея в виду, что по закону полного тока Н^ = //2ят, получим
/ iu
iUfjLa, I
Тогда напряжение между проводниками
/ / iujfia fa r dr _ I I iufj,a a — r
7Г V a + iuj£a Jr г 7Г V 0 + 2u;£a r
Соответственно волновое сопротивление
~ U I I iuml , а-г /Л^.Ч
ZB = - = -л/ ^_7а In . (6.54)
Без учета потерь в изоляции {а = 0)
7Г
Имея в виду, что //а = 4л- • 10~7/ir и £а = (10~9/Зб7г)б:г, полу-
чим известную формулу расчета волнового сопротивления симмет-
ричной цепи:
ZB = (120/у/Гг) 1п[(о - г)/г]. (6.55)
Первичные параметры симметричной цепи Л, L, С, G без потерь
определим, используя приведенные в гл. 5 соотношения
7^в = R + *^L и 7/^в = G + га;С.

188
Глава 6
Тогда получим R + iuL = (iuf^/n) ln[(a - r)/r], следовательно,
Л = 0; L=^ln(^); G + i,C = >, * + ^»,■ (6.56)
7Г V ^ / ln[(a — r)r\
В результате
G = Т-Г, г-г; С = —г-—^-r^r. (6.57)
ln[(a — r)rj ln[(a - r)rj
6.2.3. Передача энергии по симметричной цепи
с учетом потерь
Выше рассмотрена идеализированная симметричная цепь без по-
терь в проводниках. В реальных условиях кабельные проводники
имеют конечные значения проводимости, а следовательно, и тепло-
вые потери на вихревые токи. Для определения параметров симмет-
ричной цепи с потерями необходимо знать составляющие Ez и Н^.
Они определяют энергию, поглощаемую проводником из окружаю-
щего пространства. Мощность потока энергии поглощения для ци-
линдрического проводника выражается через уравнение Пойнтинга:
j ,2тг
Z = R + iuL=-t EzH*rdtp, (6.58)
1 Jo
где R — активное сопротивление проводника; L — внутренняя его ин-
дуктивность; Ez — продольная составляющая электрического поля;
Н£ — сопряженное значение тангенциальной составляющей магнит-
ного поля; г — радиус проводника.
Для определения Ег и Н^ симметричной цепи используются ра-
нее приведенные уравнения Максвелла в дифференциальной форме
для цилиндрической системы координат. Если выбрать систему ко-
ординат так, чтобы ось z совпадала с осью проводника, то три со-
ставляющие поля Er, E<p, Hz будут отсутствовать, а остальные три
могут быть определены из следующих уравнений:
IdEz . dEz
дН,п Ни> I дНг , х
or г г д(р
Дифференциальное уравнение второго порядка относительно ос-
нования формулы (6.11) имеет вид
d2Ez 1 dEz l d2Ez _ (k\Ez для проводников; ( .
дг2 г дг г2 dip2 ~~ \ k'^Ez для диэлектрика.

Параметры передачи проводных НСЭ
189
Имея в виду частотную область работы симметричных цепей,
можно решать задачу в квазистационарном режиме, т.е. без уче-
та токов смещения. Тогда для изоляции правая часть уравнения
£2 = (ги;)2/ха£а — 0. Решая (6.60), находим составляющую Ez. Со-
ставляющую Ну определяем из ранее приведенного выражения:
го;//а or
В симметричных кабелях, в отличие от коаксиальных, нет сим-
метрии в расположении электромагнитного поля вокруг проводни-
ка, т.е. необходимо учитывать изменение поля по тангенциальной
составляющей (d2Ez/d(p2 ф 0). Это выражение характеризует ис-
кажение поля и соответственно действие эффекта близости между
проводниками.
Решение приведенного выше дифференциального уравнения для
металла имеет следующий вид:
Ez — [AnIn(y/ikr) + BnKn(Vikr)](Cn cosn<p + Dn sinn</?), (6.61)
где In и Kn — модифицированные цилиндрические функции первого
и второго родов п-го порядка; А, В, С, D — постоянные интегриро-
вания; к = y/ujfiacr — коэффициент потерь для металла.
Поскольку поле внутри проводника возрастает от центра к пе-
риферии, а функция Кп имеет падающий характер с увеличением
аргумента, необходимо принять, что В = 0. В силу симметрично-
го расположения проводников относительно горизонтальной оси, от
которой ведется отсчет угла <р, нечетная функция smmp отсутству-
ет, поэтому Dn = 0. Имея в виду наличие п составляющих поля,
находим составляющую Ez для проводников:
оо
Ez — 2_. AnIn(Vikr) cos n<p.
71=0
Соответственно составляющая магнитного поля
Нф — - ^2 AnI'n(y/ikr) cosny?.
lUJVa n=Q
Полученные уравнения аналогичны уравнению (6.17) для внут-
реннего проводника коаксиального кабеля. Отличие заключается в
том, что в силу осевой симметрии для внутреннего проводника не
учитывалось изменение поля по ip и п = 0. При учете эффекта бли-
зости п ф 0, так как, кроме основных составляющих поля первого

190
Глава 6
проводника, возникают п составляющих поля за счет взаимодействия
полей рядом расположенных проводников.
Для определения постоянных интегрирования Ап запишем вы-
ражения напряженностей электрического и магнитного полей в ди-
электрике, окружающем проводники. Для диэлектрика уравнение
имеет вид
d2Ez 1 dEz 1 д2Е2
\dEz
Т OZ Г
дг2 г dz г2 д^р2
Решением данного уравнения является
= 0.
Ez = В0 In г + Со -1- ^2 (ВпгП + °nr~n) cosny?.
(6.62)
71=0
Составляющая магнитного поля
А + — f; (Bnr-1 - спг
Ну =
-п-1
) cos тир.
где Вп, Сп — постоянные интегрирования, для нахождения которых
используются следующие условия:
• непрерывность продольных составляющих электрического поля
на границе проводник — диэлектрик: Е™ = Е* при г = т*о;
• непрерывность тангенциальных составляющих магнитного поля:
#£ = Щ при v = г0;
• закон полного тока: Н^ = 1/2ттг;
• соответствие законов убывания и возрастания магнитных полей
для проводников а и Ъ.
Как видно из рис. 6.18, маг-
нитные поля для одинаковых про-
водников на прямой, соединяющей
центры проводников, равны меж-
ду собой: Н% (при г) = Н* (при
а — г). Зная постоянные интегри-
рования, можно определить вели-
чины Ez и Н^ на поверхности про-
водников (при г = г0).
Для нахождения сопротивле-
ния Я, Ом/км, и внутренней ин-
дуктивности L, Гн/км, подставим
значение Ez и Н^ в (6.58) и по-
сле соответствующих преобразова-
Рис. 6.18. Магнитное по-
ле Нф симметричной цепи

Параметры передачи проводных НСЭ
191
ний получим
G(kr)(d/a)2
R = Ra + Rb = 2i?o
1 + F(kr) +
H{kr){d/a)'2
L = La + Lb = Q{kr) . 10"4,
(6.63)
где d — диаметр проводника, мм; а — расстояние между провод-
никами, мм.
Уравнение для расчета сопротивления цепи состоит из трех сла-
гаемых: сопротивления постоянному току 2Ro] сопротивления за
счет поверхностного эффекта 2RoF(kr) и сопротивления за счет эф-
фекта близости — третий член формулы (6.63). Оно справедливо
для расчета сопротивления цепи при парной скрутке. Если необхо-
димо определить сопротивление при другом виде скрутки (звездной
или двойной парной), то следует учесть дополнительные потери на
вихревые токи в других проводниках группы, для учета которых вво-
дится параметр р. Для учета эффекта скрутки проводников вводит-
ся параметр х> колеблющийся в пределах 1,02... 1,07 в зависимости
от диаметра кабеля.
Окончательное уравнение для расчета сопротивления симмет-
ричного кабеля имеет вид, Ом/км:
R = 2RoX
1+F(fcr) + ^(H(W
l-H(kr)(d/a)2\ '
(6.64)
При парной скрутке р = 1, при звездной — р = 5, при двой-
ной парной — р = 2. Значения F(kr); G(kr); H{kr)\ Q(kr) при-
ведены в табл. 6.1.
В высокочастотных кабелях связи, как правило, имеется не-
сколько четверок. Проводники соседних четверок, внося дополни-
тельные потери на вихревые токи, увеличивают сопротивление це-
пи. Кроме того, сопротивление возрастет за счет потерь в метал-
лической оболочке. Для определения дополнительного сопротивле-
ния Дм2скь эквивалентного этим потерям, пользуются данными при
/ = 200 кГц, приведенными в табл. 6.7.
Потери в металле (Дм) для другой частоты пересчитывают по
формуле
V7/200, (6.65)
где Лм2оо — табличные данные; / — частота, кГц.
Выше было определено значение внутренней индуктивности про-
водников. Индуктивность цепи в целом определяется суммой внеш-
ни £Вш и внутренней LBT = 2La индуктивностей: L = Ьвш + 2La.

192
Глава 6
Таблица 6.7
Число
четверок
в кабеле
1
4
1+6
1+6+12
Повивы
смежных
четверок
1
0
7,5
8
8
2
7,5
7,5
3
7,5
внутри свинцовой
оболочки
1
22
14
1,5
0
2
5,5
0
3
1
внутри алюминиевой
оболочки
1
8,1
5,2
0,6
0
2
2
0
3
0,4
Значение внешней индуктивности определяется по формуле (6.56).
Так как /ха = 47г • 10-7/хг, получим внешнюю индуктивность на 1 км:
LBUI = 4ln[(a-r)/r]-10-\
Тогда общая индуктивность симметричной кабельной цепи, Гн/км:
L = Ьвш + 2La = {41п[(а - т)/г] + firQ(kr)} • ИГ4. (6.66)
Для низкочастотных симметричных кабелей, у которых можно
не учитывать эффект близости, сопротивления R, Ом/км, и индук-
тивность L, Гн/км, определяются по упрощенным формулам:
R = 2Дох[1 + F(kr)]i L = {41п[(а - г)/г] + firQ{kr)} ■ 1СП4. I
i
6.2.4. Емкость и проводимость изоляции ]
симметричной цепи
Емкость С и проводимость изоляции G связаны с процессами
в диэлектрике. Под действием переменного электромагнитного по-
ля в диэлектрике происходит смещение диполей, их переориента-
ция и поляризация. Емкость характеризует способность поляриза-
ции и ток смещения, проводимость изоляции определяет потери в
диэлектрике на переориентацию диполей и характеризуется танген-
сом угла потерь tg5.
Емкость и проводимость изоляции симметричных цепей мож-
но рассчитать по ранее выведенным формулам (6.57). Обычно при-
нято проводимость изоляции выражать через тангенс угла диэлек-
трических потерь: tg<5 = G/(uC) = cr/(aea)- При этом G =
= uJ7reatg5/\n[(a — г)/г] = ujCtgS. Заменяя в данном выражении
еа = б0£г, где £о = 10_9/(Зб7г), получаем для 1 км кабеля, Ф/км:
е Ю-6
С = 361п[(а-г)/гГ (6-67)

Параметры передачи проводных НСЭ 193
Соответственно G = uCtgS, См/км. Здесь ег и tgJ — диэлектри-
ческая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь; а —
расстояние между проводниками; г — радиус проводника.
Реальные конструкции симметричных кабелей, как правило, со-
держат много пар и находятся в общих металлических оболочках.
С учетом близости соседних пар и влияния наружной металлической
оболочки емкость симметричных кабелей, Ф/км, для различных ти-
пов скрутки рассчитывают по следующей формуле:
С = Х£г- 10-6/[36\п(а<ф/г)], (6.68)
где х — коэффициент скрутки кабельных цепей (1,02... 1,07); ег —
эффективная диэлектрическая проницаемость изоляции; ф — по-
правочный коэффициент, характеризующий близость металлической
оболочки и соседних проводников.
Расчетные формулы коэффициента ф для различных видов
группообразования кабелей приведены ниже:
Тип скрутки Поправочный коэффициент
„ , (dn + di- df - а2
Парная фП = ;
(d„ + d\ — а)г + az
0 (d* + dx - d)2 - a2
3веЗДНаЯ ^ = {d3 + dl-W + a>;
Двойная парная фД.п = , —j Ч2 2 ♦
(0, 65ад.п -f ai — a)2 + a2
При расчете проводимости изоляции G следует кроме проводи-
мости, обусловленной диэлектрическими потерями, учитывать также
проводимость, обусловленную утечкой тока в силу несовершенства
диэлектрика: Go = 1/Диз- По величине эта проводимость изоляции
обратно пропорциональна сопротивлению изоляции кабеля (линии).
В результате проводимость изоляции кабельной цепи, См/м:
G = Go + Gf = 1/Д„з + wCtgS. (6.69)
При расчете проводимости изоляции кабельных линий учиты-
вают, что по абсолютной величине потери в диэлектрике при пере-
менном G/ существенно больше, чем при постоянном токе Go, по-
этому проводимость в кабельных линиях рассчитывают по форму-
ле G = G/ = ujCtgS. При расчете проводимости изоляции по по-
стоянному току Go принимают: для городских телефонных кабелей
^из = 2000 МОмкм, а для междугородных кабелей связи —
Ю000 МОмкм.
Кабели связи, как правило, имеют сложную комбинированную
изоляцию, состоящую из твердого диэлектрика (кабельной бумаги,
7—5440

194
Глава 6
Таблица 6.8
Тип изоляции
Кордельнобумажная
Кордельно-стирофлексная
Полиэтиленовая (сплошная)
Пористо-полиэтиленовая
Балюнно-полиэтиленовая
£э
1,3...1,4
1,2.. .1,3
1,9...2,1
1,4.-1,5
1,2...1,3
tg 6Э при частоте, МГц
10
55
3
2
3
2
100
113
7
6
8
6
250
160
12
8
12
8
550 ]
280
20
14
20
12
стирофлекса, полиэтилена и др.) и воздуха. Результирующие экви-
валентные значения диэлектрической проницаемости еэ и угла ди-
электрических потерь tgS3 сложной изоляции определяются элек-
трическими свойствами и соотношением объемов составных ее ча-
стей, причем эквивалентные значения еэ и tgS3 сложной изоляции
близки к величинам е и tg6 той части изоляции, которая занимает
больший объем. Значения еэ и tgS3 симметричных кабелей приве-
дены в табл. 6.8.
6.2.5. Основные зависимости первичных параметров
симметричных цепей
Рассмотрим графики зависимости первичных параметров линий
связи R, L, С, G от частоты, диаметра проводника и расстояния
между проводниками.
С увеличением частоты (рис. 6.19,а) значения параметров R и G
возрастают за счет потерь в проводниках на вихревые токи и в изоля-
ции на диэлектрическую поляризацию, а индуктивность L уменьша-
ется, так как из-за поверхностного эффекта уменьшается внутренняя
индуктивность проводников. Емкость С от частоты не зависит.
При увеличении расстояния между проводниками (рис. 6.19,6)
значения параметров Я, С, G закономерно уменьшаются, а индук-
тивность L возрастает. Снижение R обусловлено уменьшением по-
терь на эффект близости. Рост L связан с увеличением площади
контура, пронизываемого магнитным потоком. Емкость С уменьша-
ется, так как проводники удаляются друг от друга и уменьшается
их взаимодействие.
С увеличением диаметра проводников (рис. 6.19,в) значения па-
раметров С и G растут, a L уменьшается. Изменение активного со-
противления имеет сложный характер. Это обусловлено тем, что с
увеличением диаметра проводника сопротивление постоянному току
резко уменьшается, а сопротивление за счет поверхностного эффек-
та и эффекта близости растет. Поэтому вначале R снижается резко,
а затем снижение замедляется.

k.R,L,C,G
в)
Рис. 6.19. Изменение первичных параметров цепи: а — от частоты; б— с уве-
личением расстояния между проводниками; в — с увеличением диаметров про-
водников
Порядок величин первичных параметров существующих типов
линий связи следующий: R = 5...200 Ом/км; L = 0,6...2 мГн/км;
С = 5...50 мФ/км; G = 1...200 мкСм/км.
Теоретически от температуры зависят все четыре первичных па-
раметра. Однако практически следует учитывать лишь температур-
ную зависимость активного сопротивления. Изменение от темпера-
туры L, С, G весьма незначительно.
Температурная зависимость активного со-
противления цепи определяется по формуле
к R, Ом/км
Яе = ^о[1-ад(«-20)],
(6.70)
где Rt — сопротивление при температуре t, °C;
#2о — то же> ПРИ температуре 20 °С; ад — тем-
пературный коэффициент сопротивления, рав-
ный для меди 0,004 и для алюминия 0,0037.
С увеличением температуры сопротивление це-
пи растет (рис. 6.20). Физически это объясня-
ется тем, что с увеличением температуры воз-
растает хаотическое движение атомов кристаллической решетки и
затрудняется прохождение электронов через нее.
Рис. 6.20. Темпера-
турная зависимость
активного сопротив-
ления проводников
6*2.6. Вторичные параметры симметричных цепей
Вторичные параметры симметричных цепей ZB, а, /3, v следует
рассчитывать по формулам, приведенным в гл. 5. В ряде случаев
вторичные параметры выражают непосредственно через параметры
Цепей (a, d) и исходных материалов (g3, tg<$3).
Подставив в формулу ZB = y/L/C значения L и С, получим
значение волнового сопротивления симметричной цепи, Ом:
ZB = (120/^)ln[(a-r)/r].

196
Глава 6
Коэффициент затухания симметричной цепи с медными провод-
никами, дБ/км:
а = 0£Ry/C/L + O^Gy/L/C;
путем подстановки в эту формулу значений первичных параметров
получим
а —
2fiVf9 • Ю-3 / 1
\2г * а2)
+ 9,08/v^tg^-10"
-5
lg[(a - r)r]
Коэффициент фазы, рад/км:
/3 = иу/ЬС или /3 = шу/вэ/с,
где с — скорость света, равная 300000 км/с.
Скорость распространения энергии, км/с:
v = l/y/LC = c/yfe.
(6.71)
(6.72)
(6.73)
Типовые частотные зависимости вторичных параметров цепи,
приведенные в разд. 6.1.6, для коаксиальных цепей, распространя-
ются и на симметричные цепи.
6.3. Волноводы
6.3.1. Физические процессы, происходящие
в волноводах
Волновод — устройство, ко-
торое ведет волну. Волновод —
это средство сосредоточения элек-
тромагнитной энергии в определен-
ном пространстве и передачи ее в
заданном направлении. Конструк-
тивно волновод представляет со-
бой полую металлическую трубку
круглого или прямоугольного се-
чения, изготовленную из хорошо
проводящего материала (рис. 6.21).
Цилиндрические волноводы по
сравнению с прямоугольными име-
ют меньшее затухание. Известны также другие конструкции волно-
водов (эллиптические, П-образные, Я-образные).
По волноводам электромагнитная энергия передаются принци-
пиально по тем же законам, что и в атмосфере, т.е. на основе токов
Рис. 6.21. Конструкции вол-
новодов: а — цилиндриче-
ский; б— прямоугольный

Параметры передачи проводных НСЭ
197
Z Направление
, движения
Z Направление
■■ движения
Рис. 6.22. Отражение электромагнитной волны при распростране-
нии вдоль волновода: а — низкие частоты; б— высокие частоты
смещения, но только в волноводах эта передача имеет строго задан-
ное направление и, кроме того, ограничена по частоте.
В конструктивном отношении волновод отличается от коакси-
ального кабеля лишь наличием в последнем внутреннего проводни-
ка. При возбуждении в коаксиальном кабеле сильных токов смеще-
ния /см, т.е. при Л < D внутренний проводник становится ненужным
и энергия распространяется по законам волноводной передачи. Для
наглядности представим реальную и, как правило, весьма сложную
волну в волноводе в виде серии плоских волн и рассмотрим геомет-
рию электромагнитного поля одной из составляющих волн.
Электромагнитная волна внутри волновода распространяются
зигзагообразно, многократно отражаясь от стенок волновода. Чем
выше частота, тем меньше отражений испытывает волна, и проис-
ходит прямолинейное её движение вдоль волновода (рис. 6.22). При
некоторой сравнительно низкой частоте волна падает на стенку и от-
ражается почти перпендикулярно. В этом случае энергия вдоль не
перемещается. Такая частота называется критической частотой /о
и характеризует нижний предел частот, которые могут распростра-
няться по данному волноводу. Таким образом, волновод действует
как фильтр верхних частот.
Критическая длина волны Ло, соответствующая критической ча-
стоте, соизмерима с диаметром круглого, волновода (Л0 ~ D) или с
Удвоенной шириной прямоугольного волновода (Ло « 2а). Поэтому
круглый волновод пропускает все волны более короткие, чем диа-
метр волновода (Л < D) и срезает более длинные волны (Л > D).
6.3.2. Особенности волны Hq\ в цилиндрическом
волноводе
По сравнению с другими типами волн магнитная волна Нох в ци-
линдрических волноводах находится в особых условиях (рис. 6.23).

198
Глава б
к
г
1 I
&
X
II
2
^
: ш
<:
—►
Рис. 6.24. Частотные характеристи-
ки затухания: 1 — коаксиальной це-
Рис. 6.23. Электромагнитное поле вол- пи; 2 — симметричной цепи; 3 — вол-
ны Я01 в цилиндрическом волноводе новода; 4 — волны Hoi
Как видно из графиков, приведенных на рис. 6.24, затухание этой
волны в отличие от других волн с увеличением частоты уменьша-
ется, причем чем короче передаваемая волна, тем меньше потери и
соответственно затухание энергии в волноводе.
Объясняется это следующим образом. Все типы волн, кроме Яоъ
имеют электрическое поле, линии которого замыкаются в стенках
волновода, и поэтому создается циркуляция равных и противополож-
но направленных токов — токов смещения /см в диэлектрике внутри
волновода и токов проводимости /пр в стенках волновода. Цирку-
ляция имеет аксиальное (продольное) направление для полей Е и
тангенциальное — для полей Н.
Прохождение токов /пр в металлических стенках волновода свя-
зано с потерями на джоулево тепло и с затуханием передаваемой
энергии, причем с ростом частоты потери возрастают и увеличивает-
ся затухание. Этим объясняется частотное возрастание затухания
всех типов волн, кроме #оь
Силовые линии электрического поля волны Щг циркулируют по
поперечным замкнутым окружностям внутри волновода и не сопри-
касаются со стенками волновода (см. рис. 6.23). Этим линиям соот-
ветствуют токи смещения в диэлектрике /см. В металлических стен-
ках токи проводимости /пр отсутствуют, и в идеальном случае, следо-
вательно, нет возрастающих с частотой потерь, свойственных другим
типам волн. Более того, с увеличением частоты круговое поле Щг
все больше отрывается от стенок волновода и потери уменьшаются.
Однако необходимо иметь в виду, что волне Щ\ присущи некото-
рые недостатки, обусловленные природой и конфигурацией ее элек-
тромагнитного поля. Силовые линии электрических и магнитных по-

Параметры передачи проводных НСЭ
199
лей волны #oi образуют замкнутые петли внутри волновода. В силу
этого волна Ясине имеет жесткой связи с самим волноводом, а пото-
му сравнительно неустойчива и весьма чувствительна к малейшим
деформациям и неоднородностям волновода.
Борьба с этими недостатками осуществляется путем примене-
ния спиральных волноводов периодической структуры, обладающих
фильтрующими свойствами пропускать волну Hqi и задерживать все
остальные типы волн.
6.3.3. Электрический расчет цилиндрических
волноводов
В волноводах распространяются волны высшего порядка элек-
трические Епм и магнитные НПТ с продольными составляющими по-
лей соответственно Е2 и Я2. В порядке иллюстрации в табл. 6.9
приведены конфигурации электромагнитных полей некоторых наи-
более употребляемых типов волн.
Электрические параметры волноводов (критические длина вол-
ны и частота, затухание, фаза, волновое сопротивление) определя-
ются путем решения основных уравнений электродинамики — урав-
нений Максвелла. Подробный вывод параметров волноводов дан в
[24]. Здесь приведены лишь формулы расчета параметров.
1. Критические длина волны и частота:
Л0 = 2тга/р0тп; /0 = р0тс/(2тга), (6.74)
где рот — корни, при которых функции Бесселя имеют нулевые значе-
ния (они различны для различных типов волн); а — радиус волново-
да. Значения Ао и /о для некоторых типов волн приведены в табл. 6.9.
2. Коэффициент фазы, рад/км,
/3 = ^1-(/о//)2, (6.75)
где к = ujy/^aea — волновое число среды.
3. Фазовая скорость, км/с,
v = с/VI - (/о//)2,
где с — скорость света.
4. Групповая скорость, км/с,
vrp = cv/1 - (/о//)2- (6.77)
5. Волновое сопротивление, Ом, для волн Е и Н соответственно:
Z* = гяУ/1 - (/о//)2; Z% = ZVv/1 - (/0//)2, (6.78)
(6.76)

200
Глава 6
Механические
Характеристика
Ем
Ео2
Поле в плоскости попе-
речного сечения (в плос-
кости максимума попе-
речных полей)
Поле в плоскости про-
дольного сечения
Компоненты полей, от-
личные от нуля
кс
Ао
/о
oj oj о i ;• i • и
oi о\о ^ • <•!(
, оюю
■ о|о'о
О/ОЮ
«»♦ о,о|о[о,о •«•■•
♦ ;#Л)о;о,о,о;о/^,»|#!#
♦,#■ |о;о;о;о|о| >;♦;•
Ez, ЕГу Нф
2,405/а
2,61а
0,383/а^Д^"
•'•*• *^>~ 9-'°К&- °"»"*> *''•
о | о£о"«и • |о[ • j» о» о | о
• | • ('#*"сч о Joj о (рТв} • ■•
Ez, Er, H<p
5,52/a
1,14a
0,877/ауД^;
где £д = y/v/^a — волновое сопротивление диэлектрика основной
волны (для воздуха Z0 = 376,8 Ом).
6. Коэффициент затухания, дБ/км, для волн Е и Н соответ-
ственно:
1
Е ^м.а
a =
ан =
z* Vi - (Л//)2
An.а 1
• 8,67;
(*)'
nz
(6.79)
8,67, (6.80)
^д ^1 - (Л//)2
где п — порядок бесселевой функции.
Для волны Яо1, у которой п = 0, коэффициент затухания
^м.я (/о//)2
Qtfoi _ ~м а
^д VI - (/о//)2
• 8,67,
(6.81)
где Za = yixajea — волновое сопротивление диэлектрика; ZM.a =
= у/шца/{2а) — активная часть волнового сопротивления металла
стенок волновода.
Анализируя приведенные формулы, можно отметить, что затуха-

Параметры передачи проводных НСЭ
201
Таблица 6.9
параметры ОК
Еи
Но
Ни
-*--'о &—«. г •"--►
-*---.• К *■ о о_-ч^
^\ • ;•; • [• о1 о 'ою,
^,9 т [• *k--^--' о о) )оо^
^_ _ -'# ф ^ 1> о^ —•*-
^ ОО -► „• ^. - -►
^. о* о," о в-_ • *• • «-
о^ о! о of |» •! {• ,'•
£/^, J-1/r? -С/^?) "Г? "(,£>
3,83/а
1,64а
0,609/а^/Да^а
Лк1ккк11кк«А1^11к^1ч1и1ПЛ1^
О |0
l'&, О IО
o'olo e, • ;•' • I* oj<
o'o o"^"# •/•>• • "Ь с
• , • • О О N,0, О О • • »•
• I • '• ^"6i О »Ol О iO~"**""i • '•
•! • ч* ^-Л' о !о! о io #j • J*
• \m ф^~о о/Oxо o^# • »•
Нг, i/r, £?<,,,
3,83/a
1,64a
0,609/а^/Да^а
• ,'•" V"*V "b^o ,'6" -o-*-«
<o;°ioio;o>^# •
TO (O |0) 0| OTi*,*
b io ioi o> d >*i«
V'0!0!°! °! °k-*#!#
> О ,0 |o| Oj О •'•
^^оу о ioi о \о^;ф
"^5 О Ю" О О • •
i'o'o о • •
H.Z, Hr, Hip, Er, E<p
1,84/а
3,41а
0,293/007^1
ние волны Hoi в полосе пропускания (/ > /о) с увеличением частоты
существенно снижается и в пределе стремится к нулю.
6.3.4. Спиральные волноводы, их достоинства
и недостатки
Известны в основном две разновидности волноводов: цельноме-
таллические (ЦВ) и спиральные (СВ).
Используемый в настоящее время цельнометаллический волно-
вод (рис. 6.25) представляет собой стальную трубу 1 толщиной 3 мм,
покрытую внутри электролитическим сло-
ем меди 2 толщиной 20 мкм и тонкой ла-
ковой пленкой 3. Снаружи наносится анти-
коррозийная краска или пластмассовая обо-
лочка 4-
Рис. 6.25. Конструкция цельнометалли-
ческого волновода: 1 — стальная труба
(3 мм); 2— медный слой (20 мкм); 3—
лаковая пленка; 4 — защитная оболочка

202
Глава 6
Рис. 6.26. Конструкция спирального волновода: 1 — медная изо-
лированная спираль; 2 — диэлектрик; 3 — алюминиевый экран
(0,1 мм); 4 — оболочка из стеклоленты в эпоксидной смоле (2 мм)
Спиральный волновод периодической структуры (рис. 6.26) пред-
ставляет собой спираль 1 из медной изолированной проволоки диа-
метром 0,5 мм, покрытую диэлектриком 2 и заключенную в экран 3 и
наружную оболочку 4- Внутренний диаметр волновода 6 см. В каче-
стве диэлектрической оболочки чаше всего применяется стеклолен-
та, пропитанная эпоксидной смолой.
Достоинством спиральных волноводов является фильтрация па-
разитных волн, возникающих в местах неоднородности волноводного
тракта при прохождении волны i/ni. Это объясняется следующим об-
разом. Спиральный волновод имеет периодические разрывы по всей
длине и поэтому допускает лишь передачу таких волн, в структу-
ре которых отсутствует продольная составляющая тока в стенках
волновода. Такой волной является поперечно-электрическая волна
Hq\. Наличие разрывов по длине в гибких волноводах не являет-
ся помехой эффективному распространению волны Щ\. Более того,
разрывы продольной целостности спирального волновода являются
содействующим фактором, так как такой волновод будет эффективно
пропускать волну Hqi и задерживать все другие типы волн, требую-
щие для распространения продольной целостности стенок волновода.
Волноводные секции изготавливаются длиной 2,5 и 5 м.
Подводя итоги, можно отметить следующие достоинства волно-
водов: возможность передачи весьма высоких частот и получение
мощных пучков каналов связи; полная экранировка поля; отсутствие
потерь в диэлектрике и на излучение; большая пропускная мощность.
К недостаткам волноводов относятся: наличие критической ча-
стоты, в связи с чем волновод не пропускает частот, длины которых
больше диаметра волновода, а также громоздкость конструкции и
малые строительные длины.

Параметры передачи проводных НСЭ
203
6.4. Сверхпроводящие кабели
6.4.1. Сверхпроводники и диэлектрики
при криогенных температурах
Успехи физики сверхпроводимости и криогенной техники приве-
ли в последние годы к созданию ряда сверхпроводящих устройств.
Сверхпроводники применяются в различных радиоэлектронных уст-
ройствах (объемных резонаторах, контурах и др.), узлах электронно-
вычислительных машин и в квантовой технике. Сверхпроводники
позволяют конструировать различные электротехнические устройст-
ва с габаритными размерами и массой в 3...10 раз меньше, чем у обыч-
ных. Сюда относятся электромашины, трансформаторы, соленоиды
и другие электротехнические устройства. На базе сверхпроводников
создаются малогабаритные конструкции радиочастотных, силовых и
связных кабелей с малым затуханием.
Ряд металлов и сплавов обладают особым свойством — сверх-
проводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю
(—273 °С). Данное явление открывает широкие возможности для со-
здания линий передачи электромагнитных сигналов с весьма малыми
потерями. Достаточно сказать, что сопротивление проводников при
сверхнизких температурах может быть порядка Ю-23 Ом-см, т.е. в
1014 раз меньше, чем сопротивление меди при температуре 20 °С.
Наряду с малым сопротивлением сверхпроводники обладают еще и
такими замечательными свойствами, как полное экранирование элек-
тромагнитного поля и низкий уровень собственных тепловых шумов.
Эффект сверхпроводимо-
сти упрощенно может быть объ-
яснен следующим образом
(рис. 6.27). Электрический ток
в металле — это поток элек-
тронов через кристаллическую
решетку атомов проводника. С
увеличением температуры воз-
растает хаотическое движение
атомов решетки, происходит
столкновение электронов с ни- Рис. 627. Поток элеКтронов че-
ми и увеличивается сопротив- рез кристаллическую решетку
ление проводника. При уменьшении температуры, наоборот, колеба-
ние атомов решетки уменьшается и создаются более благоприятные
Условия для прохождения потока электронов. При температурах,
близких к абсолютному нулю, колебания практически прекращают-
ся и проявляется эффект сверхпроводимости.

204
Глава 6
Рис. 6.28. Частотные зависимости со- Рис. 6.29. Зависимость сопротив-
противления для обычного проводника ления от температуры для обычного
(1) и сверхпроводника (2) проводника (1) и сверхпроводника (2)
Обычно температура приводится по шкале Кельвина (К), кото-
рая и используется для оценки сверхпроводящих металлов. По Кель-
вину отсчет ведется от абсолютного нуля (—273 °С). Между показа-
ниями по Кельвину и Цельсию существуют следующие соотношения:
tc = Тц - 273 и Тк = tc + 273, т.е. нулевая температура по Цель-
сию соответствует 273 градусов по Кельвину, а нуль по Кельвину
означает -273 градусов по Цельсию.
На рис. 6.28 показаны частотные зависимости сопротивлений
обычного проводника (например, меди) и проводника, обладающе-
го сверхпроводимостью (например, ниобия). Сопротивление медного
проводника плавно возрастает с увеличением частоты по закону y/J.
Сопротивление сверхпроводника в области температур меньше кри-
тических (Т < Тк), имея нулевые значения при постоянном токе и
весьма низкие значения при 1 ГГц, затем резко возрастает по квад-
ратичному закону (/2) и достигает значительной величины.
Техническое применение сверхпроводимости сдерживается кри-
тической температурой (Тк), выше которой материал перестает быть
сверхпроводящим. До последнего времени эта температура не пре-
вышала 9 К для металлов и 25 К для сплавов. Научные открытия
последнего времени позволили создать новый материал — оксидную
керамику (ВТСП), раздвинувший диапазон критических температур
до 90...125 К.
У каждого сверхпроводника существует своя критическая темпе-
ратура Тк, при которой возникает явление сверхпроводимости, при-
чем она появляется и исчезает резко, скачком, по достижении кри-
тической температуры.
Следует отметить, что свойством сверхпроводимости обладают
далеко не все металлы. Например, лучшие электрические проводни-
ки, такие как медь, серебро, золото, не становятся сверхпроводника-
ми, и во всем диапазоне температур не наблюдается резкого измене-
ния их сопротивления. На рис. 6.29 показаны характерные зависи-

Параметры передачи проводных НСЭ
205
мости изменения электрического сопротивления от температуры для
проводников, не обладающих свойствами сверхпроводимости (кривая
i), и для сверхпроводников (кривая 2).
Ниже приведены значения критических температур Тк, К, для
некоторых сверхпроводящих материалов, а также значения темпера-
тур, которые создают различные хладоагенты. Как видно, что метал-
лы имеют весьма низкую критическую температуру (до 9,3 К) и для
ее получения необходим гелий. Более высокие температуры у спла-
вов. Наилучшие результаты дает ВТСП, температура создается азо-
том. Это очень доступный хладоагент. Исходным сырьем для его по-
лучения служит воздух, стоимость азота в 200 раз меньше, чем гелия.
Металлы, сплавы
Ниобий (Nb) 9,3
Свинец (РЪ) 7,2
Ртуть (Hg) 4,1
Олово (Sn) 3,7
Алюминий (А1) 1,2
Цинк (Zn) 0,92
Ниобий-олово (Nb-Sn) 18
Ниобий-германий (Nb-Ge) 22
Ниобий-кремний (Nb-Si) 25
ВТСП 90...125
Хладоагенты
Гелий (Не) 4,2
Водород (Н) 20
Азот (N) 77
Кислород (О) 90
Такие металлы, как алюминий и цинк, имеют значения Тк, очень
близкие к абсолютному нулю, и еще не найдены хладоагенты, кото-
рые привели бы эти металлы в сверхпроводящее состояние.
В последнее время была создана электрокерамика (барий, медь,
кислород и другие составляющие), обеспечивающая сверхпроводи-
мость при более высоких температурах. Если ранее охлаждение ме-
таллов происходило при гелиевой температуре (4 К), то электроке-
рамика проявляет сверхпроводящие свойства уже при 77...90 К, кото-
рые достигаются за счет применения жидкого азота. Хладоагент —
азот существенно дешевле и доступнее гелия, и это открывает широ-
кие возможности создания и применения сверхпроводящих кабелей.
В настоящее время продолжаются работы по дальнейшему повыше-
нию температуры сверхпроводимости. Например, японским ученым
Удалось довести критическую температуру до 130 и даже 200 К. Про-
водятся работы по созданию сверхпроводящих материалов при ком-
натной температуре.

206
Глава 6
6.4.2. Электрический расчет сверхпроводящих
кабелей
Основной особенностью сверхпроводящих кабелей являются их
чрезвычайно низкие значения сопротивлений. Определение сопро-
тивления кабеля в режиме криогенных температур составляет важ-
нейшую задачу расчетов и анализа этих кабелей. Остальные пара-
метры кабелей могут рассчитываться по обычным формулам.
Для определения сопротивления кабеля воспользуемся уравне-
ниями Максвелла и вектором Пойнтинга. Применительно к провод-
никам в цилиндрической системе координат сопротивление опреде-
ляется продольной составляющей электрического поля Ez и танген-
циальной — магнитного поля Н^:
1 /*27Г
Z = R + iujL = j2 EzHtprd<p)
где гиу) — координаты (радиус и угол соответственно).
Согласно двухжидкостной теории сверхпроводимости [25] ток в
сверхпроводнике можно представить как сумму токов нормальных и
сверхпроводящих электронов. Эта теория является простейшей, но
ее использование позволяет произвести электродинамический анализ
в законченном виде. Плотности нормального и сверхпроводящего то-
ков можно записать в виде JH = crHEz; Jc = Ez/{iuj^o62), где <тн —
проводимость нормальных электронов; ш — круговая частота; //о —
магнитная постоянная; вс — глубина проникания поля в сверхпро-
водники. Таким образом, суммарная плотность тока
j=Jb+Jc=(,c+_i_lK (682)
Решение уравнений Максвелла относительно интересующих нас
составляющих Ez и Н<р для сверхпроводящего коаксиального кабеля,
имеющего осевую симметрию, имеет вид
«•ft+i^.fcC.; Д.- 1вЕ'
дг2 г дг с * iujfi дг
где кс — y/iuifiQCTH + 1/^с — коэффициент распространения в сверх-
проводнике.
Осуществляя преобразования, аналогичные проведенным выше
для коаксиальных кабелей, получаем сопротивления внутреннего и
внешнего проводников в сверхпроводящем режиме:
1 ioJfjbQ
Za — Ra-\- iuLa =
2тгга ^го;/2оап.а + 1/0?.а'

Параметры передачи проводных НСЭ
207
Zb — Rb + lujLb =
2*rb у/шнкгпл + 1/eit
где га — радиус внутреннего проводника; гь — внутренний радиус
внешнего проводника, или при проводниках из одинакового сверх-
проводникового материала:
Z = Za + Zb = N ШДо =■ (6.83)
^tCJfloCTn + 1/0*
\/т Н- 1/гь 1
где N = 1- —- — поверхностное сопротивление сверх-
Га 27Г
проводника.
Для сравнения приведем формулу полного сопротивления коак-
сиального кабеля на высоких частотах в нормальном состоянии:
Z = Za + Zh = Ny/iujfi/a = ZHN,
где ZH — поверхностное сопротивление металла в нормальных усло-
виях.
Можно отметить, что приведенные выше выражения аналогич-
ны. Различаются лишь выражения для поверхностного сопротив-
ления сверхпроводника Zc и нормального металла ZH. Однако
при обычных температурах, когда гы/хо<тн ^> l/в2, сопротивление
Zc —► ZH.
Разделяя действительную и мнимую части поверхностного со-
противления сверхпроводника, получаем для полного сопротивления
Z — R + iojL следующие выражения:
r = nJ "2№
1 + ы*$о*н0*
(6.84)
Если учесть, что \/\ + х2 « 1 + х2 /2 (при х <С 1), для рассмат-
риваемой области частот и температур, когда и;2^а2нв^ <С 1, вы-
ражение для R принимает вид
R = Nuj2fi20aHe3c/V2.
Из формулы следует, что сопротивление от частоты меняется по
квадратичному закону. Выразим R через поверхностные сопротив-

208
Глава 6
ления металлов (Дс.а и Яс.ь):
В свою очередь, Re = Rc\f2, где Rd — поверхностное сопро-
тивление при частоте 1 ГГц; / — расчетная частота; Кт — тем-
пературный коэффициент.
Остальные параметры можно рассчитывать по обычным форму-
лам для коаксиального кабеля на высоких частотах.
Для расчета коэффициента затухания сверхпроводящего кабеля
а, дБ/км, можно пользоваться эмпирической формулой
а = ам+ад = 0,05/2 + 0,5/,
где / — частота, ГГц.
6.4.3. Конструктивные и электрические
характеристики сверхпроводящих кабельных линий
Наиболее предпочтительной конструкцией сверхпроводящего ка-
беля является коаксиальная. Обычно диаметр внутреннего провод-
ника равен 0,25...0,50 мм, внешнего — 1,5...2,5 мм.
В качестве материала для проводников применяются в основном
ниобий и свинец; изоляции выполняются из фторополимеров. Из-
вестны конструкции с изоляцией из пористых пластиков.
Основным достоинством сверхпроводящего кабеля является его
малое затухание. Так, затухание кабеля в криогенном режиме мень-
ше, чем в обычном, в 106 раз при частоте 1 МГц и в 103 раз при 1 ГГц.
Причем частотная зависимость потерь в металле и диэлектрике про-
является по-разному. У сверхпроводящего кабеля затухание в метал-
ле меньше (ад > ам), а у обычного кабеля — наоборот (ам > ад).
В области более высоких частот картина меняется на обратную.
Наряду с указанными достоинствами чрезвычайно важным яв-
ляется также то, что сверхпроводящий кабель обеспечивает полное
экранирование от внешних и взаимных источников помех и имеет
очень низкий уровень собственных шумов.
Сверхпроводящая кабельная линия связи состоит, во-первых, из
непосредственно сверхпроводящего кабеля (электрическая часть) и,
во-вторых, из криогенных устройств, обеспечивающих создание и
поддержание требуемых низких температур (криогенная часть).
Обеспечение криогенных температур для сверхпроводящих ка-
бельных линий большой протяженности является довольно сложным
и дорогостоящим. Основная задача состоит в том, чтобы изолировать

сверхпроводящий кабель от притока тепла из окружающей среды и
обеспечить постоянство температуры глубокого охлаждения кабеля.
Для получения низких температур могут применяться такие хладо-
агенты, как азот, водород, гелий в жидком и газообразном состояни-
ях. Азот дает 77 К, водород — 20 К и гелий — 4,2 К.
Сверхпроводящий кабель предусматривается помещать в трубо-
проводе из нержавеющей стали, меди или алюминия и теплоизолиру-
ющих материалов. С помощью жидкого или газообразного азота или
водорода и гелия, прокачиваемых по трубе, в ней создается и поддер-
живается требуемая низкая температура. Обязательным условием
обеспечения низкой температуры является надежная теплоизоляция
трубопровода от окружающий среды. В качестве криоизоляции могут
применяться пористые материалы (пенополистирол, пенополиуретан
и др.) или вакуумно-многослойная изоляция.
Ниже приведены некоторые конструкции сверхпроводящих ка-
белей.
Японский сверхпроводящий кабель содержит 14-18 тонких коак-
сиальных пар (0,47/1,57 мм). Внутренний проводник биметалличе-
ской конструкции медь — свинец, внешний — выполнен в обратном
сочетании свинец — медь. Во всех случаях токонесущей поверхно-
стью является свинец. Изоляция — из этиленпропилена. Коакси-
альные пары располагаются вокруг медной трубки, внутри которой
циркулирует жидкий гелий с температурой 4 К.
Конструкция кабеля и всех его составных элементов показан на
рис. 6.30. Снаружи имеется механический геометрический каркас в
виде стальной гофрированной оболочки. Хладо-изоляция осуществ-
ляется с помощью вакуума и наружной полиэтиленовой оболочки.
Общий диаметр кабеля 70 мм.
Немецкий сверхпроводящий кабель содержит 18 коаксиальных
пар стандартной малогабаритной конструкции (1,2/4,4 мм), выпол-
ненных из алюминия чистотой 99,7 %. Весь этот сердечник помеща-
ется в две стальные трубы с большим зазором между ними для хла-
доагента. Зазор между трубами создается размещенными по длине
изоляционными держателями. Снаружи кабель имеет пластмассо-
вую оболочку (рис. 6.31).
Известны также комбинированные конструкции сверхпроводя-
щих кабелей, в которых сочетаются проводники энергетического на-
значения и связи.
Технико-экономические исследования показывают, что в сверх-
проводящей кабельной линии основные расходы связаны с созданием
криогенной оболочки и криогенных станций для поддержания глубо-
кого охлаждения кабеля. Сам кабель стоит сравнительно дешево.

210
Глава 6
5 Свинец +
медь
Рис. 6.30. Конструкция японского сверх-
проводящего кабеля: 1 — медная труба;
2 — коаксиальные пары; 3 — суперизо-
ляция (алюминий - стеклоленты); 4 —
стальная гофрированная оболочка; 5 —
полиэтиленовая оболочка; 6 — жидкий
гелий
Рис. 6.31. Немецкий сверхпроводя-
щий кабель: 1 — сердечник; 2 —
коаксиальные пары (1,2/4,4 мм);
3 — внутренняя металлическая тру-
ба; 4 — держатели; 5 — канал ва-
куума; 6 — внешняя металлическая
труба; 7— пластмассовая оболочка
Одним из целесообразных путей осуществления сверхпроводя-
щей связи является размещение кабелей связи в общем криогенном
трубопроводе, создаваемом для передачи энергии. Такое совмеще-
ние сверхпроводящих кабелей связи в общем криогенном трубопро-
воде, под общей оболочкой более выгодно в технико-экономическом
отношении.
Контрольные вопросы
1. Почему в коаксиальных цепях внешнее поле равно нулю?
2. Поясните физический смысл потерь энергии на поверхностный эф-
фект.
3. Поясните физический смысл потерь энергии на эффект близости.
4. Поясните физический смысл потерь энергии в экране, оболочке и
других металлических элементах кабеля.
5. Как изменяется активные сопротивления кабельной цепи с ростом
частоты?
6. Как изменяется индуктивность кабельной цепи с ростом частоты?
7. Как изменяется проводимость изоляции с ростом частоты? При-
чины потерь в изоляции.
8. Как изменяется коэффициент затухания с ростом частоты?
9. Как изменяется коэффициент фазы с ростом частоты?
10. Как изменяется волновое сопротивление с россом частоты?
11. Как изменяется скорость передачи по кабелю с ростом частоты?
12. Какие потери преобладают в кабеле: потери в металле или по-
тери в диэлектрике? s

Цараметры передачи проводных НСЭ
211
13. Как классифицируются неоднородности в коаксиальных кабелях?
14. Какие неоднородности в коаксиальном кабеле больше: внутрен-
ние или стыковые?
15. Как уменьшают стыковые неоднородности?
16. Как изменяются первичные параметры симметричной цепи с уве-
личением расстояния между проводниками?
17. Как изменяются первичные параметры симметричной цепи с уве-
личением диаметра проводников?
18. Как изменяется затухание волны Hoi в волноводе с ростом ча-
стоты?
19. В чем заключается основное достоинство спирального волновода?
20. Назовите основные достоинства и недостатки сверхпроводящих ка-
белей.

Глава 7
Параметры передачи оптических
направляющих систем
7.1. Физические процессы в оптических
волокнах
В качестве направляющих систем волоконно-оптических линий
передачи (ВОЛП) современных сетей связи применяются оптические
диэлектрические волноводы (световоды), которые обычно имеют пла-
нарную или волоконную структуру. В кабельных изделиях использу-
ются волоконные оптические волноводы — оптические волокна (ОВ).
Несмотря на значительный
прогресс в разработке ОВ различ-
ной структуры из разных матери-
алов, в кабелях связи до настоя-
щего времени используются только
кварцевые слабонаправляющие ОВ
коаксиальной конструкции с дву-
мя и более слоями [5, 7, 31-38].
Общий вид двухслойного коакси-
ального волокна представлен на
Рис. 7.1. Конструк- рис. 7.1. Такое волокно состоит из
ция ступенчатого ОВ сердцевины, заключенной в оболоч-
ку, поверх которой наложено первичное защитно-упрочняющее по-
крытие из эпоксиакрилата. Сердцевина и оболочка ОВ выполнены
из кварцевого стекла. Либо сердцевину, либо оболочку ОВ легируют
(добавляют присадки), чтобы обеспечить условие щ > пч, где щ —
показатель преломления сердцевины, по — показатель преломле-
ния оболочки. Для понижения показателя преломления в кварцевое
стекло легируют, добавляя такие присадки, как окись бора (В2О3)
или фтор (F). Для увеличения показателя преломления кварцевое
стекло легируют окислами германия (СеОг), алюминия (АЬОз), фос-
Сердцевина, ^Я Ш
Акриловое ^^рРВ^ЧИ ^ш
покрытие wf^g^^

Параметры передачи оптических направляющих систем 213
я(г)|
Рис. 7.2. Ступенчатый профиль пока-
зателя преломления ОВ
Рис. 7.3. Градиентный профиль пока-
зателя преломления ОВ
форного ангидрида (Р2О5), титана (ТЮг), цезия (CS2O) или цирко-
ния (ZrCb). В слабонаправляющих ОВ показатель преломления из-
меняется по сечению незначительно — как правило, в пределах 1 %.
Конструкция коаксиальных ОВ практически полностью описы-
вается профилем показателя преломления — зависимостью показа-
теля преломления в сечении ОВ от расстояния до оси волокна. Про-
филь показателя преломления показывает, как изменяется показа-
тель преломления вдоль диаметра ОВ. Эту зависимость обычно опи-
сывают выражением вида [34-36, 39-44]
п2(г)=п?[1-2Д/(г)], (7.1)
где г — радиальная координата; /(г) — функция профиля показате-
ля преломления; Д — параметр высоты профиля.
Параметр высоты профиля или просто высота профиля
А _ п\ - п\
2п\
(7.2)
Различают ступенчатый и градиентный профили. В ОВ со сту-
пенчатым профилем (ступенчатых ОВ) показатель преломления и
в сердцевине, и в оболочке — величина постоянная, изменяющаяся
скачком только на границе раздела сердцевина-оболочка. Пример
такого профиля показателя преломления приведен на рис. 7.2. У ОВ
с градиентным профилем (градиентного ОВ) показатель преломле-
ния в сердцевине изменяется в зависимости от расстояния до оси
волокна по некоторому закону. Для многомодовых ОВ оптималь-
ным является параболический профиль, для которого закон изме-
нения — квадратичный. Пример градиентного профиля показателя
преломления приведен на рис. 7.3.
Свет имеет двойственную природу, что позволяет применять как
квантовую, так и волновую теории света [45-48]. В рамках кванто-
вой теории удобно описывать процессы, связанные с преобразовани-
ем энергии. Для описания процессов распространения оптического

214
Глава 7
Падающий
луч
Отраженный
луч
Рис. 7.4. Преломление луча на грани- Рис. 7.5. Увеличение угла преломле-
це раздела сред ния с увеличением угла падения луча
на границу раздела сред
излучения, как правило, используют волновую теорию. Принципы
передачи оптического излучения в ОВ наиболее просто можно по-
яснить в рамках теории геометрической оптики, которая является
предельным случаем волновой теории при А —► О, где А — длина
волны. Рассмотрим их.
Теория геометрической оптики допускает, что свет можно пред-
ставить как совокупность оптических лучей, которые распространя-
ются прямолинейно. Согласно законам геометрической оптики, при
падении луча на границу раздела двух сред с показателями пре-
ломления rii и П2 он, в общем случае, отражается и преломляется
(рис. 7.4). При этом угол падения в\ равен углу отражения #з> а угол
преломления #2 связан с углом падения в\ соотношением, известным
как закон Снеллиуса [4-6, 17-20]:
П\ SH101 = 7l2Sin02'
(7.3)
Принято, что среда с большим показателем преломления назы-
вается оптически более плотной средой. Пусть луч падает на грани-
цу раздела сред из более плотной оптической среды с показателем
преломления щ. На границе раздела сред он преломляется, прохо-
дя в менее плотную оптическую среду с показателем преломления
7i2 < Tii, как показано на рис. 7.4. Если увеличивать угол падения,
то будет увеличиваться и угол преломления (рис. 7.5). При этом со-
гласно (7.3), если п2 < rii, то 02 > 0\. То есть при падении луча
на границу раздела двух сред из более плотной оптической среды
угол преломления больше угла падения. В этом случае, увеличи-
вая угол падения, можно достичь момента, когда преломленный луч
начинает скользить вдоль границы раздела сред без перехода в оп-
тически менее плотную среду (рис. 7.6). Угол падения, при котором
наблюдается такой эффект, называется предельным углом полного

Параметры передачи оптических направляющих систем 215
/!2>Л,
Луч, преломленный
Ч^н вдоль поверхности
П\
Падающий/
луч J
Отраженный
луч
Рис. 7.6. Полное внутреннее отраже- Рис. 7.7. Принцип распространения
ние света в ОВ
внутреннего отражения. Для всех углов падения больше предельно-
го, имеет место только отражение, преломленная волна отсутствует.
Это явление называется полным внутренним отражением.
Как следует из рис. 7.6, при равенстве угла падения пре-
дельному углу полного внутреннего отражения, угол преломления
02 = 90°. В этом случае sin#2 = 1 и, как следует из (7.3) [34-36],
п2
sin 01 =
п\
Отсюда предельный угол полного внутреннего отражения
. п2
arcsin —.
Hi
(7.4)
(7.5)
Рассмотрим ступенчатое оптическое ОВ. Очевидно, что если вве-
сти луч в сердцевину ОВ так, чтобы были выполнены условия пол-
ного внутреннего отражения, то энергия, переносимая этим лучом,
будет полностью сосредоточена в сердцевине. При отсутствии до-
полнительных факторов потерь такой луч будет распространяться в
сердцевине ОВ на значительные расстояния, многократно отражаясь
на границе «сердцевина-оболочка» (рис. 7.7).
Согласно рассмотренным выше законам геометрической опти-
ки, для осуществления возможности реализации полного внутренне-
го отражения в ступенчатом волокне, необходимо выполнение сле-
дующих условий:
• длина волны должна быть меньше диаметра сердцевины ОВ
(А < а);
• показатель преломления в сердцевине должен быть больше по-
казателя преломления оболочки (п\ > Пг).
Пусть луч 1 входит в сердцевину ОВ, пересекая его ось под уг-
лом 0Д, таким, что угол его падения на границу раздела сердцевина-
салочка равен предельному углу полного внутреннего отражения вп

216
Глава 7
Рис. 7.8. Условия ввода оптического излу- Рис. 7.9. К определению аперту-
чения в ОВ ры ОВ
(рис. 7.8). Угол 0а принято называть апертурным углом или просто
апертурой. Для всех лучей, пересекающих ось ОВ под углом боль-
ше апертуры (луч 2), угол падения на границу раздела сердцевина-
оболочка меньше предельного и условия полного внутреннего отра-
жения не выполняются. Наоборот, для всех лучей, пересекающих
ось ОВ под углом больше апертуры (луч 5), угол падения на грани-
цу раздела сердцевина-оболочка превышает предельный и условия
полного внутреннего отражения выполняются.
Если условия полного внутреннего отражения не выполняются
(луч 2), то каждый раз при падении луча на границу раздела име-
ет место преломление и часть переносимой им энергии оптического
излучения уходит в оболочку. Как следствие, энергия достаточно
быстро затухает. Поэтому такие лучи не могут распространяться
в ОВ. И наоборот, лучи, для которых условия полного внутреннего
отражения выполняются (луч 5), могут распространяться в сердце-
вине ОВ на большие расстояния.
При вращении вокруг оси ОВ луча, пересекающего ее под апер-
турным углом, образуется конус (рис. 7.9). Очевидно, что все лежа-
щие внутри этого конуса и пересекающие ось ОВ лучи могут распро-
страняться в ОВ. И наоборот, все лучи, лежащие вне этого конуса,
распространяться в ОВ не могут.
Апертура характеризует условия ввода и распространения оп-
тического излучения в ОВ. Обычно используют понятие числовой
апертуры [33-36]:
NA = п0 sin в а = n0Jnj - n\, (7.6)
где щ — показатель преломления среды, из которой оптическое из-
лучение вводится в ОВ. i
i
7.2. Волны и лучи в ОВ j
Оптическое излучение внешнего источника, падающее на вход-
ной торец ОВ, возбуждает в нем типы волн, называемые модами.

Параметры передачи оптических направляющих систем 217
В общем случае в оптических волокнах на одной длине волны (ча-
стоте) могут существовать несколько типов волн (мод). Каждая мода
отличается распределением электромагнитного поля по сечению оп-
тического волновода и скоростью распространения.
Как следует из рис. 7.9, множество лучей, лежащих на поверхно-
сти конуса, образующая которого пересекает ось ОВ под некоторым
углом, входят в сердцевину под тем же углом. Группа лучей, пе-
ресекающих ось волокна под одним и тем же углом, соответствуют
одному типу волны — одной моде. Они распространяются с одной
скоростью вдоль оси ОВ и формируют определенное распределение
мощности оптического излучения по сечению ОВ.
Принято различать моды направляемые, вытекающие и излуча-
емые. К направляемым относятся моды, которые распространяются
в сердцевине волокна, обеспечивая передачу информации (лучи 1 и
2 на рис. 7.10). Направляемые моды возбуждаются лучами, пере-
секающими ось волокна под углом, не превышающих апертуры 0а, и
для которых фазовый сдвиг после двух последовательных отражений
кратен 27Г. В этом случае энергия светового излучения концентриру-
ется в сердцевине световода и практически не излучается из него.
Лучи, которые лежат вне конуса, образующая которого пере-
секает ось ОВ под апертурным углом 0а, на границе сердцевина-
оболочка преломляются и теряют энергию в оболочке (луч 3 на
рис. 7.10). Эти моды называются вытекающими.
Часть лучей, падающих на торец ОВ под углами к оси волок-
на, существенно превышающими апертуру 0а, достигают внешней
поверхности оболочки и излучаются в окружающее пространство
(луч 4 на рис. 7.10). Такие моды называются излучаемыми. Из-
лучаемые моды возникают также в местах неоднородностей свето-
водов (рис. 7.11).
Рис. 7.11. Влияние неоднород-
нородностей световода на появ-
"ис. 7.10. Классификация лучей (мод) в ОВ ление излучаемых мод

218
Глава 7
В зависимости от соотношения длины волны и диаметра сердце-
вины различают одномодовый и многомодовый режимы работы ОВ.
При А ^ а, как следует из рис. 7.9, условия полного внутреннего
отражения могут быть выполнены только для одного луча, распро-
страняющегося по оси ОВ, или, другими словами, для одной моды.
Это одномодовый режим передачи, при котором в ОВ существует
только одна основная направляемая мода НЕц или ЬР0\. Волок-
на, оптимизированные для работы в одномодовом режиме, получи-
ли название — одномодовые.
При Л <^С а условие полного внутреннего отражения выполняется
не только для основной моды, но и для мод высших порядков. Число
распространяющихся мод может составлять нескольких тысяч. Это
многомодовый режим работы ОВ. Волокна предназначенные для ра-
боты в таком режиме называют многомодовыми.
7.3. Волновая теория ОВ
В рамках волновой теории оптическое излучение рассматривает-
ся как электромагнитные волны оптического диапазона. Распростра-
нение электромагнитных волн в некоторой среде описывается урав-
нениями Максвелла, которые для однородной и изотропной среды,
не содержащей свободных зарядов, имеют вид [39-48]:
югЕ=-цщ> — . (7.7)
BE
XotH = -ee^—. (7.8)
Здесь е и /i — относительные диэлектрическая и магнитная про-
ницаемости; £0 и /io — абсолютные диэлектрическая и магнитная
проницаемости.
Если продифференцировать (7.8) по t и подставить в полученное
выражение производную dH/dt из уравнения (7.7), то, воспользо-
вавшись тождеством векторного анализа, получим волновое урав-
нение вида [39-48]
vl at
Волновое уравнение описывает электромагнитные волны, рас-
пространяющиеся со скоростью

Параметры передачи оптических направляющих систем 219
где с = 1/y/eofio — скорость света в вакууме, приближенно равная
с « 3 • Ю8 м/с.
Отношение скорости света в свободном пространстве к скорости
света в веществе называется показателем преломления [45-47]:
п = - = у/Щх. /(7.11)
v
Относительная магнитная проницаемость немагнитной среды
/i = 1. Соответственно, для кварцевого стекла п = у^-
Для электромагнитных волн, распространяющихся в однородной
среде на значительном расстоянии от источника излучения, поле за-
висит только от одной координаты, например z, и времени. В этом
случае волновое уравнение (7.10) принимает вид [39-48]
*Е-±Ё* (712)
Одним из возможных решений этого уравнения является плоская мо-
нохроматическая волна [45-48]:
Е = Е0 cos[cj(* - z/v) + <#>], (7.13)
Величину Eq называют амплитудой, величину <ро — начальной
фазой, а величину, стоящую под знаком косинуса, — фазой волны:
Ф = u(t - z/v) + ф0. (7.14)
Пусть в момент времени to фаза волны в точке с координатой го
равна <pq. Тогда в момент времени t$ + At значение фазы <р0 волна бу-
дет иметь в точке с координатой z0 + Az, где Az = vAt. Другими сло-
вами, за интервал времени At фаза волны сместится на расстояние
Az = vAt. Таким образом, параметр v определяет скорость переме-
щения волнового фронта — поверхности, на которой колебания про-
исходят с одинаковой фазой. Поэтому его принято называть фазовой
скоростью. В рассматриваемом случае волновые фронты являются
плоскостями, перпендикулярными оси, вдоль которой распространя-
ется волна. Это и определило название такой волны — «плоская».
Выражение (7.13) чаще записывают в виде [45-47]:
Е = Е0 cos(cut - kz). (7.15)
Параметр к называется волновым числом, которое определяется
Формулой

220
Глава 7
В кабелях связи применяются в низкоапертурные ОВ, у которых
показатели преломления сердцевины и оболочки отличаются менее
чем на 1 %. Поскольку п\ « П2, волны, распространяющиеся в таких
волокнах, с некоторым приближением являются плоскими. Из-за
этого такие волокна называют еще слабонаправляющими. Фазовая
скорость монохроматической волны в слабонаправляющем ОВ
где пе — эквивалентный показатель преломления, значение кото-
рого удовлетворяет условию
rii > пе> п2. (7.18)
7.4. Типы волн в ОВ
Тип волны (моды) в диэлектрическом волноводе определяется ее
структурой — числом максимумов и минимумов поля в поперечном
сечении волновода. Различают следующие типы волн [34, 39-44]:
• Т-волны, или поперечные электромагнитные волны, не содер-
жат продольных составляющих электромагнитного поля (Ег = 0
и Hz = 0);
• Е-, или ТМ-волны — волны, не имеющие продольной состав-
ляющей магнитного поля (Нг = 0). Такие волны называют-
ся электрическими или поперечно-магнитными, при этом век-
тор напряженности электрического поля имеет и поперечную, и
продольную составляющие;
• Н-, или ТЕ-волны — для этих волн характерно отсутствие
продольной составляющей электрического поля. Данный тип
волн также называют магнитными волнами или поперечно-
электрическими ;
• LE-волны — это продольно-электрические волны, у которых в
поперечном сечении присутствует только одна составляющая
электрического поля;
• LM-волны — продольно-магнитные волны, у которых в попереч-
ном сечении присутствует только одна составляющая магнит-
ного поля.
Гибридные волны НЕ или ЕН — для этих волн характерно
наличие всех шести составляющих электромагнитного поля с преоб-
ладанием в поперечном сечении той или иной составляющей: НЕ —
магнитной, а ЕН — электрической соответственно.
Как уже было отмечено, в кабелях связи применяются в ос-
новном слабонаправляющие ОВ, у которых показатели преломления

Параметры передачи оптических направляющих систем 221
сердцевины и оболочки отличаются менее чем на 1 %, В таких во-
локнах, поскольку щ « п2, распространяющиеся волны можно счи-
тать плоскими. Подобное приближение приводит к возникновению
более чем одной моды с одинаковыми скоростями распространения и
собственными значениями. Это позволяет составить линейную ком-
бинацию гибридных мод, которая имеет линейную поляризацию и
является преимущественно поперечной, и перейти непосредственно к
линейно-поляризованным модам LPjm. Каждая мода LP/m обозна-
чается двумя числовыми индексами I и га. Азимутальный порядок
/ определяет число полных изменений поля по окружности светово-
да (Z = 0; 1; 2...). В свою очередь, радиальный порядок га — число
вариаций поля по диаметру (га = 1;2;3...).
7.5. Одномодовый и многомодовый
режимы передачи по ОВ
Для слабонаправляющих ОВ справедливо скалярное приближе-
ние, что позволяет записать волновые уравнения в цилиндрической
системе координат для сердцевины и оболочки круглого ступенчато-
го диэлектрического волновода в следующем виде [34, 39-44]:
9^+1-f + (^nl-^-l^F = 0, r<a; (7.19)
l£ + lf + (fc2^2 - £) ^ = °> г>а- (7.20)
Здесь скалярная функция F(r, 9) — одна из компонент электромаг-
нитного поля Ez или Hz соответственно. При выводе выражений
(7.19), (7.20) полагалось, что вследствие азимутальной и круговой
симметрии волокна
F(r,e) = Fo(r)exp[j(W + 0z)], (7.21)
где I — азимутальное характеристическое число; /3 — постоянная
распространения вдоль оси z волокна.
Для удобства вводят волноводные параметры, характеризующие
изменения электромагнитного поля в сердцевине и оболочке, соот-
ветственно:
U2=a2(k2n2-f32); (7.22)
W2 = a2((32-k2n2). (7.23)

222
Глава 7
Обозначив V2 = U2 + W2, получают
V = ка^п\-п\ (7.24)
или
у = ^NA. (7.25)
Л
Величину V называют нормированной частотой. Это один из основ-
ных параметров волоконного световода.
Решениями уравнений (7.19)-(7.20) являются функции Бесселя
[39-44]
F0(R) = AJi(UR), Д<1; (7.26)
F0(R) = BKt(WR), R > 1, (7.27)
где R = rja\ Ji — функция Бесселя первого рода порядка /; К\ —
модифицированная функция Бесселя второго рода порядка /.
В свободных от сторонних зарядов и токов областях на грани-
цах раздела сред с разными показателями преломления для ком-
понент электромагнитного поля выполняются граничные условия,
которые формулируются следующим образом. На границе разде-
ла имеет место:
• непрерывность магнитного поля и тангенциальных к поверхности
раздела компонент вектора напряженности электрического поля;
• непрерывность нормальных к поверхности раздела компонент
вектора электрической индукции.
Из условия непрерывности функции F и ее производной на гра-
нице сердцевина-оболочка, т.е. при а = 1, следует простое характе-
ристическое уравнение для определения собственных значений, ко-
торое имеет вид [39-44]
иШ~ K,(wy {7-28)
или, учитывал свойства функций Бесселя [11-16],
и ми) ~±w Kt(w) ■ {7^>
Для различных значений / из характеристического уравнения
(7.28) можно определить значения волноводных параметров U и W,
которые соответствуют значениям /?, лежащим в пределах (условие
существования направляющих мод в слабонаправляющих ОВ)
кп\ > /3 > кп2.
(7.30) .

Параметры передачи оптических направляющих систем 223
0,5
\\{ 11111
^l\hbt\| J
Iwm
-0,5
0 2 4 6 8 10 z
Рис. 7.12. Графики функций Jo (г),
л(*)
Таблица 7.1
1 /
0
1
т
1
0
2,405
2
3,832
5,520
3
7,016
8,654
4
10,173 i
11,790
Вследствие периодической структуры функции Бесселя первого
рода для каждого значения индекса I существует ограниченное чис-
ло m допустимых решений уравнения (7.29) — значений /3, удовле-
творяющих неравенству (7.30). Следовательно, каждое допустимое
значение /?, являющееся решением уравнения (7.29) и удовлетворяю-
щее условиям (7.30), характеризуется двумя целыми числами Z и т.
Первое целое число / связано с двумя круговыми функциями cos(/0)
и sin(/0). Второе целое число т соответствует порядковому номеру
корня характеристического уравнения. Таким образом, допустимые
значения (3 для каждой пары индексов /ига — это постоянные рас-
пространения соответствующих мод.
Минимально возможное значение постоянной распространения
направляемой моды 0 = kn<i называется частотой отсечки моды или
просто отсечкой. Через волноводные параметры условие отсечки
определяется следующим образом:
E/*,m = V; Wlffl
0.
(7.31)
На рис. 7.12 представлены графики изменения функций Jo и J\, a
в табл. 7.1 приведены первые четыре корня этих функций. При I — 0
наименьший корень (для т — 1) равен нулю. Это значит, что для
моды самого низшего порядка — основной моды LPoi {НЕц) частота
отсечки равна нулю V = 0. Другими словами, для основной моды от-
сечки нет. Наименьший отличный от нуля корень равный 2,405 — это
первый корень (т = 1) при / = 1. Соответственно, для V < 2,405 в во-
локне имеет место только одна основная направляемая мода. Такой
Режим работы ОВ называется одномодовым. Для V > 2,405 в волокне
Распространяются две и более направляемых мод. Режим работы ОВ
становится многомодовым. Все моды высшего порядка (/ ^ 1) имеют

224
Глава 7
частоту отсечки. Длина волны отсечки моды согласно (7.31) равна
km = —NA, (7.32)
Щгп
где Щгп — m-й по счету корень функции Бесселя первого рода по-
рядка I.
Диаметр сердцевины кварцевых одномодовых оптических воло-
кон кабелей связи составляет 6... 10 мкм и соизмерим с длиной волны
А ^ а, что обеспечивает выполнение условия отсечки для мод выс-
шего порядка V < 2,405, т.е. одномодовый режим распространение
только одной основной направляемой моды LPoi (НЕц).
В соответствии с рекомендациями G.651 Международного союза
по электросвязи МСЭ-Т (ITU-T — International Telecommunication
Union — Telecommunications department) на информационных се-
тях используют два типа кварцевых многомодовых оптических воло-
кон, которые отличаются отношением диаметр сердцевины/диаметр
оболочки: 50/125 и 62,5/125. Диаметр сердцевины многомодовых
ОВ существенно больше рабочих длин волн оптического излучения
850... 1300 нм. Как следствие, нормированная частота V > 2,405. При
этом число распространяющихся мод LPjm может достигать несколь-
ких тысяч. Число направляемых мод в ОВ с профилями показателя
преломления, которые описываются выражением вида
/(г) = {т/а)\ (7.33)
рассчитывается по формуле [43, 49-55]
V2 ( 2\
Nmodes = — {l + -y (7.34)
Для ступенчатого профиля (q = оо) формула (7.34) приводит-
ся к виду [34-36, 39, 44]
JVmodesstep = V2/2. (7.35)
Следует отметить, что профиль показателя преломления, харак-
теризуемый функцией вида (7.34) при 1 < q < оо имеет сглаженный
вид. Оптические волокна со сглаженным профилем показателя пре-
ломления также называются градиентными. В свою очередь, чис-
ло мод, распространяющихся в градиентных световодах, значительно
меньше по сравнению со ступенчатыми. В частности, указанная ве-
личина волокон с неограниченным параболическим профилем (q = 2)
в два раза меньше, чем ступенчатых [34-36, 39, 44]:
ATmodespar = V2/A. (7.36)

Параметры передачи оптических направляющих систем 225
Рис. 7.13. Трехмерные поверхности распределения, а также распре-
деление интенсивности полей основной моды и мод высших порядков
В качестве примера на рис. 7.13 представлены трехмерные по-
верхности распределения, а также распределение интенсивности по-
лей основной моды, а также мод высших порядков.
7.6. Основные параметры ОВ
Как и все направляющие системы передачи, ОВ характеризу-
ются конструктивными параметрами, параметрами передачи и экс-
плуатационными характеристиками. К конструктивным параметрам
относят геометрические размеры волокна: диаметр сердцевины, обо-
лочки, защитного покрытия и их допуски. К этой же категории от-
носится профиль показателя преломления. Следует отметить, что
поскольку ОВ является волноводом, то его конструктивные характе-
ристики являются и параметрами передачи.
8—5440

226
Глава 7
К параметрам передачи одномодовых ОВ, характеризующим ис-
кажения оптических сигналов в них, относят коэффициент затуха-
ния, параметры спектральной характеристики хроматической дис-
персии, поляризационную модовую дисперсию, площадь эффектив-
ного сечения или диаметр пятна моды, затухание отражений и ряд
других.
Эксплуатационные характеристики характеризуют срок службы
ОВ, способность сохранять свои свойства в различных условиях и, в
том числе, стойкость к внешним воздействиям, в частности стойкость
к температурным и механическим воздействиям, воздействиям влаги.
7.6.1. Конструктивные параметры ОВ
Как было отмечено ранее, традиционная конструкция использу-
емых в кабелях связи кварцевых оптических волокон представляет
цилиндрические сердцевину, оболочку и защитное покрытие, распо-
ложенные так, что сердцевина заключена в оболочку, поверх обо-
лочки наложено защитное покрытие и указанные элементы имеют
общую ось (см. рис. 7.1).
Для всех применяемых типов кварцевых волокон информацион-
ных и телекоммуникационных сетей диаметр оболочки составляет
125 мкм. Обычно он лежит в пределах 125±7 мкм [5, 7, 31-37]. Диа-
метр волокна по защитному покрытию зависит от назначения ОВ и
вида покрытия. Типичный для ОВ линейных кабелей связи внешний
диаметр защитного покрытия составляет 256±10 мкм [5, 7, 31-37].
Диаметр сердцевины кварцевых многомодовых ОВ информаци-
онных сетей равен 50 или 63,5 мкм. Диаметр сердцевины кварце-
вых одномодовых волокон сетей связи порядка 5...8 мкм. В техни-
ческих данных одномодовых волокон приводится связанный с диа-
метром сердцевины параметр wa — диаметр пятна моды. Это диа-
метр сосной сердцевине окружности, внутри которой сосредоточено
90 % всей передаваемой в ОВ оптической мощности. Диаметр пят-
на моды пропорционален диаметру сердцевины. Коэффициент про-
порциональности зависит от профиля показателя преломления. Для
ступенчатого профиля
wa = л/Й, (7.37)
Конструкция коаксиального оптического волокна описывается
его профилем показателя преломления. Многомодовые волокна ин-
формационных сетей, как правило, имеют градиентный профиль —
параболический профиль показателя преломления. На сетях связи

Параметры передачи оптических направляющих систем 227
до недавнего времени использовались в основном одномодовые сту-
пенчатые волокна. В настоящее время для кабелей связи представ-
лен целый спектр ОВ со сложными профилями, оптимизированны-
ми для решения различных задач в заданном спектральном диапа-
зоне. Это волокна треугольным профилем, с двойными оболочками
(W-профиль), многослойные ОВ и др. Примеры типичных профи-
лей показателя преломления одномодовых ОВ для сетей связи пред-
ставлены на рис. 7.2.
а, дБ/км
20
7.6,2. Потери в оптических волокнах
Потери оптической мощ-
ности в волокне характеризу-
ет его коэффициент затухания,
имеющий размерность дБ/км.
Рис. 7.14 демонстрирует эволю-
цию спектральной характерис-
тики коэффициента затухания
кварцевых ОВ за период с 1975
по 1988 годы [5, 7, 31-37]. На
характеристиках волокон 1975-
1980 годов явно просматривают-
ся окна прозрачности — уча-
стки, на которых значения за-
тухания существенно ниже.
Для ОВ 1980 года характерно
наличие трех окон прозрачно-
сти — вблизи длин волн 850,
1300 и 1550 нм. С развити-
ем технологии производства ОВ
удалось достичь меньших зна-
1000 1200 1400 1600 Х,нм
Рис. 7.14. Эволюция спектральной
зависимости собственных потерь
чений потерь и характеристика стала более гладкой (волокна 1988 г.).
Современные технологии позволяют обеспечивать малые потери во
всем рабочем диапазоне длин волн волокон из кварцевого стекла.
В частности, для одномодовых ОВ в диапазоне от 1260 до 1675 нм.
Минимальные значения затухания ОВ определяются фундамен-
тальными факторами потерь, к которым относят потери на рассе-
яние и поглощение.
Вследствие тепловых флуктуации, которые имеют место при из-
готовлении ОВ, показатель кварцевого стекла меняется в пределах
Длины волны по сечению волокна случайным образом. Это приводит
к Флуктуации показателя преломления в волокне. Свет на таких

228
Глава 7
неоднородностях рассеивается в разных направлениях. Это явление
получило название рэлеевского рассеяния. Часть оптического излу-
чения, рассеянного в сердцевине, распространяется вперед, часть —
назад, а оставшаяся часть уходит в оболочку, что и обусловлива-
ет потери передаваемой оптической мощности — потери рэлеевского
рассеяния. Вследствие дифракции — способности электромагнитных
волн огибать неоднородности, соизмеримые с длиной волны, с уве-
личением длины волны потери на рассеяние уменьшаются. Потери
из-за рэлеевского рассеяния ар, дБ/км, обратно пропорциональны
длине волны в четвертой степени [5, 7, 31-37]:
ap = fcp/A4, (7.38)
где кр — коэффициент рэлеевского рассеяния.
Для кварцевого стекла это величина порядка 0,8 (мкм4дБ)/км
[5, 7, 31-37].
Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел за-
тухания ОВ. Коэффициент рэлеевского рассеяния зависит от режима
тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении темпе-
ратуры вытяжки волокна. Так, при уменьшении температуры вы-
тяжки до 1800 °С и скорости вытяжки до 1 м/с, потери в оптических
волокнах с легированной GeCb сердцевиной удалось уменьшить до
0,29 и 0,16 дБ/км на длинах волн 1310 и 1550 нм соответственно [5,
7, 37]. Еще более снизить потери на рассеяние удается в ОВ с так на-
зываемой депрессированной оболочкой, что обеспечивается за счет
уменьшения степени легирования сердцевины [5, 7, 37]. При этом
уменьшаются и потери из-за дефектов, возникающих при вытяжке
волокна вследствие лучшего согласования материала сердцевина, и
оболочка по вязкости. Минимальных для кварцевых волокон потерь
ар удалось достичь в ОВ с сердцевиной из чистого кварцевого стекла
и оболочкой, легированной фтором [37].
Поглощение оптической энергии в кварцевом стекле связано ли-
бо с резонансами атомов в кристаллической решетке (инфракрасное
или ионное поглощение), либо с резонансами электронов (ультрафи-
олетовое или электронное поглощение). Потери ультрафиолетового
поглощения падают с увеличением длины волны и малы по сравне-
нию с потерями из-за рэлеевского рассеяния. По этой причине ими
пренебрегают. Потери из-за инфракрасного поглощения начинают
проявляться в диапазоне длин волн свыше 1600 нм и растут с уве-
личением длины волны по закону [5, 7, 31-37]
аК = Се~к/\ (7.39),

Параметры передачи оптических направляющих систем 229
а, дБ/км
0,11 1. *Ш 1 I IL. I 1L i£js 1
0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 А,,мкм
Рис. 7.15. Спектральная характеристика коэффициента затуха-
ния стандартного кварцевого одномодового оптического волокна
где С и к — постоянные коэффициенты (для кварцевого стекла
А: = 0,7....0,9 мкм; С = 0,9).
До недавнего времени примеси вносили существенный вклад в
затухание кварцевых волокон. Для ОВ из кварцевого стекла осо-
бую роль играют ионы гидроксильной группы ОН"". Субгармоники
резонанса центров поглощения, формируемых этими ионами, лежат
в области минимума собственных потерь кварцевого стекла (вторая
гармоника — 1380 нм). Как следствие, в кварцевых ОВ имеет место
увеличение затухания вблизи длины волны второй гармоники резо-
нанса ОН" — водяной пик (рис. 7.15).
Водород, который всегда присутствует в парах влаги, может
диффундировать через полимерные покрытия, взаимодействовать с
кварцевым стеклом Si02 и, занимая вакантные места в его кристал-
лической решетке, образовывать гидроксильные группы. Это при-
водит к достаточно высокой вероятности формирования центров по-
глощения на ионах ОН" в кварцевых ОВ, в том числе при отсут-
ствии специальных мер по защите от влаги, после изготовления ОВ,
в частности в процессе эксплуатации кабелей связи.
Типичная для кварцевых одномодовых оптических волокон спек-
тральная характеристика коэффициента затухания приведена на
Рис- 7.16,а [77]. Она имеет три ярко выраженных особенности:

230
Глава 7
Таблица 7.2
Коэффициент затухания, дБ
• тенденция уменьшения коэффициента затухания с увеличени-
ем длины волны, обусловленная потерями за счет рэлеевского
рассеяния;
• увеличение затухания в области длин волн выше 1600 нм, вы-
званное потерями на изгиб и инфракрасным поглощением квар-
ца;
• локальные максимумы, связанные с гармониками резонанса по-
глощения примесей гидроксильной группы ОН~.
Новые технологии позволили полу-
чить кварцевые волокна с подавленным
водяным пиком (Low Water Peak —
LWP). За счет совершенствования спо-
собов очистки кварцевого стекла и за-
мещения вакантных мест в кристалли-
ческой решетке удалось не только очи-
стить стекло от ионов ОН-, но и предот-
вратить их образование в нем в дальней-
шем. В табл. 7.2 представлены коэффициенты затухания ступенча-
тых OB SMF28, изготовленных по старой технологии, и ступенчатых
OB SMF28e с подавленным водяным пиком [37].
На рис. 7.16,5 в качестве примера приведены спектральные ха-
рактеристики затухания одномодовых оптических волокон с «водя-
ным пиком» и LWP, а также спектральные характеристики систе-
Л, нм
850
1300
1310
1380
1550
SMF28
1,81
0,35
0,34
0,55
0,19
SMF28e ]
1,81
0,35
0,34
0,31
0,19
1200 1300 1400 1500 1600 1700
Длина волны, нм
а)
-20
LWP
SSF
б)
Рис. 7.16. Спектральные зависимости затухания и дисперсии сту-
пенчатого ОВ и мощности оптического излучения в каналах CWDM

Параметры передачи оптических направляющих систем 231
мы грубого спектрального уплотнения — CWDM (Coarse Wavelength
Divided Multiplexing) [31-32, 37].
Потери релеевского рассеяния и инфракрасного поглощения яв-
ляются собственными потерями ОВ. К ним также следует отнести
потери за счет примесей и дефектов кварцевого стекла из-за флукту-
ации диаметра сердцевины. Процесс изготовления оптических кабе-
лей приводит к скрутке, деформациям и изгибам волокон в конструк-
ции ОК, которые образуются при формировании сердечника кабеля,
при наложении покрытий и оболочек. Это создает дополнительные
потери в ОВ, которые называют кабельными. К кабельным потерям
относят также дополнительные потери из-за деформации и изгибов
волокна при прокладке кабелей или при их эксплуатации. Таким
образом, результирующее затухание ОВ кабелей связи есть сумма
собственных и кабельных потерь [5, 7, 33-37]:
а = ас+ак. (7.40)
Существенная составляющая кабельных потерь — это потери на
изгибах ОВ. При изгибе волокна нарушаются условия полного внут-
реннего отражения, возбуждаются моды высшего порядка, с кото-
рыми часть мощности оптического излучения уходит в оболочку и
затухает. Различают микроизгибы и макроизгибы.
Макроизгибы — это изгибы с радиусом значительно превышаю-
щим диаметр оболочки ОВ. Они имеют место при намотке кабеля на
барабан, при выкладке запаса кабеля и ОВ на муфтах и т.п. Потери
на макроизгибе волокна поясняет рис. 7.17.
Микроизгибы — это случайные локальные осевые отклонения
ОВ от его номинального положения с амплитудой отклонения до еди-
ниц микрометров и периодом не более чем несколько миллиметров.
К причинам, вызавающим микроизгибы ОВ, относятся растяжения и
сжатия волокон в элементах сердечника кабеля при изменениях тем-
пературы, а также при изготовлении кабеля в процессе наложения
[с» 7.17. К увеличению потерь на Рис. 7.18. Формирование микроизги-
макроизгибах ОВ бов ОВ

232
Глава 7
оболочек и скрутке. Формирование микроизгиба волокна в модуль-
ной трубке поясняет рис. 7.18.
Как уже было отмечено, кабельные потери увеличиваются не
только при производстве кабельных изделий, но и в процессе стро-
ительства и технической эксплуатации кабельной линии. При со-
блюдении норм и правил строительства и технической эксплуатации
линейно-кабельных сооружений кабельные потери составляют не бо-
лее 20 % результирующего затухания ОВ.
7.6.3. Дисперсия и пропускная способность ОВ
Дисперсией оптического волокна называют рассеивание во вре-
мени составляющих оптического сигнала. Причина дисперсии —
разные скорости распространения составляющих оптического сигна-
ла. Различают модовую, поляризационную модовую и хроматиче-
скую дисперсию.
Модовая дисперсия возникает из-за того, что каждая мода в ОВ
имеет свою скорость распространения. К поляризационной модовой
дисперсии приводит разница в скоростях распространения мод раз-
ной поляризации. Хроматическая дисперсия обусловлена спектраль-
ной зависимостью скорости распространения электромагнитных волн
оптического диапазона в волноводе.
Дисперсия проявляется как
увеличение длительности (ушире-
™JZL^^ —^HJ^\,._ ние) оптических импульсов при рас-
уМ JbzL 2LL. пространении в ОВ. Это наглядно
' можно показать на примере модо-
Рис. 7.19. Модовая дисперсия ОВ вой дисперсии в ступенчатом мно-
гомодовом волокне (рис. 7.19).
Поскольку волокно ступенчатое, для всех направляемых лу-
чей скорость распространения вдоль траектории одинакова и рав-
на v — c/ni, где п\ — показатель преломления сердцевины. Луч
1 (основная мода) распространяется вдоль оси волокна, и время его
распространения на некотором участке протяженностью /
U = 1- = ^1. (7.41)
V С
Луч 2 пересекает ось волокна под углом равным апертуре и на
длине волокна / проходит вдоль своей траектории путь
k = -V- (7.42)
COS в&

Параметры передачи оптических направляющих систем 233
Время распространения этого луча на участке ОВ протяжен-
ностью /
t2 =
(7.43)
с cos 0a'
Как следствие, луч 2 проходит отрезок ОВ длиной I с задерж-
кой относительно луча 1
At2 = t2-U =
ln\
\cOS0a /
(7.44)
Поскольку каждый из направляемых лучей пересекает ось во-
локна под своим углом 0г, который лежит в пределах О < в г < 0а?
то эти моды проходят тот же отрезок ОВ каждая со своей задерж-
кой AU < At2.
Таким образом, если на входе в многомодовое ОВ вводится оп-
тический импульс определенной длительности, то на выходе име-
ет место совокупность оптических импульсов той же длительно-
сти, но сдвинутых относительно друг друга на некоторые интер-
валы времени. Очевидно, что длительность импульса оптическо-
го излучения на выходе ОВ, равного сумме модовых составляю-
щих (указанной выше совокупности оптических импульсов), будет
больше, чем длительность импульса на входе. Имеет место уши-
рение оптического импульса. Это поясняет рис. 7.20. Построение
выполнено для десяти мод. Для простоты полагали, что энергия
оптического излучения распределена между модами равномерно и
оптические импульсы модовых составляющих поступают на выход
ОВ через равные интервалы времени. Поскольку разница време-
ни распространения составляющих оптического импульса растет с
а) б)
Рис. 7.20. Уширение оптического импульса в ОВ: о — составляющие оптиче-
ского импульса на выходе ОВ; б — результирующий оптический импульс на
выходе ОВ

234
Глава 7
Кодовая последовательность на входе
Импульсы кодовой последовательности,
модулирующие оптическую несущую
Огибающие оптических импульсов
на входе волокна
Огибающие оптических импульсов
на выходе волокна
Кодовая последовательность на выходе
Рис. 7.21. Межсимвольная интерференция при уширении оптических
импульсов
увеличением длины волокна, то и его уширение на выходе линии
передачи также возрастает с увеличением ее длины.
Аналогично происходит увеличение длительности оптического
импульса из-за разброса скоростей распространения спектральных
или поляризационных составляющих. Принято оценивать уширение
оптического импульса в ОВ на некотором участке линии передачи его
среднеквадратическим значением Асг, с, которое определяется как
Aa=^out-a?n, (7.45)
где <7in, <70ut — значения среднеквадратической длительности оптиче-
ского импульса на передающей и приемной стороне соответственно.
Увеличение длительности оптических импульсов вызывает меж-
символьную интерференцию — создает переходные помехи, что ухуд-
шает отношение сигнал/помеха и в результате приводит к ошибкам
на приеме (рис. 7.21). Очевидно, что межсивольная интерференция
увеличивается с уширением оптических импульсов. При фиксиро-
ванном значении уширения импульсов межсимвольная интерферен-
ция возрастает с уменьшением периода следования импульсов Т, что
наглядно демонстрирует рис. 7.21. Таким образом, дисперсия огра-
ничивает скорость передачи информации в линии В = 1/Ги длину
регенерационного участка (РУ).
7.6.4. Модовая дисперсия ОВ
Модовая дисперсия ОВ обусловлена большим числом мод, рас-
пространяющихся в многомодовых волокнах с разной скоростью. Она
1
к
1
0
? |
1
А
1

Параметры передачи оптических направляющих систем 235
существенно превышает другие виды дисперсии (хроматическую, по-
ляризационную модовую). Поэтому полоса пропускания многомодо-
вых ОВ определяется в основном модовой дисперсией. Увеличения
полосы пропускания многомодовых ОВ добиваются за счет градиент-
ного профиля показателя преломления, в котором показатель пре-
ломления в сердцевине плавно уменьшается от оси ОВ к оболочке.
При таком градиентном профиле скорость распространения лучей
вблизи оси волокна меньше, чем в области, прилегающей к оболоч-
ке. В результате с увеличением протяженности траектории направ-
ляемых лучей на отрезке волокна возрастает их скорость распро-
странения вдоль траектории. Чем больше длина пути, тем больше
скорость. Это обеспечивает выравнивание времени распространения
лучей и, соответственно, снижение модовой дисперсии. Оптималь-
ным с точки зрения минимизации модовой дисперсии является па-
раболический профиль.
Полоса пропускания многомодовых волокон характеризуется ко-
эффициентом широкопол осности AF, МГцкм, значение которого
указывается в паспортных данных ОВ на длинах волн, соответ-
ствующих первому и второму окнам прозрачности. Полоса пропус-
кания для ттиповых многомодовых оптических волокон составляет
400...2000 МГцкм [5, 7, 33-37, 44].
Для высокоскоростной передачи данных (до 1 Гбит/с и выше)
необходимо в качестве источников излучения оптоэлектронных моду-
лей использовать одномодовые лазеры. Одномодовые лазерные ис-
точники оптического излучения при подключении к многомодовым
ОВ возбуждают в них небольшое число мод. Как следствие, разброс
скоростей распространения этих мод приводит не к уширению опти-
ческого импульса, а проявляется в виде дифференциальной модовой
задержки (ДМД), а отклик на воздействие оптического импульса на
выходе ОВ имеет вид наложенных друг на друга с некоторым вре-
менным сдвигом небольшого числа оптических импульсов (2-5) [44].
ДМД носит случайный характер и зависит непосредственно от
параметров конкретной пары «источник-волокно», а также от усло-
вий ввода излучения с выхода лазера в линейный тракт многомодово-
го ОВ. Поэтому в паспортных данных новых типов многомодовых ОВ,
оптимизированных для работы с лазерами, помимо коэффициента
Широкопол осности указываются дополнительные сведения, получен-
ные в результате измерений ДМД в процессе изготовления волокна,
"^пример, предельная длина РУ одномодовой ОСП Gigabit Ethernet.
В одномодовых ОВ распространяется только одна основная мода
и модовой дисперсии нет. Этим и объясняется преобладающее рас-
пРостранение одномодовых ОВ на высокоскоростных сетях связи.

236
Глава 7
7.6.5. Хроматическая дисперсия
Хроматическая дисперсия DCh проявляется как в одномодо-
вых, так и многомодовых оптических волокнах. Она обусловлена
конечной шириной спектра излучения лазера и зависимостью скоро-
сти распространения мод от длины волны. Хроматическая дисперсия
может быть представлена как алгебраическая сумма материальной
и волноводной дисперсии [5, 7, 31-44]:
А* = Anat + Du
(7.46)
Материальная дисперсия Dmat определяется дисперсионны-
ми свойствами кварцевого стекла и легирующих добавок. Спектраль-
ные зависимости показателя преломления чистого кварцевого стек-
ла и легированного окисью германия приведены на рис. 7.22 [34,
44]. Если показатель преломления среды зависит от длины волны
п(А), то и скорость распространения моды оптического излучения
в этой среде также будет характеризоваться спектральной зависи-
мостью v{\) = с/п(Х).
Дисперсионную характеристику кварцевых стекол принято опи-
сывать известным уравнением Селлмейера, которое имеет вид [5, 7,
31-34, 37, 39-48]:
»2 = i + £
А^
j=i
А2
ву
(7.47)
к
N
N.
86,5%Si02+13,5%Ge02
Ч^.
100 *М
Si02
"-J
^ 1
Dmat» ПС/(НМКМ)
1,48
1,46
1,45
1,43
1,42 0,5 0,9 1,3 1,7 2,1 ?с,мкм
Рис. 7.22. Спектральная зависимость
показателя преломления чистого квар-
ца (сплошная кривая) и кварца, леги-
рованного 13,5 % германия (штриховая
кривая)
0,8 1 1,2 1,4 1,6 X, мкм
Рис. 7.23. Спектральная зависимость
коэффициента материальной диспер-
сии чистого кварца (сплошная кривая)
и кварца, легированного 13,5 % герма-
ния (штриховая кривая)

в) г)
Рис. 7.24. Хроматическая дисперсия: а — импульс на входе ВОЛП; б — нор-
мальная дисперсия; в — аномальная дисперсия; г — область нулевой диспер-
сии
где Aj и Bj — коэффициенты Селлмейера, соответствующие задан-
ному типу материала, легирующей примеси и ее концентрации.
Количественно материальную дисперсию оценивают коэффици-
ентом jDmat пс/(нм-км), равным [5, 7, 31-48]:
^ А д2п ,„ л„.
Dmat = — — . (7.48
с o\z
В качестве примера на рис. 7.23 представлены спектральные ха-
рактеристики коэффициентов материальной дисперсии чистого квар-
ца и кварца, легированного 13,5 % германия [34].
Характер материальной дисперсии зависит не только от шири-
ны спектра излучения источника, но и от его центральной рабочей
Длины волны. В области длин волн Л > 1360 нм короткие волны
распространяются быстрее, чем более длинные и материальная дис-
персия больше нуля {DmSLt > 0). Данный диапазон получил название
области нормальной или положительной дисперсии (рис. 7.24,6).
В области длин волн Л < 1200 нм, напротив, длинные волны рас-
пространяются быстрее, чем более короткие и материальной диспер-

238
Глава 7
сии отрицательна (Dmat < 0)- Данный диапазон называют областью
аномальной или отрицательной дисперсии (рис. 7.24,в).
В некоторой точке спектра, которую называют точкой нулевой
материальной дисперсии Ло, имеет место совпадение скоростей рас-
пространения спектральных составляющих (рис. 7.24,г). Для чистого
кварца SiCb точка нулевой материальной дисперсии соответствует
длине волны 1280 нм (рис. 7.23).
Волноводная дисперсия Z}w обусловлена спектральной зави-
симостью групповой скорости распространения моды, вид которой
определяется профилем показателя преломления оптического волок-
на и нормированной частотой.
При V —> оо площадь эффективного сечения пятна моды мала по
сравнению с характерными размерами профиля. Область, в которой
распространяется мода, далека от границ раздела и волноводной дис-
персией можно пренебречь. Хроматическая дисперсия определяется
в основном дисперсией материала в центре сердцевины.
При V —> 0 площадь эффективного сечения основной моды зна-
чительно превышает характерные размеры профиля и энергия моды
сосредоточена в основном в оболочке. Как следствие, волноводной
дисперсией можно пренебречь и хроматическая дисперсия определя-
ется дисперсией материала оболочки.
Напротив, в одномодовых волокнах при V « 1,2 площадь эффек-
тивного сечения пятна моды соизмерима с характерными размерами
профиля и волноводная дисперсия вносит существенный вклад. Это
позволяет, подбирая профиль показателя преломления, добиваться
в заданной области длин волн требуемых свойств дисперсионной ха-
рактеристики ОВ. Например, минимизации результирующей хрома-
тической дисперсии на рабочей длине волны за счет компенсации
материальной дисперсии волноводной.
Волноводную дисперсию количественно оценивают коэффициен-
том Dw, который определяется следующим образом [5, 7, 31-48]:
где V — нормированная частота, значение которой определяется по
формуле (7.24); Ъ — нормированная постоянная распространения, ко-;
торая связана с /3 следующим выражением [39-44]:
Ь=/^. (7-50)
Составляющая V[d2(Vb)/dV2] формулы (7.49) называется нор-*
мированным параметром волноводной дисперсии. j

Параметры передачи оптических направляющих систем 239
40
20
0
-20
-40
А пс/(нмкм)
Материальная Dmtt
Волноводная Д_
.J.
Хроматическая Dmat
J I L
1,1
1,3
1,5
1,7 X, мкм
рис. 7.25. Хроматическая дисперсия стандартного ступенчатого одномодового
ОВ
На рис. 7.25 приведены спектральные характеристики хромати-
ческой дисперсии стандартного одномодового ступенчатого волокна
и ее составляющих — материальной и волноводной дисперсии. Здесь
преобладает положительная материальная дисперсия. Точка нуле-
вой дисперсии лежит вблизи длины волны 1300 нм.
Для волокон со смещенной дисперсией профиль показателя пре-
ломления и его параметры подбираются так, чтобы точка нулевой
дисперсии сместилась в область длин волн с минимальными поте-
рями кварцевого волокна (рис. 7.26). Такие дисперсионные харак-
теристики имеют волокна с относительно простыми профилями: од-
нослойными — ступенчатым, треугольным, двухслойными. При ис-
пользовании спектрального уплотнения желательно, чтобы диспер-
сионная характеристика волокна в рабочем диапазоне длин волн бы-
ла равномерной. Подобная зависимость характерна для волокон со
сглаженной дисперсией и обеспечивается за счет достаточно слож-
ных профилей показателя преломления: трехслойные W-профили,
многослойные профили (рис. 7.26).
Д пс/(нмкм)
8
4
0
-4
-8
-12
0 Ступенчатое волокно
—1 I— Волокно со смещенной
дисперсией
-К-
Волокно со сглаженной
дисперсией
_пЛл-
1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Х.,мкм
Рис. 7.26. Хроматическая дисперсия одномодовых оптических волокон

240
Глава 7
Таблица 7.3
Длина волны
Л, нм
1310
1550
D, пс/(нмкм), для ОВ
стандартного ступенчатого
< 2,7..3,5
^ 17..18
со смещенной дисперсией
^ 25
^2,7 !
Количественно хроматическую дисперсию ОВ оценивают коэф-
фициентом D с размерностью пс/(нм-км). Хроматическая дисперсия
волокна в пикосекундах (пс) на участке протяженностью L км, равна
DL = DLAX, (7.51)
где ДА — полоса длин волн источника оптического излучения, нм.
В табл. 7.3 приведены типичные значения коэффициента хро-
матической дисперсии D для ступенчатого ОВ и ОВ со смещенной
дисперсией.
Спектральную характеристику хроматической дисперсии задают
такими параметрами, как длина волны нулевой дисперсии Ло, нм, и
наклон дисперсионной характеристики So, пс/(нм2км). Для ступен-
чатого одномодового оптического волокна типа Corning™ SMF-28e
значения этих параметров составляют: So = 0,092 пс/(нм2км);
Ло = 1301,5...1321,5 нм [37].
Для определения значений коэффициента хроматической дис-
персии D стандартного ступенчатого ОВ — standard step index profile
fiber (SSF) на длине волны Л, лежащей в диапазоне от 1260 до 1675 нм,
рекомендуется формула [37, 44, 49]
So Л Ло\ пс
4 \ А-5 / нм • км
Для волокон со смещенной дисперсией — dispersion shift fiber!
(DSF) величину D на заданной длине волны Л, лежащей в диапазоне^
от 1260 до 1675 нм, рекомендуется оценивать по следующей интер-
поляционной формуле [31-32, 37, 50]:
13(A) = AoSoln (■$-) , ——• (7.53)
\ Ло / нм • км
В ряде случаев в качестве параметров спектральной характери-
стики дисперсии ОВ используют значения коэффициентов хромати-,
ческой дисперсии на длинах волн Ai и Л2, соответствующих грани-1
цам спектральных диапазонов. Тогда коэффициент хроматической j
дисперсии D(X) на длине волны Л из диапазона Ai < Л < Л2 onpe-j

Таблица 7.4
В, Гбит/с
SDH: STM—
Dpymax ПС/НМ
Lmax, км: OB SSF А=1550 нм, £>=17 пс/(нм-км)
2,5
16
16640
980
10
64
1040
62
40
256 |
65
4
деляется значениями D(Xi) и £>(Л2) и рассчитывается по формуле
[31-32, 37, 50-53]
= Д(Л;)-Д(Лх) _ А + _^ic_
Л2 — Ai НМ- КМ
Обычно такая методика применяется для волокон с ненулевой
смещенной дисперсией — non-zero dispersion shift fiber (NZ-DSF).
При использовании кодов без возврата к нулю, при отсутствии
чирп-эффекта и при условии приращения уровня переходных помех
не более чем на 1 дБ максимально допустимая хроматическая дис-
персия на РУ ВОЛГЕ при передаче сигналов со скоростью £, Гбит/с,
приближенно определяется выражением [31-32, 49-53]
104000 / /*KK4
£>РУтах = 2 , ПС/НМ. (7.55)
Оценки дисперсии и максимальной протяженности РУ, в пре-
делах которого не требуется проведение дополнительных меропри-
ятий по компенсации хроматической дисперсии, для стандартных
ступенчатых волокон на длине волны А = 1550 нм представлены в
табл. 7.4 [31-32].
Скорости передачи 2,5 Гбит/с соответствуют допустимым значе-
ниям хроматической дисперсии 16640 пс/км и длины РУ 980 км, что в
большинстве практических случаев вполне приемлемо. Однако уже
при В = 10 Гбит/с эти значения снижаются до 1040 пс/нм и 62 км,
а при В = 40 Гбит/с — до 65 пс/нм и 4,0 км соответственно. Для
увеличения протяженности РУ необходима или замена ОВ и/или при-
менение дополнительных мероприятий по компенсации дисперсии.
7.6.6. Нелинейные искажения оптических сигналов
в оптических волокнах
С внедрением систем спектрального уплотнения и применением
°птических усилителей нелинейные эффекты в оптических волокнах
стали одним из факторов искажений сигналов в линейном тракте
иЛП, во многом определяющим длину РУ.

242
Глава 7
Как известно в первом приближении можно полагать, что сред-
нее значение показателя преломления среды [31-32, 43, 45-48, 55]
п = п0 + п2\Е\2, (7.56)
где Е — напряженность электрического поля, по — показатель пре-
ломления в отсутствии внешнего поля, а параметр п2 определяется
свойствами среды и в большинстве случаев больше нуля. Для квар-
цевых стекол п2 = 2,2...3,6 • 10~20 м2/Вт.
При малых значениях мощности оптического излучения вторым
членом в формуле можно пренебречь и нелинейность среды не учиты-
вать. Однако в современных ВОСП ее значения достаточно велики.
Так, первоначально, согласно рекомендациям МСЭ-Т G.662 [54], на
длине волны 1550 нм уровень мощности в ОВ ограничивался 17 дБм.
Затем он был увеличен до 19 дБм. В настоящее время представле-
ны системы спектрального уплотнения, в которых уровень мощности
достигает 30 дБм [31-32, 37].
Из (7.56) при п > по следует возможность самофокусировки оп-
тического излучения. Если в среде распространяется поток оптиче-
ского излучения высокой интенсивности, то за счет увеличения по-
казателя преломления в области действия излучения формируется
своеобразный волновод.
Степень проявления нелинейных эффектов возрастает с увели-
чением интенсивности (плотности мощности) / = Р/Аея и длины вза-
имодействия Ln и оценивается их произведением
М = PLn/AeR. (7.57)
Здесь Р — мощность оптического излучения; Аек — площадь эф-
фективного сечения.
В объемных средах длина взаимодействия ограничена из-за ди-
фракционной расходимости света значениями порядка Ае^/Х (реле-
евское расстояние). В одномодовых ОВ оптическое излучение скон-
центрировано внутри пятна моды и эта концентрация сохраняется на
всей длине ОВ. Длина взаимодействия в ОВ ограничена затуханием.
Нелинейные эффекты проявляются только на начальном участке,
где мощность оптического излучения еще достаточно велика. Эф-
фективная длина этого участка определяется формулой [45-48, 55]
Leff = [l-exp(-aL)]/a, (7.58)
где L — длина волокна; a — коэффициент затухания ОВ.
В качестве параметра нелинейности ОВ используют величину
72 = n2k0/Aeff.
(7.59)

Параметры передачи оптических направляющих систем 243
Для одномодовых волокон площадь эффективного сечения
A€ff = ™2/4, (7.60)
где w — диаметр пятна моды.
Диаметр пятна моды приводится в технических данных на ОВ.
Очевидно, что для снижения влияния нелинейных эффектов на пере-
дачу целесообразно выбирать ОВ с большей площадью эффективного
сечения, т.е. с большим диаметром пятна моды.
Нелинейные явления в оптических волокнах разделяют на две
основные группы: рассеяния (неупругие взаимодействия) и пре-
ломления (упругие взаимодействия). В первом случае (рассея-
ние) — изменяется действительная часть постоянной распростране-
ния, что проявляется как затухание или усиление. Во втором слу-
чае (преломление) — изменяется мнимая часть постоянной распро-
странения, что проявляется как фазовая модуляция.
Нелинейные эффекты рассеяния возникают, когда оптические
сигналы при прохождении по кварцевым волокнам взаимодейству-
ют с акустическими волнами (акустическими фононами) или моле-
кулярными вибрациями (оптическими фононами). Подобное взаимо-
действие рассеивает оптическое излучение и сдвигает рабочую длину
волны в область спектра более длинных волн. Существует два вида
возбуждаемого рассеяния в ОВ — бриллюэновское и рамановское.
Вынужденное рассеяние Бриллюэна—Мандельштама —
Stimulated Brillouin Scattering (SBS). Распространяющееся в ОВ волна
оптического излучения создает волну обратного релеевского рассея-
ния и, за счет явления электрострикции, тепловую упругую волну.
В результате взаимодействия этих волн возникают волны показате-
ля преломления, движущиеся со скоростью звука, — акустические
фононы. Некоторая часть оптического излучения, распространяю-
щегося в прямом направлении с рабочей частотой г;о, рассеивается
на подвижных акустических фононах и возбуждает обратный поток
SBS на частотег/в = vq~(10+s) ГГц, где s « 0,4 ГГц. Обратный поток
приводит к рассогласованию генератора и линии передачи, повыше-
нию уровня шумов и нестабильности уровней распространяющихся
в волокне оптических сигналов.
SBS обладает самым низким порогом возбуждения от всех нели-
нейных эффектов, точное значение которого зависит от ширины спек-
тра излучения источника и особых характеристик волокна. Типовое
пороговое значение SBS составляет, независимо от числа каналов, по-
рядка нескольких милливатт. Самым простым способом увеличения
порогового значения SBS является модуляция лазерного источника

244
Глава 7
низкочастотным синусоидальным сигналом, поскольку именно с уве-
личением ширины спектра излучения источника пороговое значение
SBS увеличивается. Следовательно, несмотря на то что SBS обла-
дает самым низким порогом чувствительности, этот вид рассеяния
легче всего нейтрализовать.
Вынужденное рассеяние Рамана — Stimulated Raman Scat-
tering (SRS). В основе вынужденного рамановского рассеяния — по-
глощение фотонов молекулой, использование части энергии фотона
на возбуждение колебаний этой молекулы, а оставшейся части энер-
гии на испускание фотона с более низкой частотой. Рассеяние Ра-
мана — это рассеяние на оптических фононах как результат взаимо-
действия электромагнитных волн оптического излучения и вибраций
молекул среды распространения. SRS распространяется в обоих на-
правлениях на частоте vr = v0 — (10 + s) ТГц, где s = 0,5 ТГц.
Пороговое значение SRS зависит от волокна, числа передавае-
мых каналов, средней мощности излучения на канал и протяженно-
сти регенерационного участка. Для одноканальных систем, порого-
вое значение SRS составляет около 1 Вт, что во много раз больше по-
рогового значения SBS. Вместе с тем, в отличие от SBS, пороговое зна-
чение SRS не зависит от широкополосности модулирующего сигнала.
Вынужденное рамановское рассеяние проявляется в виде пере-
ходных межканальных помех. Если не будут развиваться техноло-
гии, позволяющие уменьшить эффект SRS, этот вид рассеяния в бу-
дущем может стать основным параметром, ограничивающим емкость
оптических систем. Тем не менее, пороговое значение SRS доста-
точно высоко, для того, чтобы ограничивать наращивание современ-
ных оптических сетей.
SRS играет важную роль в современной волоконно-оптической
связи, поскольку позволяет создавать оптические усилители с широ-
кой полосой частот, смещенной в длинноволновую сторону относи-
тельно длины волны накачки на величину порядка 100 нм (13 ТГЦ).
Нелинейные эффекты преломления возникают из-за флуктуа-
ции показателя преломления. При низком уровне оптического излу-
чения показатель преломления кварцевых оптических волокон мож-
но считать величиной постоянной. Однако оптическое излучение
большой мощности может модулировать показатель преломления.
Глубина этой модуляции зависит от интенсивности передаваемого
оптического сигнала.
Нелинейные явления этой группы разделяют на три катего-
рии: самомодуляция фазы, перекрестная фазовая модуляция, че-
тырехволновое смешение.

Параметры передачи оптических направляющих систем 245
Собственная модуляция фазы — Self Phase Modulation
(SPM). SPM — это модуляция оптическим сигналом большой ин-
тенсивности своей собственной фазы. Распространяющийся в во-
локне оптический импульс большой интенсивности, является при-
чиной изменения во времени показателя преломления среды рас-
пространения. Изменения показателя преломления модулируют фа-
зу передаваемой длины волны (передаваемых волн), что расширяет
спектр распространяющегося оптического импульса. Строго говоря,
спектральное расширение может стать причиной наложения смеж-
ных каналов в системах со спектральным уплотнением — Wavelength
Divided Multiplexing (WDM). Кроме того, в зависимости от знака хро-
матической дисперсии, спектральное расширение является причиной
увеличения или уменьшения длительности оптического импульса.
В хвосте волнового пакета возникает сдвиг к более коротким дли-
нам волн, а на переднем фронте — в область длинных волн.
Эффект самомодуляции возрастает при увеличении вводимой
в канал мощности при постоянном эффективном сечении волокна,
увеличении скорости передачи сигнала, отрицательной хроматиче-
ской дисперсии. Разнесение каналов на данное явление практически
не влияет. Эффект самомодуляции уменьшается при нулевой или
небольшой положительной дисперсии оптических волокон, увеличе-
нии эффективного сечения волокна, компенсации дисперсии.
Перекрестная фазовая модуляция — Cross-Phase Modulation
(СРМ). Эффект СРМ заключается в том, что сигнал одного канала
модулирует фазы сигналов в соседних каналах. Причины возникно-
вения и СРМ одни и те же. Разница в том, что SPM описывает вза-
имодействия внутри одного канала, а СРМ — воздействие импульса
на фазы импульсов других каналов. SPM наблюдается как в одно-
канальных, так и в многоканальных системах. СРМ наблюдается
только в многоканальных системах.
Очевидно, что факторы, увеличивающие эффект SPM, увеличи-
вают и СРМ. Это увеличение вводимой в канал мощности при посто-
янном эффективном сечении волокна, увеличение скорости передачи
сигнала, отрицательная хроматическая дисперсия волокна. Эффект
СРМ возрастает также при увеличении числа каналов.
Как и в случае SPM, разнесение каналов на СРМ практически
не влияет. Эффект перекрестной модуляции уменьшается при уве-
личении эффективного сечения волокна, компенсации дисперсии.
Четырехволновое смешение — Four Wave Mixing (FWM).
MVM представляет собой нелинейное взаимодействие комбинации

246
Глава 7
двух или более оптических длин волн, в
результате чего появляются новые дли-
ны волн. При прохождении двух волн с
2(0,-0)2 со, ^ 20^, частотами шиш2 через элемент с нели-
нейной характеристикой эти новые вол-
Рис. 7.27. Эффект четы- ны наблюдаются на частотах ujpi =
рехволнового смешения ~ ~ , _ ~,_ч
= 2u>i — UJ2 и u>F2 = 2о;2 - ^1 (рис. 7.27).
Количество возникающих при FWM нелинейных продуктов опреде-
ляется формулой
NFWm = \n2(N-1), (7.61)
где N — число оптических каналов (оптических несущих).
Из (7.61) следует, что в четырехканальной системе WDM возни-
кает 24 продукта нелинейности, а в 16-канальной уже 1920! Четы-
рехволновое смешение является одним из самых вредных нелинейных
оптических явлений для WDM, поскольку продукты нелинейности
FWM невозможно удалить из общего потока, используя современ-
ные технологии выравнивания сигналов.
FWM искажает передачу за счет переноса мощности сигнала ра-
бочей длины волны на создание новых волн. В системах DWDM,
где каналы одинаково разнесены по спектральному диапазону (че-
рез одинаковые промежутки), продукты четырехволнового смешения
могут направленно накладываться на сигналы других каналов. Ука-
занный вид нелинейных эффектов может искажать глаз-диаграмму
и привести к увеличению коэффициента ошибок, поскольку количе-
ство продуктов FWM пропорционально числу рабочих длин волн, а
электрическое поле новой волны может взаимодействовать с рабочей
длиной волны как положительно, так и отрицательно.
Очевидно, что эффект четырехволнового смешения проявляется
больше с увеличением мощности передачи в канале и при увеличении
числа каналов. Если мощность оптического излучения на входе каж-
дого канала одинакова, то эффективность FWM может быть выра-
жена как отношение мощности FWM к мощности на выходе волокна
на каждый канал, что пропорционально
п2
Г) ОС
п2
[AeffD(A\)*\
(7.62)
где П2 — коэффициент нелинейности (нестабильности) показателя
преломления волокна; Аея — глубина проникновения поля моды (эф-
фективный диаметр поля моды волокна); D — коэффициент хро-

Параметры передачи оптических направляющих систем 247
матической дисперсии волокна; ДА — спектральный диапазон меж-
ду каналами.
Как следует из (7.62), мощность продуктов четырехволнового
смешения растет при уменьшении частотного интервала между ка-
налами, площади эффективного сечения и хроматической дисперсии
ОВ. Вместе с тем, при D —► 0 мощность продуктов четырехволно-
вого смешения резко возрастает.
Хроматическая дисперсия играет решающую роль в снижении
эффекта FWM. Разрушая фазовое согласование между взаимодей-
ствующими сигналами, хроматическая дисперсия ослабляет возбуж-
дение продуктов FWM. Системы WDM, работающие в третьем окне
прозрачности по волокнам DSF, строго ограничены по числу опти-
ческих каналов из-за нулевой дисперсии таких ОВ на длине вол-
ны 1550 нм.
7.6.7. Неоднородности волоконно-оптической линии
Оптический линейный тракт смонтированной линии передачи яв-
ляется составным. Он включает волокна строительных длин ОК и
их соединения, оптический разъемы и другие элементы. Из-за раз-
ницы конструкций оптических направляющих структур компонентов
линейного тракта, разброса их оптических и геометрических харак-
теристик волновое сопротивление линии изменяется. То есть име-
ют место неоднородности.
Неоднородности линейного тракта линии передачи принято раз-
делять на внутренние и стыковые [35-36, 56]. Внутренние формиру-
ются внутри длины ОВ и обусловлены флуктуациями оптических и
геометрических характеристик ОВ вдоль длины. Стыковые неодно-
родности формируются на стыках — в местах соединений отдель-
ных элементов.
При падении распространяющейся в оптической линии электро-
магнитной волны на отдельную неоднородность часть мощности от-
ражается и распространяется в обратном направлении. Отдельную
неоднородность принято оценивать локальным коэффициентом от-
ражения, который равен отношению оптической мощности волн от-
раженной от неоднородности и падающей на нее [31, 56-59]:
q = Ротр/Рпад, (7.63)
или, в логарифмических единицах, — разности уровней оптической
мощности волн отраженной от неоднородности и падающей на нее:
Aq = Ю lg (§2Р ) = Ротр - Рпад- (7-64)
\ "пад /

248
Глава 7
Минимальное значение коэффициента отражения в ОВ опреде-
ляется уровнем потока обратного релеевского рассеяния.
Множество неоднородностей приводят к многократным отраже-
ниям в линии передачи и, как следствие, к многолучевой интерфе-
ренции — multipath interference (MPI), в результате чего формируют-
ся встречный и попутный потоки мощности оптического излучения.
Конец линии, к которому подключен оптический генератор, принято
называть ближним, а противоположный ему конец линии, соответ-
ственно, дальним. Таким образом, оптическое излучение, несущее
полезный сигнал, распространяется от ближнего конца к дальнему.
Встречный поток распространяется в обратном направлении — от
дальнего конца к ближнему — и поступает на вход источника оптиче-
ского излучения. Это приводит к рассогласованию оптического гене-
ратора и линии передачи и, как следствие, дополнительным потерям
оптической мощности на вводе. Попутный поток распространяется
в том же направлении, в котором осуществляется передача полезно-
го сигнала, и создает дополнительную помеху на приеме. Наиболее
существенно проявление многолучевой интерференции в линиях пе-
редачи с оптическим усилением.
Степень неоднородности оптического линейного тракта линии пе-
редачи в целом принято оценивать параметром, который получил
название затухание отражений (optical return loss — ORL). Эта ве-
личина определяется как разность измеренных на ближнем конце
уровней средней мощности оптического излучения, введенного в ОВ,
и средней мощности оптического излучения, поступающего из линии
передачи на ближний конец:
A}RL = Рпад - Робр, (7.65)
другими словами, как выраженное в логарифмических единицах от-
ношение средней мощности оптического излучения, введенного в ОВ,
и средней мощности оптического излучения, поступающего из линии
передачи на ближний конец:
Aq = lOlg(^y (7.66)
Максимальное значение затухания отражений определяется мощ-
ностью обратного релеевского рассеяния, измеренной на ближнем
конце, и, как правило, превышает 85,9 дБм.
7.6.8. Эксплуатационные характеристики ОВ
К эксплуатационным характеристикам ОВ, определяющим воз-
можность эффективного строительства и эксплуатации волоконно-

Параметры передачи оптических направляющих систем 249
оптических линий передачи, включая прокладку ОК, монтаж, ре-
монт и техническое обслуживание, относят параметры надежности и
характеристики стойкости ОВ к воздействиям внешней среды.
Эксплуатационная надежность ОК и, соответственно, кабельной
линии передачи во многом определяется механическими характери-
стиками ОВ. К основным факторам, определяющим срок службы
ОВ, относят такие свойства ОВ, как долговременная механическая
прочность, которая зависит от параметров статической усталости,
исходная инертная прочность, которая определяется размером наи-
большего дефекта на всей длине волокна, а также создаваемые в ОВ
механические напряжения [5, 60-63].
Кварцевое стекло является материалом, не проявляющим пла-
стичности. При деформациях в стекле на любом дефекте (напри-
мер, царапине) возникают локальные механические перенапряже-
ния, которые не могут релаксировать за счет пластической дефор-
мации. Расчеты показывают, что в зависимости от глубины трещи-
ны напряжения в стекле в ее вершине в десятки или даже сотни
раз выше, чем средние по объему. Это является основной причи-
ной низкой прочности изделий из стекла, поверхность которых не
защищена от механических контактов и, как следствие, имеет мно-
жество микродефектов [60-62].
Сегодня разработаны некоторые общие технологические требо-
вания, которые позволяют получать практически бездефектные во-
локна с высокой прочностью на разрыв (5,5 ГПа или — 70 Н при диа-
метре 125 мкм) на коротких кусках (~1 м) при ее небольшом раз-
бросе [5, 58, 60-61]. Это — производство заготовок из материала
без внутренних включений, химическая и огневая полировка заго-
товки перед вытяжкой, контроль атмосферы в зоне нагрева, работа в
обеспыленном помещении, очистка от пыли полимерных материалов
для покрытия и др. Однако малый разброс разрывной прочности на
коротких кусках не позволяет гарантировать отсутствие одной или
нескольких слабых точек на длине оптических волокон, достигающей
нескольких километров. На большой длине возможно появление ред-
ких дефектов, которые отбраковываются в условиях производства
путем контрольной перемотки под нагрузкой (proof-test) всей дли-
ны волокна после его вытяжки.
При перемотке ОВ с фиксированным усилием натяжения на де-
фектах, размер которых превышает критический, волокна разруша-
ются. Увеличение нагрузки при перемотке уменьшает минималь-
ный размер отбраковываемого дефекта пропорционально квадрату
нагрузки. Усилие натяжения при перемотке измеряется в гигапас-
калях или выражается в процентах удлинения волокна. При пере-

250
Глава 7
мотке с удлинением 1 % отбраковываются дефекты с размером более
0,86...1,0 мкм [60-62]. Поскольку сама процедура перемотки ОВ под
нагрузкой также ухудшает прочность волокна, вводят запас по пе-
ремотке — отношение натяжения перемотки к эксплуатационному.
Для обеспечения срока службы ОК на линии общей протяженностью
100 км в течение 25 лет с вероятностью отказа менее 0,001 значение
запаса по перемотке должно быть порядка 3...4 [5, 60-62]. На прак-
тике для большинства волокон значение натяжения при перемотке
выбирается равным 0,7 ГПа (1 %). Для ОВ, предназначенных к ис-
пользованию в подводных кабелях, она составляет 1,4 ГПа. Значения
натяжения при перемотке приводятся в спецификации на волокно.
Оставшиеся на поверхности кварцевых волокон дефекты растут.
Из-за роста дефектов волокна постепенно снижают свою прочность
и в результате разрушаются. Другими словами, оптические волок-
на в полимерных оболочках подвержены статической усталости или
усталостному разрушению. Время до момента полного разрушения
волокна зависит от его исходной прочности и приложенной нагрузки.
На статическую усталость оказывают определенное влияние мате-
риал защитного покрытия, некоторые химические вещества (напри-
мер, аммиак), повышенная температура при повышенной влажности
и ряд других факторов.
Важнейшим из параметров статической усталости ОВ является
безразмерный параметр N, учитывающий взаимосвязь роста микро-
трещин и натяжения волокна. Чем выше N, тем выше механическая
прочность ОВ. Значение N определяется экспериментально и всегда
приводится в спецификации ОВ. Для стандартных волокон оно обыч-
но равно 20, а для волокон особой прочности достигает 25 [5].
Если к двум образцам волокон с одинаковой исходной прочно-
стью в одинаковых условиях окружающей среды приложить две раз-
ные нагрузки, то соответствующее каждой из них время до разруше-
ния образца удовлетворяет следующему соотношению [60]:
где N — параметр статической усталости, равный, как правило, N =
= 20...22; о"1, о"2 — приложенные нагрузки; ti, t^ — соответствующее
время до разрушения образца.
Из (7.67) следует, что уменьшение нагрузки на 10 % увеличивает
срок службы в тех же условиях приблизительно в 8... 10 раз.
Волокна подвергаются внешним воздействиям, начиная со ста-
дии их изготовления, и в дальнейшем в процессе изготовления ка-

/ [драметры передачи оптических направляющих систем 251
,_► Исходная (инертная) прочность
Исходная прочность
на момент ввода линии
в эксплуатацию
Усталостное
У разрушение
Остаточная
>* механическая
прочность
Время
Рис. 7.28. Усталостное разрушение ОВ
беля, строительства и эксплуатации кабельной линии. Это иллю-
стрирует рис. 7.28 [62]. Следует отметить, что при строительстве и
эксплуатации волокна находятся обычно в значительно менее благо-
приятных условиях (при повышенной влажности, колебаниях темпе-
ратуры и т.п.), чем при тестировании и каблировании.
Конструкции волоконно-оптических кабелей защищает волокна
от внешних воздействий, максимально снижая растягивающие и из-
гибные нагрузки на волокна. Однако полностью их не исключает.
Поэтому столь важно строгое соблюдение технологии строительства
и технической эксплуатации линейно-кабельных сооружений ВОЛП,
в частности контроль радиусов изгиба, внешних нагрузок. Как пока-
зали исследования, чтобы гарантировать эксплуатационную надеж-
ность ОК в линии протяженностью 100 км в течение 25 лет с вероят-
ностью отказа менее 0,001 механические напряжения ОВ не должны
превышать допустимого значения натяжения (относительного удли-
нения) равного 0,2...0,25 % [5].
К нормируемым механическим характеристикам ОВ относят так-
же минимально допустимый радиус изгиба и усилие стягивания по-
крытия.
Для стандартных оптических волокон диаметром 125 мкм реко-
мендуется минимально допустимый радиус изгиба 50 мм, а радиус
изгиба волокон в кассете оптической муфты не менее 60 мм [63, 64].
Усилие стягивания покрытия служит показателем того, насколь-
ко легко и эффективно осуществляется работа с волокном при стро-
ительстве, ремонтно-восстановительных работах и техническом об-
служивании линий связи (легкость разделки ОВ, снятие покрытия
ри сращивании ОВ и т.п.). Усилие стягивания покрытия вносится

252
Глава 7
в спецификацию ОВ и имеет одно и то же значение как для сухих
ОВ, так и для ОВ во влажной атмосфере [5].
Как уже было отмечено, воздействие факторов окружающей сре-
ды должно минимальным образом отражаться стабильности пара-
метров ОВ. В спецификациях на ОВ обычно указывается допусти-
мые изменения коэффициента затухания при следующих внешних
воздействиях (испытания на старение волокна) [5, 63]: температура
в интервале от —60 до +85 °С; циклы температура-влажность от —10
до +85 °С при влажности 98 %; выдержка в воде при температуре
23+2 °С; тепловое старение при температуре 85+2 °С.
Для современных ОВ прирост коэффициента затухания при
воздействии окружающей среды не должен превышать 0,05 дБ/км
[49-52].
7.7. Классификация ОВ
В настоящее время выделяют шесть спектральных рабочих диа-
пазонов одномодовых оптических волокон (табл. 7.5) [31, 32, 49-53].
Современные оптические сети, использующие технологии
DWDM, активно используют диапазон С, где потери минимальны и
за счет выбора профиля показателя преломления можно оптимизи-
ровать волокна по дисперсии. Также постепенно осваивается четвер-
тое окно — диапазон L. Намечается использование пятого окна —
диапазон S. При использовании технологии CWDM задействованы
все шесть диапазонов.
Основные типы одномодовых волокон для сетей связи описыва-
ются рекомендациями МСЭ-Т (ITU-T) G.65-G.656.
Принципы классификации ОВ в соответствии с рекомендациями
МСЭ-Т G.652, G.653, G655 в зависимости от спектральной дисперси-
онной характеристики поясняет рис. 7.29.
Правила введения одномодовых волокон в рамки многоуровневой
иерархии предусматривают следующее:
• Рекомендация описывает один класс (тип) волокон;
Таблица 7.5
Окно
2
5
3
4
Диапазон
О
Е
S
С
L
и
Наименование
Original (основной, натуральный)
Extended (расширенный)
Short wavelength (коротковолновый)
Conventional (стандартный)
Long wavelength (длинноволновый)
Ultra-long wavelength (сверхдлинный)
Длина волны, нм
1260...1360 1
1360...1460
1460...1530
1530...1565
1565...1625
1625...1675

Параметры передачи оптических направляющих систем 253
Таблица 7.6
| рекомендация | Содержание
[g~652 Characteristics
of a singlemode
optical fiber cable,
2001
G653 Characteristics
of a dispersion-shifted
single-mode optical
fiber cable, 2001
G.654 Characteristics
of a cut-off shifted
single-mode optical
fiber cable, 2001
G.655 Characteristics
of a non-zero
dispersion-shifted
single-mode optical
fiber cable, 2001
G.656 Characteristics
of a fibre and
cable with non-
zero dispersion for
wideband optical
transport, 2004
Характеристики одномодового оп-
тического волокна и кабеля на его
основе (волокна с несмещенной дис-
персией — ступенчатые ОВ)
Характеристики одномодового оп-
тического волокна со смещенной
дисперсией и кабеля на его основе
(волокна со смещенной дисперси-
ей, оптимизированные для работы в
диапазоне С (1530... 1565 нм))
Характеристики одномодового во-
локна со смещенной длиной волны
отсечки и кабеля на его основе (во-
локна с минимизированными поте-
рями, оптимизированные для рабо-
ты в диапазоне С (1530... 1565 нм))
Характеристики одномодового оп-
тического волокна с ненулевой сме-
щенной дисперсией и кабеля на его
основе (волокна с ненулевой сме-
щенной дисперсией, оптимизиро-
ванные для работы в диапазоне С
(1530...1565 нм))
Характеристики волокон и кабе-
лей с ненулевой дисперсией для
широкополосной оптической пере-
дачи (волокна с ненулевой смещен-
ной дисперсией, оптимизированные
для работы в диапазонах S, С, L
(1460...1625 нм)) |
Обозначение j
SSF
DSF
NZ-DSF
NZ-DSF
1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 X, нм
Рис. 7.29. Классификация ОВ в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т

254
Глава 7
• класс охватывает волокна, которые являются приблизительно
одинаковыми по таким признакам, как основная область рабочих
длин волн и величина хроматической дисперсии в ней;
• каждый класс может иметь подклассы, которые характеризуют-
ся по крайней мере двумя общими признаками;
• базовый подкласс — тот, для которого первоначально была со-
здана рекомендация, описывается всегда в первой таблице.
Следует отметить, что геометрические, оптические, передаточ-
ные и механические параметры разделены на три категории по свой-
ствам волокон, кабелей и линий связи.
7.8. Измерение параметров ОВ
Требования к параметрам ОВ и методы их измерений определя-
ются перечнем нормативных документов, которые разрабатываются
соответствующими комитетами и комиссиями. На международном
уровне это документы технического комитета ТС 86 Международ-
ной электротехнической комиссии — МЭК (IEC), рабочей группы
SC 86A Европейского комитета стандартизации по электротехнике
(CENELEC), рекомендации Международного совета по электросвя-
зи — телефония (МСЭ-Т).
7.8.1. Методы измерения затухания
Рекомендуется три метода для измерения затухания ОВ [57-
59, 65]: И
• метод обрыва — эталонный метод; ц
• метод вносимого затухания (1 альтернативный метод); Ч
• метод обратного рассеяния (2 альтернативный метод).
Метод обрыва — это метод, при котором проводится непосред-
ственное измерение мощностей Pi и Р2 в двух точках волокна L\ и
Z/2 без изменений условий ввода излучения. Точка L2 находится на
дальнем конце волокна, а точка L\ — на ближнем конце.
Сначала измеряется мощность оптического излучения в точке
L<i на выходе ОВ. Затем волокно обрезается в точке L\, расположен-
ной на расстоянии около одного метра от ближнего конца ОВ так,
чтобы условия ввода оптического излучения от источника в волокно
не изменились, и измеряется мощность оптического излучения Р\ на
выходе короткого отрезка ОВ в точке L\.
Коэффициент затухания ОВ, дБм/км, рассчитывается по фор-
муле
а = щщъ (7б8)

Параметры передачи оптических направляющих систем 255
Стабилизировании
источник оптического
излучения
Измеритель
оптической
мощности
Рис. 7.30. Измерение затухания методом обрыва
Принцип измерения затухания методом обрыва поясняется на
рис. 7.30. Метод обрыва относится к методам разрушающего кон-
троля, что является его основным недостатком. В ряде случаев ре-
зать волокно нецелесообразно. В частности, при контроле затухания
волокон оконцованных разъемами. Для измерения таких ОВ реко-
мендуется метод вносимых потерь. При реализации этого метода
мощность оптического излучения P<i, измеренная на дальнем конце
испытуемого ОВ, сравнивается с мощностью оптического излучения
Pi, измеренной на выходе некоторого волокна короткой длины —
опорного ОВ, и в результате потери в испытуемом ОВ, дБм, опре-
деляются формулой
a = 10\g(P1/P2).
(7.69)
Волокно короткой длины используется для сравнения, поэтому
оно должно быть сопоставимо с испытуемым по структуре и пара-
метрам. Суммарные потери в нем должны быть малы по сравнению
с потерями испытуемого ОВ (Pi ;» Р2). Необходимо стремиться, на-
сколько возможно, обеспечить одинаковые условия ввода при под-
ключении источника оптического излучения к испытуемому и опор-
Калибровка
фотоприемного блока
3
а = Р7-Р>
а) ~ б)
ис« 7.31. Измерения оптической мощности: а — на выходе короткого оптиче-
ского шнура; б — на выходе исследуемого ОВ

256
Глава 7
ному волокнам. Однако полностью выполнить перечисленные выше
требования не удается. Прежде всего, потому, что при повторном
подключении источника к волокну обеспечить постоянство условий
ввода нельзя. Как следствие, метод вносимых потерь существенно
уступает методу обрыва с точки зрения воспроизводимости резуль-
татов и погрешности. Особенности измерений методом вносимых по-
терь поясняет рис. 7.31.
7.8.2. Измерения хроматической дисперсии
Измерения спектральной характеристики хроматической дис-
персии ОВ базируются на измерениях группового времени запаздыва-
ния оптического сигнала в испытуемом волокне на отдельных длинах
волн исследуемого спектрального диапазона, построении спектраль-
ной характеристики группового времени запаздывания по результа-
там измерений (рис. 7.32) и последующем вычислении спектральной
дисперсионной кривой по формуле [57, 58]
Л L d\
(7.70)
Достаточно распространен способ определения группового вре-
мени запаздывания в ОВ по результатам измерений фазового сдвига
модулированного сигнала. Для этого модулированный по интенсив-
ности узкополосный оптический сигнал со средней рабочей длиной
волны Л вводят в испытуемое волокно, прошедший через ОВ сиг-
нал принимают, выделяют огибающую и измеряют его относитель-
ный фазовый сдвиг. Измерения многократно повторяют для других
длин волн исследуемого спектрального диапазона. Групповое время
запаздывания, пс, рассчитывают по формуле [58]
тд(\)
_ Фа+ДА/2 ~ Фа-АЛ/2
360/т
•10
12
(7.71)
5
8. И
* s
1—1 cd
1000
800
600
400
200
0
-200
\
\
\
\
,^
S. ,-«•'
^ч
^0 |
■о- '
9^
^
3
2
1
0
-1
9:
о
В'
S
о
а
-2 X
-3
1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 X, нм
Рис. 7.32. К измерению хроматической дисперсии
s
И

Параметры передачи оптических направляющих систем 257
где fm — частота модуляции; Л — средняя длина волны интерва-
ла ДА; Фа+да> Фа-да — результаты измерений фазового сдвига на
границах этого интервала.
Непосредственное численное дифференцирование спектральной
зависимости ГВЗ связано с большими погрешностями из-за обуслов-
ленных помехами флуктуации результатов измерений фазового сдви-
га. Для сглаживания применяются аппроксимирующие кривые. При
измерении дисперсии ступенчатых ОВ (волокон с несмещенной дис-
персией), для которых определяющей является материальная дис-
персия, используют известную формулу Селлмейера из трех чле-
нов [57, 58]
тд(\) =А\2 + В + С\~2. (7.72)
Для волокон со смещенной дисперсией, у которых доминирует
волноводная дисперсия, в качестве аппроксимирующей применяют
квадратичную зависимость [57, 58]:
тд(\)=А\2 + В\ + С (7.73)
В остальных случаях могут использоваться специальные форму-
лы. Достаточно широко применяется формула Селлмейера, вклю-
чающая пять членов [57, 58]:
тд(Х) = АХ4 + ВХ2 + С + DX~2 + ЯА"4. (7.74)
Эта формула имеет больше степеней свободы, но полученные при ее
использовании кривые более чувствительны к помехам и флуктуа-
циям результатов измерений фазового сдвига.
Для измерения группового времени запаздывания на заданной
длине волны в основном используются узкополосные перестраивае-
мые источники излучения [57, 58]. Известен также способ измерения
дисперсионной характеристики на основе применения нескольких уз-
кополосных лазерных источников с фиксированными длинами волн
[58]. По полученным с их помощью оценкам группового времени за-
паздывания на нескольких длинах волн, используя интерполяцию и
согласование кривых, можно построить прогнозируемую спектраль-
ную характеристику группового времени запаздывания. Реализуе-
мые на его основе средства измерений просты и удобны для приме-
нения в полевых условиях. Однако, поскольку в результате изме-
рений данным способом можно получить данные о ГВЗ только на
°тдельных длинах волн, его применение для волокон, вид дисперси-
°нной характеристики которых неизвестен, например для волокон с
9--5440

258
Глава 7
многослойными профилями, со сглаженной дисперсией и т.п., про-
блематично.
7-8,3. Измерения ПМД
Измерения ПМД могут быть реализованы как в частотной, так и
во временной области. Известны различные способы, но наибольшее
распространение получили следующие [57, 58]:
• метод фиксированного анализатора (FA — Fixed Analyzer), реа-
лизуемый с помощью оптических анализаторов спектра;
• поляриметрические методы, один из которых базируется на анаг
лизе матрицы Джонса, а другой — сферы Пуанкаре;
• интерферометрический метод.
Для измерений в полевых условиях используется в основном ин-
терферометрический метод, который предусматривает применение
широкополосного поляризованного источника оптического излуче-
ния и анализатора на основе интерферометра Майкельсона [57, 58].
Источник выбирается таким образом, чтобы центральная длина вол-
ны соответствовала интересующему спектральному диапазону (на-
пример, 1550 нм для диапазона С), а время когерентности было на-
много меньше задержки ПМД тестируемого волокна. В интерфе-
рометрическом методе значение ПМД получают непосредственно на
графике автокорреляционной функции (интерферограмма) сигнала
источника с этим же сигналом, задержанным переменным плечом
интерферометра. Предполагается, что спектр источника имеет при-
близительно гауссову форму без заметной ряби. Выполнение этого
условия следует проверять при выборе источника с помощью опти-
ческого анализатора спектра.
При слабой связи мод, что обычно имеет место для коротких
участков линии, вид интерферограммы определяется в основном дву-
лучепреломлением в ОВ, и на ней наблюдают сильный центральный
пик (автокорреляция источника) и еще два, расположенные по обе
стороны от него (рис. 7.33). Расстояние между центральным и боко-
выми пиками соответствует значению групповой задержки в волокне
линии. В этих условиях можно полагать, что значение ПМД пря-
мо пропорционально длине волокна и, соответственно, коэффициент
дисперсии определяется путем деления на длину ОВ и измеряется
в пс/км [57, 58]:
PMD = ^. (7.75)
С увеличением связи мод возрастает разброс значений задерж-
ки, пики интерферограммы уширяются (рис. 7.34), и при сильной^

Параметры передачи оптических направляющих систем 259
Лт
Ах
itftu
Рис. 7.33. Интерферограмма участ-
ка ОВ со слабой связью мод
50
40
30
20
10
0
1
.
Г"
I/IIIAI 1
1^
^^1 1
-1,50 -0,75
0
0,75 1,50
Рис. 7.34. Изменения интерферограм-
мы участка ОВ при увеличении связи
мод
связи мод, что характерно для
протяженных линий, интерферо-
грамма хорошо описывается фун-
кцией Гаусса (рис. 7.35). В этом
случае нормализованное значение
или коэффициент ПМД измеряет-
ся в пс/км1/2 и определяется по
формуле [57, 58]
PMD =
(Дт)
VZ'
(7.76)
Рис. 7.35. Интерферограмма
участка ОВ с сильной связью мод
Здесь (Ат) — второй момент (среднеквадратичное отклонение) авто-
корреляционной функции, которое выражается через среднеквадра-
тичное отклонение а аппроксимирующей пик гауссовой кривой сле-
дующим образом:
(7.77)
v = \/i°-
7.8.4. Измерения методом обратного рассеяния
Согласно рекомендациям метод обратного рассеяния является
вторым альтернативным методом, который предлагается для изме-
рений затуханий ОВ [56-59, 65, 66]. Он предназначен:
• для контроля состояния оптических волокон (ОВ), выявления,
определения характера и поиска дефектов ОВ;
• измерения затухания ОВ на строительных длинах оптических
кабелей (ОК), на отдельных участках BOJ1C, на длине регене-
рационного участка (РУ), на стыках ОВ;
• измерения коэффициента затухания ОВ;

260
Глава 7
• измерения расстояний до мест соединений ОВ и оценки каче-
ства стыков;
• измерения характеристики обратного рассеяния ОВ и привязки
ее к трассе прокладки ОК при паспортизации РУ ВО Л П.
Этот метод позволяет:
• измерять затухание оптических сигналов на отдельных участ-
ках линии;
• измерять коэффициент затухания ОВ;
• измерять затухание всей исследуемой длины ОВ; *''
• измерять затухание сварных стыков ОВ и механических срост-
ков;
• измерять затухание отражения (коэффициент отражения) на
неоднородности;
• выявлять неоднородности и определять расстояние до их места
расположения.
Метод применяется на всех этапах строительства и эксплуатации
ВОЛП, в частности при входном контроле строительных длин ОК,
в процессе монтажа муфт ОК, при приемо-сдаточных измерениях и
паспортизации РУ, а также для мониторинга состояния ОВ в процес-
се эксплуатации ВОЛС, при выполнении аварийных измерений, для
поиска мест повреждений ОК и т.п.
Оптические рефлектометры, реализующие метод обратного рас-
сеяния, являются основными средствами измерений, применяемыми
при строительстве и эксплуатации ВОЛС. Специализированные оп-
тические рефлектометры используются для измерений распределе-
ний механических напряжений в ОВ и локализации участков ОВ с
дефектами (BOTDR — бриллюэновский оптический рефлектометр
обратного рассеяния), для локализации участков ОВ с повышенны-
ми значениями ПМД (POTDR — поляризационный оптический ре-
флектометр обратного рассеяния) [31, 59].
При распространении по
ОВ оптического излучения из-за
флектуаций показателя прелом-
Оптическое излучение, _ Х „ ления возникает поток рассея-
распространяющееся ^ратнорассеянныи ния (рис 7 щ^ мощность КОТО-
в прямом направлении рого пропорциональна отноше-
Рис 7.36. Формирование по- НИ1° V^4- Это явление, полу-
тока обратного рассеяния чившее название релеевского
рассеяния и лежит в основе рассматриваемого метода измерений ха-
рактеристик ОВ, получившего название метода обратного рассеяния
[56-59]. Часть потока рассеяния излучается в оболочку и там за-
тухает, часть распространяется вперед вместе с основным потоком,
ОВ
7

Параметры передачи оптических направляющих систем 261
а часть — в сторону ближнего конца по направлению к источнику
излучения, образуя поток обратного рассеяния.
Мощность обратно рассеянного оптического потока Ps(t), изме-
ренная в точке ввода оптических зондирующих импульсов в волокно
с некоторой задержкой t относительно момента посылки зондирую-
щего импульса, определяется мощностью обратно рассеянной в точке
кабеля, расположенной на расстоянии х от места измерения:
х = 0,5Ы, (7.77)
где v — групповая скорость распространения оптического импульса,
которую можно полагать равной
v = c/rig. (7.78)
Здесь с — скорость света, а пд — групповой показатель преломле-
ния сердцевины ОВ.
В первом приближении эта мощность на ближнем конце рав-
на [59]
Ps(t) = 0,5P0ATSadvexp(-avt), (7.79)
где Р(ь ДТ — максимальное значение и длительность зондирующего
импульса оптической мощности в точке ввода; а^ — параметр ре-
леевского рассеяния, равный отношению мощности оптического из-
лучения, рассеянной в некоторой точке оптического волокна, к оп-
тической мощности, падающей в эту же точку; S — параметр об-
ратного релеевского рассеяния, равный отношению обратно рассеян-
ной мощности в некоторой точке оптического волокна ко всей рас-
сеянной в этой точке мощности; а — коэффициент затухания оп-
тического волокна.
Из данного выражения следует, что мощность потока обратно-
го рассеяния прямо пропорциональна параметрам зондирующего им-
пульса на входе оптического волокна Ро и ДТ, параметрам оптиче-
ского волокна а^и5и экспоненциально зависит от затухания и груп-
повой скорости оптического волокна. Причем групповая скорость в
свою очередь обратно пропорциональна групповому показателю пре-
ломления оптического волокна.
Выражая мощность обратного рассеяния в логарифмических еди-
ницах (дБм), согласно (7.79) получаем
ps(t) = 10 \g[Ps(t)] = C-ax, (7.80)
где С — константа, значение которой определяется параметрами ОВ
и зондирующего импульса.

262
Глава 7
Из (7.80) следует, что зависимость уровня мощности обратно-
го рассеяния от времени — линейная и разность уровней мощности
потока обратного рассеяния, измеренных на ближнем конце в момен-
ты времени t\ и t2, есть затухание волокна на участке линии дли-
ной L12 = х2 — х\ между точками, расстояние до которых равно
х\ = Qfivti и Х2 = 0,5г;^2 соответственно:
Ps(ti) - Ps(t2) = а(х2 - xi) = aLl2 = а12. (7.81)
Из-за флуктуации показателя преломления и конструктивных
характеристик оптического волокна коэффициент обратного рассея-
ния изменяется вдоль волокна случайным образом. То есть волокно
является квазирегулярным и реальная зависимость ps(t) флуктуи-
рует около некоторой прямой, тангенс угла наклона которой к оси
абсцисс равен коэффициенту затухания волокна.
При наличии в оптическом волокне неоднородностей — включе-
ний, на которых характеристики среды распространения и, в частно-
сти, показатель преломления существенно отличаются от их средних
значений для данного волокна, образуется поток френелевского от-
ражения. Мощность потока обратного рассеяния пренебрежимо мала
по сравнению с мощностью потока отражения.
Очевидно, что, измеряя мощность обратного потока оптического
излучения, поступающего на ближний конец волокна, в результате
анализа ее изменений можно получить оценки параметров исследуе-
мой линии связи. На этом и основан метод обратного рассеяния.
Следует подчеркнуть, что измерения характеристик оптических
волокон методом обратного рассеяния являются косвенными. Иско-
мые величина находят в результате математической обработки ре-
зультатов измерения зависимости мощности обратного потока опти-
ческого излучения от времени. При этом характеристики распро-
странения оптического сигнала в прямом направлении определяют
по изменениям мощности оптического излучения, распространяюще-
гося в обратном направлении.
Известны частотные и временной способы реализации метода об-
ратного рассеяния [59]. На практике наиболее широкое применение
нашли оптические рефлектометры, работающие во временной обла-
сти — OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) [5, 31, 32, 56-
59]. Упрощенная структурная схема такого рефлектометра приве-
дена на рис. 7.37.
Вырабатываемые ГИ импульсы преобразуются в ЛД путем моду-
ляции оптической несущей по интенсивности в зондирующие оптиче-
ские импульсы, которые поступают через ОР в исследуемое волокно.

Параметры передачи оптических направляющих систем 263
! 1
JL
А
7
Ы
2
щ
6
БУМО
'ОР
5
ФД
Рис. 7.37. Структурная схема оптического рефлектометра, работаю-
щего во временной области: 1 — генератор зондирующих импульсов
(ГИ); 2 — источник оптического излучения (лазерный диод — ЛД);
3 — оптический разветвитель — ОР; 4 — исследуемое оптическое во-
локно — ОВ; 5 — фотоприемное устройство (ФП); 6 — блок управления
и математической обработки — БУМО; 7 — устройство отображения
Поток обратного рассеяния, возбуждаемый при рапространении зон-
дирующих импульсов в оптическом волокне, через оптический раз-
ветвитель (или циркулятор) поступает на вход чувствительного ФП,
где преобразуется в электрический сигнал, который после специаль-
ной обработки в БУМО подается в канал вертикального отклонения
УО, вызывая соответствующие изменения характеристики по верти-
кальной оси У. Вертикальная ось градуируется в децибелах. От-
клонение по горизонтальной оси X происходит под действием пило-
образного напряжения развертки, которая запускается импульсами
ГИ. В результате этого абсцисса характеристики прямо пропорцио-
нальна времени запаздывания сигнала t. Поскольку групповой пока-
затель преломления сердцевины, а соответственно и групповая ско-
рость распространения v оптического сигнала в волокне известны,
горизонтальная ось градуируется в единицах длины.
БУМО согласовывает работу ГИ и УО, синхронизируя запуск
генератора развертки импульсами ГИ, и создает возможность на-
блюдения характеристики обратного рассеяния или полностью, или
по частям. Он же обеспечивает запись в память реализаций зави-
симостей от времени мощности обратного рассеяния и их усредне-
ние. Кроме того, он осуществляет управление работой рефлекто-
метра по заданной программе, обработку данных, выполняет ряд
сервисных функций.
При реализации данного способа энергия принимаемого сигна-
ла ограничена энергией зондирующего импульса, которая пропор-
циональна его максимальному значению и длительности. Это вы-
нуждает в процессе работы искать компромисс между динамическим
Диапазоном, определяющим дальность действия, и разрешающей спо-
собностью, обеспечивающий оптимальное решение для условий изме-
рения. Вместе с тем он позволяет получать приемлемые результаты

264
Глава 7
с удовлетворительным быстродействием, что и обеспечило широкое
внедрение реализующих его средств измерений.
Принцип действия оптических рефлектометров обратного рассе-
яния, работающих во временной области, основан на зондировании
волокон оптическими импульсами и прямых измерениях на ближнем
конце зависимости уровня мощности обратного потока от времени.
Эту зависимость называют характеристикой обратного рассеяния оп-
тического волокна или коротко — рефлектограммой. При этом ось
ординат градуируют в децибелах по мощности, а ось абсцисс в едини-
цах длины, учитывая, что отсчитываемое вдоль волокна расстояние
прямо пропорционально времени.
Одной из основных операций при работе с оптическим рефлек-
тометром является идентификация характеристики обратного рас-
сеяния оптического волокна. То есть сопоставление изменений ха-
рактеристики с вызвавшими их причинами — «событиями». На
рис. 7.38 представлен типичный вид характеристики обратного рас- ;
сеяния оптического волокна, отображаемой на экране оптического \
рефлектометра. ;
Здесь участки рефлектограммы могут быть идентифицированы ;
следующим образом: \
1 — начальный выброс уровня обратного потока оптической j
мощности, обусловленный френелевским отражением при вводе on- j
тического излучения в волокно;
2 — участки рефлектограммы, соответствующие квазирегуляр-
ным участкам волокна, на которых нет отражений и изменения уров- \
ня обратного потока оптической мощности обусловлены потерями за
счет поглощения и релеевского рассеяния, а также флюктуациями
коэффициента обратного рассеяния;
L= vt
Рис. 7.38. Характеристика обратного рассеяния
*ц

Параметры передачи оптических направляющих систем 265
3 — изменения мощности обратнорассеянного потока на локаль-
ной нерегулярности без отражений (сварные соединения, изгибы);
4 — изменения уровня обратного потока за счет отражения и по-
терь на локальной неоднородности (механические соединения, мик-
ротрещины и т.п.);
5 — изменение уровня обратного потока оптической мощности
на конце оптического волокна;
6 — шумы.
Расстояние от ближнего конца исследуемого ОВ до некоторого
события на линии (локальной нерегулярности) — соединения, де-
фекта или конца линии, отображаемого на характеристике обратного
рассеяния отклонением от аппроксимирующей прямой, определяет-
ся формулой (7.77). Потери на участке линии рассчитываются на
основании данных характеристики обратного рассеяния по форму-
ле (7.81), а коэффициент затухания ОВ на этом участке определя-
ется из выражения
a=T1zr]*(jr)> <7-82)
где Р\, P2 — результаты измерений на ближнем конце оптической
мощности потока обратного рассеяния в моменты времени t\, t2 со-
ответственно.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение отдельных элементов традиционной конструк-
ции кварцевых оптических волокон кабелей связи?
2. В чем заключается принцип передачи оптического излучения по
оптическим волокнам на основе теории геометрической оптики? Почему
показатель преломления сердцевины волокна должен быть больше пока-
зателя преломления оболочки?
3. Каковы особенности работы оптических волокон в многомодовом
и одномодовом режимах? В чем заключается физический смысл термина
«мода»? Как классифицируются моды оптического излучения? Что такое
Длина волны отсечки?
4. Что такое «профиль показателя преломления оптического волок-
на»? Как классифицируют волокна в зависимости от профиля показате-
ля преломления?
5. Каковы назначение и область применения многомодовых оптиче-
ских волокон на современных сетях связи?
6. Как классифицируются одномодовые оптические волокна? Каковы
назначение и область применения одномодовых оптических волокон дей-
ствующих рекомендаций МСЭ-Т?

266
Глава 7
7. Каковы основные факторы искажений оптических сигналов при пе-
редаче по оптическим волокнам?
8. Каковы основные факторы потерь? Как выглядит спектральная ха-
рактеристика затухания, чем объясняется внешний вид характеристики?
Как классифицируются оптические волокна в зависимости от вида спек-
тральной характеристики затухания?
9. Какое явление характеризует дисперсия оптического волокна? Ка-
ковы составляющие дисперсии оптических волокон?
10. Каковы причины возникновения межмодовой дисперсии? Какой
параметр характеризует межмодовую дисперсию?
11. Каковы причины хроматической дисперсии? Чем обусловлена ма-
териальная дисперсия? Волноводная дисперсия?
12. Какими параметрами оценивают хроматическую дисперсию одно-
модовых оптических волокон? Как классифицируют оптические волокна
в зависимости от их дисперсионных характеристик?
13. Как выглядят спектральные характеристики хроматической дис-
персии оптических волокон действующих рекомендаций МСЭ-Т?
14. Каковы причины поляризационной модовой дисперсии? Какой ха-
рактер она имеет? Каковы причины возникновения потерь, зависящих от
поляризации?
15. Как классифицируют спектральные диапазоны, в которых рабо-
тают оптические волокна сетей связи?
16. Какие характеристики оптического волокна называют эксплуата-
ционными? Какие параметры обычно вносят в паспорт оптического во-
локна?

Глава 8
Волоконно-оптические линии
передачи
8.1. Основы передачи информации
по ВОЛП
Обобщенная структурная схема РУ волоконно-оптической систе-
мы передачи (ВОСП) без устройств компенсации и линейных усили-
телей представлена на рис. 8.1 [31, 32, 67, 68]. Приведен пример опти-
ческой системы передачи, работающей на одной оптической несущей,
без чирпа (с внешним модулятором) и прямым детектированием.
Передатчик ВОСП обеспечивает преобразование входного элек-
трического (цифрового или аналогового) сигнала в выходной свето-
вой (цифровой или аналоговый) сигнал. Скорость передачи в ли-
нии современных систем синхронной цифровой иерархии составляет
2,5... 10 Гбит/с и более. Соответственно длительность импульса ис-
точника оптического излучения не должна превышать 0,2...0,05 не.
Это требует применения когерентных источников излучения — ла-
зеров.
В общем случае передатчик включает в себя лазерный диод
(ЛД), модулятор (М) и кодек, на который поступает кодовая после-
довательность от цифровой системы передачи (ЦСП).
Модулятор производит модуляцию генерируемой лазером опти-
ческой несущей.
Кодек осуществляет преобразование кода ЦСП (аналогового сиг-
нала) в линейный код оптической системы передачи и обратно.
Приемник ВОСП осуществляет обратное преобразование вход-
ных оптических импульсов в выходные импульсы электрического то-
ка. Он включает в себя фотодиод (ФД), оптический усилитель (ОУ),
Фильтр нижних частот (ФНЧ) и кодек. Основной элемент — ФД.
Применяются p-i-n или лавинные фотодиоды, имеющие очень ма-
лУю инерционность.

268
Глава 8
Оптический
кросс
Оптический
кросс |—
Передатчик ВОСП
ПД
М
Кодек
ЕЕ
Линейное
оптическое
волокно
ЦСП
1
1
1
1
1 1 >
. Приемник 1
ОУ^> *
^у^
ЗОСП1
ФНЧ
*~
Кодек
\
1
ЦСП
Рис. 8.1. Структурная схема ВОСП ]
Оптический кросс служит для оперативного соединения и разъ-
единения оптических волокон станционных и линейных оптических
кабелей в процессе технической эксплуатации ВОЛП. \
Линейное кодирование. Полученный в результате квантова-
ния и двоичного кодирования цифровой поток оптимален с точки зре-
ния ошибок квантования, но требует оптимизации для передачи по
каналу связи. Задачи оптимизации сигнала для прохождения через
устройство сопряжения с линией (интерфейс) и по линии решают
интерфейсное кодирование и линейное кодирование. В оптических
направляющих системах невозможно непосредственно использовать
биполярные коды. Поэтому при передаче цифрового потока по оп-
тическому волокну интерфейсный код должен быть конвертирован
в линейный код, обеспечивающий оптимальную передачу сигналов
в оптической линии.
Как правило, в ВОСП используют однополярные блочные коды
типа mBnB. Здесь т — длина (в битах) блоков, на которые разбива-
ется исходная последовательность, an — соответствующая им длина
(в битах) блоков, составленных из кодовых символов (п > га). При
использовании блочных кодов скорость передачи в линии в га/га раз
больше скорости передачи исходной кодовой последовательности.
При работе со скоростью 10 Гбит/с и выше обычно применяют по-
мехоустойчивое кодирование, позволяющее на приеме обнаруживать
и исправлять ошибки, возникающие в процессе передачи. Как прави-
ло, используют упреждающую коррекцию ошибок (FEC — Forward
error correction).
Методы модуляции оптической несущей. Прежде всего,
различают прямую модуляцию оптического излучения лазера током
накачки и модуляцию с помощью внешнего модулятора. Кроме того,
различают непосредственную модуляцию оптической несущей и мо-

волоконно-оптические линии передачи
269
дуляцию с использованием промежуточной поднесущей. Также при-
меняют комбинации перечисленных способов, например модуляцию
с использованием поднесущей и внешнего генератора.
Виды модуляции — форматы линейной кодовой после-
довательности. Как известно, электромагнитные колебания харак-
теризуются амплитудой, фазой и частотой. В зависимости от то-
го, какой из этих параметров несущей изменяют, различают ампли-
тудную, фазовую и частотную модуляцию. При модуляции несущей
цифровым потоком говорят об амплитудной (ASK — Amplitude-Shift
Keying), фазовой (PSK — Phase-Shift Keying) и частотной (FSK —
Frequency-Shift Keying) манипуляции.
Поскольку в оптических системах передачи манипулируют ин-
тенсивностью оптического несущего колебания, то вместо термина
«амплитудная модуляция» используют термин «модуляция интен-
сивности». Данный вид модуляции реализуется наиболее просто.
Как правило, модуляция интенсивности применяется совместно с ме-
тодом прямого детектирования (IM/DD — Intensity Modulation with
Direct Detection). Это наиболее распространенный на сегодняшний
день способ модуляции/демодуляции для ВОЛП.
При фазовой модуляции линейным кодом (PSK) манипулиру-
ют фазой оптической несущей, не изменяя ее амплитуду и часто-
ту, так, что модулированное оптическое излучение фактически яв-
ляется непрерывным.
При частотной модуляции линейным кодом (FSK) манипулиру-
ют частотой / оптической несущей. Частота изменяется на величину
А/, принимая значения / + Д/ при передаче 1 и / - А/ при передаче
0. То есть работа идет по принципу «включено-выключено». FSK
имеет существенные преимущества по сравнению с ASK и PSK, в
частности по отношению сигнал/помеха. Однако этот метод требует
когерентного приема, что существенно осложняет его практическую
реализацию на оптических линиях передачи.
Методы приема. Выбор методов приема — детектирования
(демодуляции) оптического сигнала зависит от того, какой из видов
модуляции используется — модуляция интенсивности, фазовая или
частотная модуляция (ASK, PSK или FSK). Как уже отмечалось вы-
ше, при модуляции интенсивности оптического излучения на приеме
используется метод прямого детектирования, а при фазовой и ча-
стотной модуляции требуется когерентный прием.
Методы мультиплексирования на оптическом уровне.
известна различная техника оптического мультиплексирования
l^IO, 19-20]. Это спектральное разделение оптических каналов

270
Глава 8
(WDM — Wavelength Division Multiplexing), оптическое временное
разделение каналов (OTDM — Optical Time Division Multiplexing),
оптическое кодовое разделение каналов (OCDM — Optical Code
Division Multiplexing). Помимо перечисленных способов на оптиче-
ских сетях может применяться и комбинированная техника мульти-
плексирования WDM/WDM, WDM/OCDM.
Оптическое мультиплексирование на основе спектрального раз-
деления каналов — это мультиплексирование с разделением по дли-
нам волн. В системах WDM независимые информационные цифро-
вые потоки объединяются и передаются по одному ОВ на разных
длинах волн. Отдельный оптический канал формируется на соот-
ветствующей оптической несущей. Спектральное разделение кана-
лов имеет много общего с частотным разделением, применяемым в
аналоговых системах передачи (АСП). Однако по своей сути техно-
логия WDM существенно отличается, и не только тем, что реали-
зуется на оптическом уровне. В технологии частотного разделения
каналов АСП использована амплитудная модуляция с одной боко-
вой полосой и определенная система поднесущих, для которых мо-
дулирующий сигнал одинаков — это стандартный канал тональной
частоты. Технология WDM механизм модуляции, необходимый при
частотном разделении для сдвига несущих, вообще не использует.
В системах WDM несущие генерируются отдельными источниками
(лазерами), модулируются отдельными информационными сигнала-
ми и объединяются мультиплексором. Каждая несущая принципи-
ально может передавать информационный сигнал, сформированный
методами, применяемыми в различных технологиях.
Упрощенная схема системы со спектральным разделением кана-
лов представлена на рис. 8.2. Информационные сигналы, передавае-
мые на оптических несущих Axi...Axn поступают на вход транспонде-
ров (конверторов), которые преобразуют их для передачи в оптиче-
ских каналах с требуемыми характеристиками. На выходах транс-
пондеров получают модулированные оптические несущие канального
плана системы Ai,..., Ап, которые объединяются мультиплексором и
передаются в ОВ. При необходимости для компенсации потерь вклю-
чаются оптические усилители. На выходе с помощью демультиплек-
сора, в состав которого входят оптические фильтры, оптические несу-
щие разделяются и поступают на вход канальных фотоприемников.
В целях обеспечения унификации оборудования МСЭ-Т были
приняты рекомендации по стандартизации номинального ряда несу-
щих — канального плана (ITU-T Rec. G.692, G.694.1 и G694.2). В за-
висимости от принятого канального плана технологии WDM обыч-
но разделяют на три типа: ,

Волоконно-оптические линии передачи
271
Kv
Кг
К
К
К
х}
К
WDM
ОУ
Оптическое
волокно
21
2!
ъ.
к
Транспондеры Фотоприемники
Рис, 8.2» Структурная схема системы со спектральным разделением каналов
• CWDM — грубое спектральное уплотнение, при котором в диа-
пазоне от 1260 до 1675 нм равномерно с интервалом 20 нм рас-
пределены 16 оптических несущих;
• DWDM — плотное спектральное уплотнение, при котором ин-
тервал между оптическими несущими (канальный промежуток)
равен 0,4; 0,8 или 1,6 нм;
• UDWDM — сверхплотное спектральное уплотнение, при котором
канальный промежуток менее 0,2 нм.
Современный уровень реализации технологий DWDM, UDWDM
позволяет организовать до 160 оптических каналов в двух (напри-
мер С 4- L) или даже в одном (например С) спектральном диапазоне.
DWDM по сравнению с CWDM обеспечивает большее число оптиче-
ских каналов при работе в более узком спектральном диапазоне. Это
позволяет достичь лучшей равномерности спектральных характери-
стик ОВ и других компонентов оптического линейного тракта в ра-
бочем диапазоне, применять оптические усилители и, как следствие,
существенно увеличить длины регенерационных участков по срав-
нению с CWDM. Вместе с тем, значительное увеличение канального
промежутка в системах CWDM, по сравнению с DWDM, существенно
снижает требования к полосе канальных фильтров, транспондерам,
что, в свою очередь, делает систему значительно дешевле. Таким об-
разом, технология CWDM более экономична, однако она не обладает
масштабируемостью DWDM и недостаточно эффективна для приме-
нения в больших кольцевых структурах и в сетях с расстояниями
между узлами более 75 км. С учетом этого ожидается, что на город-
ских сетях будут развиваться гибридные платформы, объединяющие
возможности CWDM и DWDM, а на магистральных сетях доминиру-
ющими технологиями WDM будут DWDM и UDWDM.
При реализации OTDM группа каналов передачи данных работа-
ющих с меньшей скоростью передается одним оптическим импульсом
Ультракороткой длительности (пикосекундной или фемтосекундной)
в °Дном групповом цифровом потоке со скоростью 40...100 Гбит/с и

272
Глава 8
выше. По сравнению с WDM реализация этого способа мультиплек-
сирования намного сложнее. Здесь требуются высокоскоростные оп-
тические генераторы, модуляторы, приемники и регенераторы, рабо-
тающие на оптическом уровне. К сожалению, современный уровень
развития промышленного производства оптических компонентов еще
не позволяет получать подобные устройства приемлемого качества
по приемлемой цене.
До настоящего времени технологии кодового уплотнения (CDM)
рассматривались в основном в приложении к беспроводной связи.
Здесь каждому передаваемому в групповом цифровом потоке сигналу
присваивается индивидуальный код, по которому последний и выде-
ляется из группового потока. OCDM является развитием данных
принципов мультиплексирования для оптических сетей. Источник
оптического излучения соединяется с группой передатчиков, в каж-
дом из которых оптическая несущая кодируется и модулируется. Эта
несущая передается в оптической сети и поступает ко всем приемни-
кам. Каждый пользователь имеет индивидуальный код, по которому
его приемник выделяет передаваемый ему на оптических несущих
сигнал из группового цифрового потока. Для OCDM передача не
зависит от способов кодирования и протоколов сообщений. Данная
технология мультиплексирования способна объединять любые циф-
ровые сигналы. При этом может использоваться как когерентный
прием, так и прямое детектирование. В отличие от WDM, кото-
рое применяется как для передачи, так и для коммутации, OCDM
предназначено только для передачи информации. Однако по срав-
нению со спектральным уплотнением OCDM в значительной мере
менее чувствительно к спектральным характеристикам. OCDM —
это асинхронная техника, что является несомненным преимуществом
по сравнению с OTDM, где требуется высокая степень синхрониза-
ции, когда даже очень малые временные задержки могут привести к
потере данных. Основная причина, ограничивающая внедрение дан-
ной технологии мультиплексирования, — ее несовместимость с пре-
валирующей на сегодняшний день на ВОЛП технологией синхронной
цифровой иерархии (SDH).
8,2, Структура и компоненты линейного -*•?
тракта ВОСП *
Системы спектрального разделения каналов являются основой
построения оптической транспортной сети, которая представляет со-
бой набор оптических сетевых элементов, соедненных оптоволокон-

Волоконно-оптические линии передачи
273
WDM
Оптическая секция
мультиплексирования
\r--f АРМ ^ Щ.-.Пр] J ADM \--/ WDM \-
Оптическая секция передачи
Оптический канал
ОПрм
Рис. 8.3. К классификации уровней оптической транспортной се-
ти: ADM — мультиплексор ввода-вывода; Р — ретранслятор;
ОПрд — оптический передатчик; ОПрм — оптический приемник
ными линиями, и обеспечивает функции передачи, мультиплексиро-
вания, маршрутизации, автоматического обслуживания, живучести.
Оптическая транспортная сеть имеет три уровня: оптических
секций передачи, оптических секций мультиплексирования, оптиче-
ских каналов [67, 72].
Оптическая секция — это участок сети между линейными опти-
ческими усилителями или между линейным оптическим усилителем
и оптическим мультиплексором/демультиплексором. По-другому, в
терминах ВОЛП, оптическую секцию называют элементарным ка-
бельным участком (ЭКУ).
Оптической секцией мультиплексирования называется участок
между соседними оптическими мультиплексорами ввода/вывода.
Под оптическим каналом понимают комплекс технических
средств и среды распространения, обеспечивающий передачу оптиче-
ского сигнала в диапазоне длин волн, характерном для данного ка-
нала. Оптический канал предназначен для передачи любых сигналов
и характеризуется своей прозрачностью. Прозрачность оптического
канала представляет собой свойство переносить любой сигнал неза-
висимо от его параметров (скорости, структуры цикла, протокола пе-
редачи и т.п.). Протяженность прозрачного оптического канала опре-
деляют между оптическими стыками на передаче и приеме (рис. 8.3).
Совокупность оптических каналов между точками переключе-
ния, к которым подключается оконечное или коммутационное обо-
рудование, объединена оптическим трактом. Типовая структурная
схема оптического тракта ВОСП для одного направления передачи
между соседними промежуточными пунктами приведена на рис. 8.4.
Оптический тракт состоит из отдельных компонентов ВОСП. Оп-
тические компоненты ВОСП — это оптико-механические изделия или
изделия оптики, оптоэлектроники, которые являются частью ВОСП
и предназначены для выполнения одной или нескольких функций

274
Г л а в а $
Оптический
Оптический стык
ОУ1
Вспомогательный
оптический тракт
Главный
оптический тракт
Вспомогательный
оптический тракт
Рис. 8.4. Структурная схема оптического тракта ВОСП
1i
по формированию, передаче, распределению, преобразованию и обра-
ботке оптического сигнала, а также могут быть выделены как само-
стоятельные изделия с точки зрения требований к испытаниям, при-
емке, поставке и эксплуатации. Совокупность компонентов ВОСП,
соединенных таким образом, чтобы обеспечить передачу оптического
сигнала между ними, принято называть оптической цепью. Участок
оптической цепи между последовательно соединенными передатчи-
ком и приемником ВОСП и есть оптический тракт.
На рис. 8.4 обозначены оптический стык, станционный и линей-
ный ОК. Под оптическим стыком понимают совокупность техниче-
ских средств и правил, обеспечивающих взаимодействие последова-
тельно соединенных компонентов ВОСП. Станционный ОК предна-
значен для соединения компонент ВОСП в оптической цепи на стан-
ции, а линейный ОК — между станциями.
Согласно рекомендациям МСЭ-Т [63], к пассивным компонен-
там ВОЛП относят оптические кабели и их соединения, оптические
переключатели, оптические разветвители (ответвители), оптические
фильтры, оптические изоляторы, аттенюаторы и оптические уси-
лители.
8.3. Характеристики оптических
компонентов ВОСП
Поскольку компоненты ВОСП включаются в оптический тракт,
помимо выполнения функций, для которых они предназначены, к
ним предъявляются требования по передаче оптических сигналов без
искажений. Соответственно, наряду с характеристиками, описываю-
щими способность выполнять свое назначение, компоненты оптиче-
ского тракта характеризуются параметрами передачи [5, 7, 31, 32,
34, 43, 58, 63, 64, 67-81].
В общем случае пассивный компонент оптического линейного
тракта имеет п входных и т выходных портов, причем п ф №

волоконно-оптические линии передачи 275
(рис. 8.5). Портом принято называть
используемый для ввода оптической
Входные Выходные
порты
порты
мощности вход оптического разъема ("•-
или оптического волокна, присоеди-
ненного к оптическому компоненту.
Порты, между которыми передачи оп-
тических сигналов не должно быть, Рис- 8-5- Пассив-
называются изолированными. ный компонент ОЯТ
В первую очередь оптические компоненты характеризуют рабо-
чими длинами волн и рабочим диапазоном длин волн. Рабочая длина
волны— это номинальная длина волны, на которой компонент дол-
жен работать с надлежащими показателями. Рабочий диапазон длин
волн — это диапазон длин волн, в котором компонент должны ра-
ботать с заданными показателями качества.
Передаточные свойства многопортовых компонентов описывают-
ся матрицей передачи, коэффициентами передачи, коэффициента-
ми связи, направленностью, однородностью и избыточными поте-
рями. Кроме того, все компоненты линейного тракта характеризуют-
ся такими параметрами передачи, как вносимые потери, затухание
отражений и коэффициент отражений, а также характеристика-
ми, связанными с поляризационными свойствами, — поляризацион-
ной модовой дисперсией (ПМД), потерями, зависящими от поляри-
зации, зависимостью коэффициента отражений от поляризации.
Элементами матрицы передачи [t] размерностью п х га, где п и
т — число входных и выходных портов соответственно, являются
коэффициенты передачи, которые определяются отношением
tij = Jr%j/*ii
где Pij — мощность оптического излучения, передаваемая от порта
3 к порту г, при подаче на порт j оптической мощности Pj.
Если коэффициенты передачи выражены в логарифмических
единицах (дБ), то матрица передачи называется логарифмической.
В общем случае матрица передачи зависит от длины волны.
Коэффициент связи Сы определяется как отношение мощности
оптического излучения на заданном выходном порту к при вводе оп-
тического излучения в заданный входной порт j к суммарной опти-
ческой мощности на всех выходных портах:
Cfej = tkj/sJjj.
Направленностью называется значение элемента логарифмиче-
ской матрицы передачи между двумя изолированными портами:
«*э = -101g(^).

276
Глава 8
Логарифмическая матрица передачи многопортового компонен-
та может содержать определенный набор коэффициентов передачи,
который конечен и должен быть одинаков. Выраженные в логариф-
мических единицах (дБ) отклонения этих коэффициентов от номи-
нального значения называются однородностью.
Избыточные потери— это суммарные потери оптической мощ-
ности оптического компонента при вводе оптического излучения порт
j. Они выражаются в логарифмических единицах и равны *
аех = -101g(^tyJ . J
Здесь суммирование осуществляется только по значениям г, для ко-
торых порты г и j не являются изолированными.
Оптические компоненты с несколькими входными портами ха-
рактеризуются массивом значений избыточных потерь, размерность
которого равна числу входных портов.
Важнейшей характеристикой являются вносимые потери, значе-
ние которых характеризует уменьшение оптической мощности между
входным и выходным портами оптического компонента. Вносимые
потери выражаются в логарифмических единицах (дБ) и равны от-
ношению оптической мощности Pj, вводимой во входной порт j, к
оптической мощности Р^ выходного порта:
Oi^WlgiPj/Pij).
Нетрудно заметить, что для многопортового компонента параметр
вносимые потери равен соответствующему элементу логарифмиче-
ской матрицы передачи.
Затухание отражений и коэффициент отражений характеризуют
степень нерегулярности оптического компонента. Обе величины из-
меряются в логарифмических единицах (дБ). Затухание отражений
определяется как разность уровней мощности оптического излучения
вводимого в порт оптического компонента ро и мощности оптического
излучения ря, поступающей обратно из этого же порта:
Ar=Po-Pr-
Коэффициент отражений равен разности между измеренными на од-
ном и том же порту уровнем отраженной оптической мощности ИУ
уровнем вводимой оптической мощности. |
Для определенности при оценивании этих величин не учитывают!
вклад оптической мощности, отраженной на оптических разъемах!
который измеряется отдельно. >J

Волоконно-оптические линии передачи
277
Очевидно, что как характеристики отдельного оптического ком-
понента оптического тракта эти величины практически являются си-
нонимами. В этом случае они равны по абсолютной величине и про-
тивоположны по знаку. Вместе с тем, при использовании этих вели-
чин в качестве характеристик оптического тракта они различаются.
Затухание отражений служит оценкой нерегулярности оптического
тракта в целом. Эта величина измеряется на ближнем конце и равна
разности между уровнем оптической мощности, вводимой от оптиче-
ского передатчика, и уровнем суммарной оптической мощности, по-
ступающей на ближний конец обратно из линии и обусловленной всей
совокупностью нерегулярностей оптического тракта. Коэффициент
отражений используется в качестве оценки локальной неоднородно-
сти линии передачи и определяется как разность уровней падающей
и отраженной оптической мощности, измеренных в одной и той же
точке линии. Эту величину принято называть локальным (дискрет-
ным) коэффициентом отражений.
С увеличением скорости передачи информации в линии свыше
10 Гбит/с все более существенную играют поляризационные харак-
теристики — ПМД, потери, зависящие от поляризации, зависимость
коэффициента отражений от поляризации.
Определение ПМД дано выше в главе 7. Потери, зависящие
от поляризации, оценивают максимальной вариацией вносимых по-
терь, вызванной вариацией состояния поляризации, рассматриваемой
на множестве всех возможных состояний поляризации. Аналогич-
но, зависимость коэффициента отражений от поляризации оценивают
как максимальную вариацию коэффициента отражений, вызванную
вариацией состояния поляризации, рассматриваемую на множестве
всех возможных состояний поляризации.
8.4. Соединения ОВ и ОК
8.4.1. Способы соединения ОВ
ОК поставляются на барабанах строительными длинами в сред-
нем по 4...6 км. При строительстве протяженных линий передачи
сетей связи возникает необходимость соединения строительных длин
UK. Как уже было отмечено выше, при вводе кабелей для наруж-
ной прокладки в здание их необходимо соединить с кабелями для
Внутренней прокладки. При построении телекоммуникационных се-
Тей различного назначения зачастую необходимо распределить ОВ в
Разных направлениях, что требует соединения более двух кабелей.

278
Глава 8
На оконечном оборудовании кабельных линий в устройствах распре-
деления требуется переключение ОВ, подключение и отключение ак-
тивного оборудования. Во всех перечисленных случаях важнейшей
операцией является сращивание ОВ.
В зависимости от области применения различают разъемные
и неразъемные соединения волокон [31, 32, 58, 63, 74, 78, 80, 81].
Разъемные соединения выполняются в тех случаях, когда необхо-
димо предусмотреть возможность переключений ОВ, подключение
активного оборудования и средств измерений. Обычно это делает-
ся на оптических кроссах, активном и измерительном оборудова-
нии. В остальных случаях, в частности при соединении строительных
длин ОК в муфтах, выполняются неразъемные соединения ОВ.
Качество соединения ОВ оценивают его передаточными характе-
ристиками — вносимым затуханием и коэффициентом отражений.
8.4.2. Неразъемные соединения ОВ
Известно три основных способа выполнения неразъемного соеди-
нения ОВ: клеевой, с использованием механических соединителей и
с помощью сварки.
Исторически первым был разработан метод склеивания ОВ, но
развития он не получил. Наибольшее применение на телекоммуни-
кационных сетях нашел метод сварки (рис. 8.6). Реализация это-
го метода — достаточно сложный технологический процесс, который
требует применения специального дорогостоящего оборудования (ап-
паратов для сварки ОВ) и соответствующей квалификации исполни-
теля, но при этом позволяет достичь высокого качества соединений.
а) б) в)
Рис. 8.6. Сварка оптических волокон: а — технологический процесс
электродуговой сварки ОВ; б— сварочный аппарат Fujikura FSM-50S;
в — сварка волокон ОК ленточного типа (аппарат Ericsson RSU 8)

Волоконно-оптические линии передачи 279
г) д) е)
Рис. 8.7. Механические соединители: а — принцип действия механиче-
ских соединителей на основе V-образной канавки (ЗМ™ Fibrlok™); б—
ЗМ™ Fibrlok™; в — AMP Corelink; г — Tyco Electronics RECORDsplice;
д— Corning CamSplice; e— механический соединитель ЗМ™ MuItiFibre-
lok™ для сращивания ленточных ОВ
Для одномодовых ОВ затухание сварных соединений в среднем ме-
нее 0,05 дБ при сварке одиночных волокон и менее ОД...0,15 дБ при
сварке ленты ОВ. При этом обеспечивается коэффициент отражений
существенно ниже, чем —70 дБ. Аппараты для сварки лент ОВ ис-
пользуются также для сварки одиночных волокон, одного волокна
и ленты ОВ (рис. 8.6,в).
Механические соединители — это устройства, в которых обеспе-
чивается юстировка, сведение и фиксация сращиваемых ОВ. Прин-
ципы реализации, а также примеры конструкций для некоторых ме-
ханических соединителей приведены на рис. 8.7.
Для юстировки ОВ здесь используются различные механические
элементы — капиллярные трубки, V-образные канавки, тройные
стержни и другие патентованные направляющие и зажимные кон-
струкции. При этом различают пассивное и активное выравнивание
волокон. Пассивное выравнивание основано на предположении о ма-
лости допусков на геометрические размеры волокон, в частности о
строгом соосном расположении сердцевины и оболочки, и осуществ-
ляется по внешней поверхности оболочки в капиллярных трубках,
V-образных канавках, конструкциях из трех стержней и т.п. При
активном выравнивании волокна вставляются в отверстия втулок,
к°торые обеспечивают смещение оси волокна относительно оси втул-
ки- ОВ вклеиваются, скалываются и полируются заподлицо с тор-
гом втулок. Две втулки со сращиваемыми волокнами вставляются

280
Глава 8
в выравнивающую муфту и вращаются для обеспечения наилучшей
юстировки. Контроль обычно ведется по значению вносимых потерь.
При достижении минимальных потерь положение втулок в муфте
фиксируется. Этот метод более сложен, но обеспечивают лучшие
характеристики передачи. Он хорошо подходит для сращивания во-
локон, чувствительных к поляризации.
Наряду с устройствами для сращивания одиночных волокон,
разработаны механические соединители для сращивания лент ОВ,
в которых юстировка обычно осуществляется за счет использования
V-образной канавки (рис. 8.7,е).
Для согласования показателей преломления при отсутствии фи-
зического контакта на стыке ОВ используют иммерсионную жид-
кость, которая имеет показатель преломления, близкий к показате-
лю преломления кварцевого стекла. Эта жидкость вводится в соеди-
нитель заранее в заводских условиях. Вносимое затухание неразъ-
емных механических соединений, выполненных в полевых условиях,
как правило, не превышает 0,2 дБ. Основной недостаток такого спо-
соба соединений ОВ — рост коэффициента отражений при низкой
температуре. Локальный коэффициент отражений при температуре
—40 °С увеличивается до —50 дБ.
Сращивание ОВ с помощью механических соединителей не тре-
бует применения дорогостоящего оборудования, специальной подго-
товки монтажников и реализуется достаточно просто. Этот способ
хорошо дополняет сварку ОВ и используется в случаях, когда необ-
ходимо оперативное соединение, а требования не слишком высоки,
например при монтаже кабельных вставок.
8.4.3. Муфты ОК 1
По определению, кабельная муфта — это устройство для соеди-
нения друг с другом двух концов кабеля, в котором сращиваются все
конструктивные элементы кабельного сердечника и обеспечивают-
ся экранирующие и защитные свойства кабельных оболочек. Муф-
ты предназначены для защиты соединений строительных длин ОК
и обеспечивают механическую и электрическую непрерывность ка-
беля [63, 58, 74, 78, 80, 81].
Механическая непрерывность кабеля обеспечивается за счет со-
единения оболочки кабелей, их центральных элементов и волокон
арамида при их наличии. Электрическая непрерывность достигается
путем соединений токопроводящих металлических элементов кабеля,
например брони, между собой и с внешними точками заземления.

ролоконно-оптические линии передачи
281
а) б)
Рис. 8.8. Оптические муфты: а — тупиковая муфта Tyco Electronics FOSC
450D; б — проходная муфта Corning UCAO
Кроме этого, муфты оптических кабелей должны обеспечивать
упорядоченное размещение сростков и запаса длины ОВ в кассе-
тах, запаса длины модулей, исключая нарушения радиусов изгиба
ОВ и модулей.
Требования, предъявляемые к муфтам, существенно различа-
ются в зависимости от приложений и весьма многообразны. Для
их удовлетворения разработано множество типов универсальных
муфт ОК.
В общем случае конструкция муфты включает в себя корпус с
портами для ввода ОК, в котором размещаются кассеты и элементы
крепления. Кассеты предназначены для распределения, хранения и
защиты сростков ОВ и запаса волокон. В них предусматривается
крепление элементов защиты неразъемных соединений ОВ: гребенок,
гильз или механических соединителей.
Различают проходные и тупиковые муфты. В тупиковых муф-
тах порты для ввода кабеля расположены с одной стороны кор-
пуса (рис. 8.8,а), а в проходных — с двух противоположных сто-
рон (рис. 8.8,6). При этом конструкция подавляющего большин-
ства современных оптических муфт предполагает наличие, как ми-
нимум, четырех портов. Таким образом, в зависимости от способа
ввода и числа кабелей проходные муфты могут быть смонтирова-
ны как тупиковые (рис. 8.9,а) или, соответственно, как проходные
(Рис. 8.9,6).
В зависимости от числа вводимых кабелей применяют прямые
и Р&зветвительные муфты. Прямые муфты (рис. 8.8,6, рис. 8.9,о)
РеДназначены для прямого соединения кабелей одинаковой емко-
Ти протяженных линий между узлами коммутации. Обычно это

282
Глава 8
а) б)
Рис. 8.9. Варианты монтажа муфты ЗМ 2178-L/S: а — тупиковая;
б — проходная
кабели большой емкости — с большим числом волокон, и ответв-
ления от них, как правило, не предусматриваются. То есть в
дальнейшем доступ к отдельным сросткам не планируется. Раз-
ветвительные муфты (рис. 8.8,а, рис. 8.9,6) применяются на коль-
цевых или звездообразных сетях. Такие муфты предназначены
для соединения нескольких кабелей разной емкости. Обычно ка-
бель большой емкости соединяется с двумя или более кабелей ма-
лой емкости. При этом нередко планируется поэтапное подключе-
ние. Поэтому конструкции разветвительных муфт должны преду-
сматривать возможность ввода дополнительных кабелей в уже смон-
тированную муфту, выкладку и хранение запаса неразрезанных
модулей ОК, доступ к кассетам и отдельным сросткам в после-
дующем.
В зависимости от способа герметизации муфты разделяют на
монтируемые горячим и холодным способом. В первом случае техно-
логия монтажа муфты предусматривает нагрев отдельных элементов,
а во втором случае — нет. Обычно при горячем способе применяются
термоусаживаемые трубки (ТУТ) или ленты, которые нагреваются с
помощью фена потоком горячего воздуха. Пример муфты на основе
горячего способа монтажа представлен на рис. 8.8,а. При холодном
способе герметизация осуществляется с использованием прокладок,
специальных мастик и/или компаундов, которые уплотняются при
механической сборке муфты. Некоторые примеры муфт, монтируе-
мых холодным способом, приведены на рис. 8.8,6 и рис. 8.9.
К важнейшим параметрам муфты ОК относится ее емкость. Раз-
личают три вида емкости муфты ОК, которые указывают:
• максимальное количество сростков ОВ в муфте;
• максимальное число кассет в муфте;
• число вводимых в муфту кабелей с учетом их диаметра.
При выборе типа муфты в зависимости области применения необ-
ходимо учитывать ее емкость, внешнюю и внутреннюю конструкций,
способ герметизации.

8.4.4. Оптические разъемы
Оптические разъемы или, как их еще называют, коннекторы при-
меняются для оперативного соединения оптических волокон [31, 32,
58, 63, 69, 74-76, 78, 80, 81]. Их важнейшими передаточными характе-
ристиками являются вносимое затухание и затухание отражений, ко-
торые должны оставаться удовлетворительными при многократных
подключениях в течение всего срока службы. Для этого необходимо,
чтобы оптические разъемы обладали следующими свойствами.
Повторяемость. Качество соединений не должно существенно
изменяться при повторных подключениях.
Предсказуемость. Параметры разъема с определенным типом
волокна должны быть закономерны и относительно независимы от
навыков устанавливающего его монтажника.
Долговечность. Параметры передачи разъема не должны
ухудшаться со временем, и повторные подключения не должны ухуд-
шать эту характеристику.
Высокая прочность. В процессе эксплуатации разъем дол-
жен быть способен противостоять значительным механическим воз-
действиям
Защита от внешних воздействий. Разъем должен защищать
оптическое сопряжение от грязи, влаги, химикатов, колебаний тем-
пературы и вибраций.
Наиболее широкое распространение получили оптические разъ-
емы, в которых соединение осуществляется за счет сведения ОВ до
касания их торцов. Такой разъем состоит из розеточной и вилочной
частей. Основной элемент вилочной части, которую принято назы-
вать коннектором, — наконечник цилиндрической формы с отверсти-
ем по оси, диаметр которого точно соответствует диаметру первич-
ного защитноупрочняющего покрытия ОВ. Наконечник обычно вы-
полняется из керамики. ОВ вклеивают в отверстие наконечника,
после чего его скалывают и полируют торец волокна заподлицо с
торцом наконечника (рис. 8.10).
из
[с- 8.10. Продольный разрез разъемного соединения оптических волокон

284
Глава 8
Наконечник крепится в металлическом или пластмассовом кор-
пусе коннектора, на конец которого одевается полимерная трубка —
«хвостовик», обеспечивающий защиту ОВ без вторичного защитного
покрытия на вводе в наконечник. Розетка или, как ее еще назы-
вают, адаптер представляет собой муфту с отверстием по оси, диа-
метр которого строго соответствует внешнему диаметру наконечни-
ка коннектора.
Наконечники с закрепленными в них соединяемыми волокнами
вводятся с двух сторон в розетку до физического контакта их тор-
цов (рис. 8.10). Необходимое осевое и угловое согласование обес-
печивается за счет соосности волокон, наконечников коннекторов и
направляющего отверстия розетки. Физический контакт торцов со-
единяемых волокон гарантированно обеспечивает способ полировки,
при котором наконечник выполняется со скругленными краями тор-
цов. Такие разъемы маркируются латинскими буквами PC (Physical
Contact): FC/PC, SC/PC и т.д. Разъемы снабжаются механизмом
крепления коннекторов на сопрягающей их розетке, который выпол-
няется в виде завинчивающегося или защелкивающегося байонетно-
го соединения.
Известно множество патентованных конструкций оптических
разъемов. В настоящее время на волоконно-оптических линиях наи-
более широко используются оптические разъемы типа FC, ST и SC.
Оптический разъем типа FC (Fiber Connector) был разработан в
1980 г. японской корпорацией NTT (Nippon Telegraph & Telephone).
Внешний вид разъема приведен на рис. 8.11. Его параметры регла-
ментируются международным стандартом IEC 60874-7 и американ-
ским стандартом TIA/E1A604-4. Коннекторы типа FC могут приме-
няться для армирования как одномодовых, так и многомодовых ОВ.
Но наибольшую популярность разъем получил в одномодовой тех-
нике, используемой на телекоммуникационных сетях. Наконечник
коннектора FC имеет диаметр 2,5 мм. Для крепления коннектора на
розетке используется круглая накидная гайка М8х0,75. Конструк-
ция разъема обеспечивает надежную защиту наконечника от загряз-
нений, а применение для фиксации накидкой гайки дает большую
Рис. 8.11. Оптический разъем типа FC: а — коннектор; б— розетка типа SF;
в — розетка типа RF

Волоконно-оптические линии передачи 285
герметичность зоны сращивания волокон и надежность соединения
при воздействии вибраций. Данное свойство позволяет успешно при-
менять соединитель, в том числе и на подвижных объектах.
Главным недостатком изделия наряду с несколько неудовлетво-
рительными массогабаритными показателями считается неудобство
работы из-за необходимости выполнения нескольких оборотов кре-
пежной гайки во время включения-отключения.
В разъеме типа FC предусмотрены постоянные средства меха-
нической блокировки неправильного подключения. Элемент защиты
наконечника от вращения при коммутации выполнен в виде ключево-
го выступа, который при подключении вилки входит в соответству-
ющий вырез на корпусе розетки.
Розетка разъема FC выпускается двух видов: типа SF с квад-
ратным фланцем и креплением двумя винтами М2 и типа RF с круг-
лым фланцем и креплением под гайку при толщине стенки до 2 мм.
Последний вариант данного изделия иногда называется розеткой D-
типа. Отметим, что розетка D-типа может устанавливаться на пане-
ли с посадочными отверстиями под розетки ST.
Оптический разъем типа ST (Straight Tip Connector) был создан
в 1985 г. лабораториями Bell компании AT&T. До середины 90-х гг.
прошлого века ОР типа ST имел наибольшее распространение на ло-
кальных вычислительных сетях. Внешний вид изделия представ-
лен на рис. 8.12. Его параметры регламентируются национальным
стандартом США TIA/EBA-604-2 и международным стандартом IEC
60874-10. Такой разъем применяться для работы с многомодовы-
ми и одномодовыми ОВ. Наконечник имеет длину 12,7 мм и диа-
метр 2,5 мм. После установки коннектор фиксируется в рабочем
положении в розетке подпружиненной байонетной гайкой, которая
для перевода в закрытое состояние поворачивается на 1/4 оборота
по часовой стрелке.
На практике известны многочисленные варианты конструкций
ST разъемов, отличающихся от прототипа в основном формой и ма-
териалом байонетного фиксатора, а также принципом крепления кор-
пуса вилки к буферным оболочкам и защитным покрытиям ОВ. До-
статочно часто для их обозначения применяется термин ST — сов-
местимая конструкция.
а) б)
Рис. 8.12. Оптический разъем типа ST: а — коннектор; б— розетка

286
Глава 8
а) б) в)
Рис. 8.13. Оптический разъем типа SC: а — коннектор; б— розетка
одинарная; в — розетка двойная
г
Металлический корпус вилки и розетки разъема ST обеспечи-
вает ему высокую механическую прочность, однако существенно за-
трудняет его кодировку и идентификацию.
Для частичной защиты наконечников от трения при подключе-
нии на узле фиксатора наконечника предусмотрен боковой цилин-
дрический ключевой выступ, вводимый в прорезь корпуса розетки.
Оптический разъем типа SC (Subscriber Connector) разработан щ
1986 г. японской телекоммуникационной корпорацией ЩТ и перво-
начально предназначался для использования в абонентских устрой^
ствах различного назначения. Внешний вид разъема представлен нщ
рис. 8.13. В настоящее время разъем регламентирован националь-d
ными стандартами Японии JIS С-5973 и США TIA/EIA-604-3. На'
международном уровне характеристики данного изделия задаются
международными стандартами IEC-60874-14 (симплексный вариант)
и IEC-60874-19 (дуплексный вариант). Разъем типа SC определен
действующими редакциями стандартов как основной тип разъемно-
го соединителя для применения в конструкциях распределительных
устройств оптических кабельных линий.
Основная идея, заложенная в конструкцию разъема типа SC,
состоит в создании устройства с пластмассовым корпусом, хорошо
защищающим наконечник за счет его максимально полного охвата
и обеспечивающим плавное подключение и отключение линейным
движением. Используемый принцип коммутации делает этот разъем
особенно удобным для применения в оборудовании, предназначенном
для эксплуатации в технических помещениях, так как позволяет уве-
личить плотность портов за счет сближения осей розеток.
Наконечник диаметром 2,5 мм и длиной 10,5 мм утоплен в кор-
пус коннектора и выступает из него всего на 1,9 мм, что эффективно
предохраняет его от загрязнений. Унификация наконечника с разъ-
емом FC позволила сократить время разработки и уменьшить сто-
имость серийного изделия.
Корпус вилки имеет ключ, который препятствует ее подключе-
нию к розетке в неправильном положении. В отличие от других кон-

Волоконно-оптические линии передачи
287
струкций, известных к моменту разработки разъема SC, ключ рас-
положен на внешней поверхности корпуса и имеет форму направ-
ляющего выступа. Защелка вилки выполнена по внутренней схеме
и открывается только при вытягивании за корпус, что увеличивает
эксплуатационную надежность создаваемого соединения. Разъемы
типа SC обеспечивают высокую стабильность параметров (соглас-
но стандартам он должен выдерживать не менее 500 подключений
и отключений без ухудшения нормативных характеристик). Этому в
немалой степени способствует отсутствие эффекта углового поворо-
та наконечников соединяемых вилок относительно друг друга при
включении и отключении.
Розетка разъема SC изготавливается из пластмассы. Конструк-
ция розетки обычно предусматривает два варианта ее крепления.
Первый — основан на штатной двухсторонней металлической пла-
стинчатой защелке (толщина стенки до 1,8 мм) и позволяет выпол-
нять монтаж с внешней стороны лицевой панели. Второй вариант
предполагает применение двух винтов М2 и может быть использо-
ван при толщине стенки до 12 мм. Большой пластмассовый корпус
вилки и розетки разъема SC позволяет применить эффективную цве-
товую маркировку типа изделия.
Оптический разъем типа SC может иметь как симплексное, так
и дуплексное исполнении. В последнем случае он обозначается SC-D
или DSC. Расстояние между осями наконечников в двойном разъеме
составляет 12,7 мм. Дуплексная вилка формируется из двух сим-
плексных различными способами. Первый из них основан на том,
что на корпусе вилок предусмотрены штатные фиксаторы. Второй
базируется на использовании внешней оправки.
Следует отметить, что параметры передачи оптических разъ-
емов хуже, чем у неразъемных соединений. Одна из основных при-
чин — невозможность устранить осевое смещение, которое вносит
основной вклад в потери и отражения оптического разъема. Допол-
нительные потери в оптическом разъеме обусловлены осевым (ра-
диальным) смещением, зазором между торцами волокон, угловым
рассогласованием. Помимо указанных факторов, вносимое затуха-
ние разъемных соединений зависит от конструкции разъема и до-
пусков на детали.
Параметры передачи разъемов зависят от качества и типа по-
лировки. Одномодовые оптические разъемы, в которых обеспечива-
йся физический контакт торцов соединяемых волокон, имеют вно-
симое затухание порядка 0,2 дБ. Максимальное значение этой вели-
чины обычно не превышает 0,8 дБ. Коэффициент отражений опти-
ческого разъема определяется типом полировки и составляет менее

288
Глава 8
—30 дБ для разъемов типа PC (физический контакт), менее —45 дБ
для типа SPC (физический контакт супер), менее —55 дБ для ти-
па UPC (физический контакт ультра) и менее —65 дБ для типа
АРС (физический контакт торцов ОВ, отполированных под углом
8...9 градусов).
Большинство оптических разъемов предназначено для эксплу-
атации в помещениях В основе их эксплуатации — защита от гря-
зи. Коннекторы, розетки оптических разъемов и панели, на кото-
рых они расположены, должны поставляться с защитными крышка-
ми, которые необходимо держать закрытыми всегда, если коннектор
не вставлен в розетку. Защитные крышки не только предохраня-
ют от пыли и грязи, но и защищают уязвимые полированные тор-
цы коннекторов.
Для чистки коннекторов и розеток рекомендуется использовать
пулеверизаторы со сжатым воздухом, что исключает необходимость
физического соприкосновения с полированными поверхностями нако-
нечников коннекторов. Допустимо использовать для чистки коннек-
торов безворсовую ткань и изопропиловый спирт. Нельзя касаться
торцов наконечников коннекторов и розеток руками — жир паль-
цев вызывает налипание грязи.
Типичные оптические разъемы рассчитаны на 500-1000 подклю-
чений. Повторные подключения и отключения вызывают стирание
механических элементов.
8.4.5. Оборудование систем распределения
оптических волокон '\
Оборудование систем распределения оптических волокон кабель-
ных линий предназначено для упорядоченного распределения ОВ ка-
бельных линий и их переключения на узлах коммутации и оконеч-
ных пунктах [58, 63, 78]. Обычно предназначенное для этих целей
оборудование называют оптическими кроссами. Переключения ОВ
на кроссах, подключения активного и измерительного оборудования
осуществляется вручную.
В общем случае оптический кросс состоит из корпуса, внутри
которого предусмотрено место для выкладки запаса ОВ и модулей
ОК, оптических шнуров и крепления кассеты, а на лицевой панели
расположены порты для установки розеток оптических разъемов.
Известно несколько вариантов исполнения оптических крос-
сов — в виде отдельной стойки, в виде панели, занимающей одно
место в универсальной стойке, в виде настенного шкафа или настен-
ной распределительной коробки (рис. 8.14).

-оптическиелипи^ередачи
289
г)
в/ отдельная стой-
Рис. 8.14. Варианты исполнения ^^аТп^лительная коробка
ка; б - панель; в - настенный шкаф, Р
8 5. Оптические разветвители
и оптические циркуляторы
„„ __ это устройства для разделения
Оптические разветвители э У £ } ПОТОКОв оптиче-
(couplers) и/или объединения (sphtters используются для
ской мощности [31, 32, 58, 63, 69, 78, »и, в j и ^^ QB и на_
ввода оптического сигнала из одного ОИ^Д. У траняюЩейся
оборот, для объединения 0^£^ И3"
в нескольких ОВ, в одном Ob, а такж Отметим, что здесь
лучения для целей измерения или мониторинг- От
не рассматривается разделение но длине волны.
•0—5440

290
Глава 8
Оптические разветвители характеризуются количеством портов
и в общем случае имеют п входных и т выходных портов. Их переда-
точные свойства в рабочем диапазоне длин волн на рабочих длинах
описываются матрицей передачи, по которой для каждого порта опре-
деляются коэффициенты передачи, коэффициенты связи, направлен-
ность, избыточные потери, вносимые потери, затухание отражений
(коэффициент отражений), а также однородностью и параметрами,
связанными с поляризационными свойствами, — поляризационной
модовой дисперсией (ПМД), потерями, зависящими от поляризации,
зависимостью коэффициента отражений от поляризации.
Конфигурация разветвителей зависит от числа портов и их на-
правленности. При наличии портов, изолированных друг от друга в|
одном направлении передачи и неизолированных в другом, устройн
ства называют направленными оптическими разветвителями (ответ-]
вителями). В зависимости от конфигурации выделяют Т-образные!
ответвители, древовидные и типа звезда. Ответвители Т-типа пример
няются, как правило, для отвода части оптической мощности. Древо-S
видные разветвители имеют или один входной порт и несколько вы-1
ходных, или один выходной порт и несколько входных (рис. 8.15,а).
У разветвителей типа звезда количество входных портов равно ко-
личеству выходных (рис. 8.15,6). Другой вариант — универсальный
разветвитель типа звезда содержит несколько портов, каждый из ко-
торых может работать как входной и выходной так, что при вво-
де оптического излучения в один из портов он передается во все
остальные (рис. 8.15,в).
Типичные параметры оптического разветвителя:
Вносимые потери, дБ 4,01
Затухание отражений, дБ 40
Потери, зависящие от поляризации, дБ 0,1
Однородность, дБ 1,01
1
ь^>
\—^>
Рис. 8.15. Оптические разветвители: а — древовидного типа; б— типа звеэДОЩ
в — типа универсальная звезда
Щ

Волоконно-оптические линии передачи
291
Рис. 8.16. Принцип
функционирования оп-
тического циркулятора
В зависимости от принципа рабо-
ты различают оптические разветвите-
ли, работающие только с прямой пере-
дачей, и оптические разветвители с от-
ражением. В зависимости от способа
изготовления оптические разветвители
делят на сплавные биконические уст-
ройства и устройства на планарном вол-
новоде. Оптические разветвители это
пассивные компоненты, но в общем слу-
чае для компенсации потерь они могут
включать и оптические усилители.
В отличие от оптических разветви-
телей в оптических циркуляторах мощность оптического излучения,
вводимая в один из портов, практически полностью передается в свя-
занный с ним другой порт. Оптические циркуляторы — это многопор-
товые устройства, в которых каждый порт может быть входным или
выходным, и при этом каждый порт связан только с одним портом в
прямом направлении передачи и только с одним, но другим портом,
в обратном направлении передачи. Наиболее широко распростране-
ны трехпортовые оптические циркуляторы, которые используются
для разделения мощности оптического излучения прямого и обрат-
ного потоков в ОВ на входе оптических рефлектометров, в оптиче-
ских фильтрах на оснеове брэгговских дифракционных решеток. На
рис. 8.16 представлен такой оптический циркулятор и направления
передачи оптической мощности в нем.
8.6. Оптические фильтры
Оптические фильтры — это устройства для разделения оптиче-
ских сигналов по длине волны. Они находят широкое применение на
оптических сетях в качестве основных элементов мультиплексоров
ввода/вывода, реализующих технологию спектрального разделения,
в маршрутизаторах, основанных на переключении оптических несу-
щих (коммутации оптических каналов), лазеров, оптических усили-
телей, конверторов и ряда других устройств [31, 32, 43, 63, 68, 69,
70-72, 74-76, 78, 80, 81].
К основным параметрам оптических фильтров относят полосу
пропускания, центральную длину волны и их допустимые отклоне-
ния, а также вносимые потери, затухание отражений, потери, завися-
щие от поляризации, и поляризационная модовая дисперсия. Кроме
Того, важную роль играют такие эксплуатационные характеристики,

292
Глава 8
Рис. 8.17. Оптический фильтр с ис- Рис. 8.18. Структура мультиплексора-
пользованием многослойных тонко- демультиплексора с использованием
пленочных покрытий тонкопленочных фильтров
как температурная стабильность длины волны и тепловая стабиль-
ность, которая определяет максимально допустимые изменения по-
терь в полосе пропускания при изменении температуры. В системах
спектрального уплотнения применяют многоканальные оптические
фильтры, для которых, помимо перечисленных выше передаточных
свойств оптических каналов, важны характеристики, описывающие
взаимные влияния между оптическими каналами. Это канальный
интервал — расстояние между центральными длинами волн, изоля-
ция соседнего канала и ранее указанные допуски на спектральные
характеристики оптического канала.
В зависимости от типа применяемой направляющей структуры
можно выделить три основных типа оптических фильтров, получив-
ших наибольшее распространение в системах связи. Это тонкопле-
ночные на массивной подложке, волоконные, на базе брэгговских ре-
шеток и интерферометров Маха-Цандера, и планарные оптические
цепи, базирующиеся на принципах интегральной оптики.
Фильтры первого типа используют многослойные тонкопленоч-
ные покрытия и резонаторы Фабри-Перо. Принцип работы подобно-
го фильтра поясняет рис. 8.17. Как правило, фильтр содержит не
менее двух резонаторов. Его многослойная структура включает бо-
лее 50 слоев. Этот принцип используется для построения узкополос-
ных оптических полосовых фильтров. Структура мультиплексора-
демультиплексора, основанного на работе тонкопленочных филь-
тров, представлена на рис. 8.18. Настроенные на разные длины волн
тонкопленочные фильтры включаются последовательно. Количе-
ство фильтров соответствует числу оптических каналов.
Хорошими "фильтрующими свойствами обладают волоконные
брэгговские дифракционные решетки. Принцип работы оптического

Волоконно-оптические линии передачи
293
Брэгговская
решетка
фильтра на дифракционной решетке Брэгга и
циркуляторе представлен на рис. 8.19. При-
мер построения мультиплексоров ввода/ вы-
вода на основе волоконной брэгговской ре-
шетки и интерферометра Маха-Цандера при-
веден на рис. 8.20. Фильтры на основе длин-
нопериодических брэгговских дифракцион-
ных решеток применяют для выравнивания
спектральных характеристик оптических
усилителей на легированном эрбием волокне.
Из фильтров, базирующихся на техно-
логиях интегральной оптики, представляют
интерес оптические фильтры на дифракци-
онных решетках пространственно разнесен-
ных волноводов (AWG — Array Waveguide
Grating). Принцип работы таких фильтров в N х N мультиплексо-
рах ввода/вывода поясняет рис. 8.21.
1 |_т
I Циркулятор]
Рис. 8.19. Оптиче-
ский фильтр на брэг-
говской решетке и
оптическом циркуляторе
Брэгговские
решетки
^1»---Лу_1Лу+|»-мА.я
Рис. 8.20. Оптический фильтр на брэгговской решетке и интерферометре
Маха-Цандера
Полиамидная полуволновая
пластина
Линейка
световодов
A.lfA.2>—Я0
Рис. 8.21. Оптический фильтр на решетке пространственно
разнесенных волноводов

294
Глава 8
Такой мультиплексор включает в себя N входных и N выходных
оптических волноводов, два фокусирующих планарных волновода и
N световодов с линейкой длин с шагом AL. Пучок света на входе
через N входных оптических волноводов вводится в планарный оп-
тический волновод, а затем в линейку световодов. После прохожде-
ния линейки световодов лучи света интерферируют и фокусируются
в определенной точке прямоугольного волновода, положение кото-
рой зависит от длины волны, так как фазовая задержка в каждом
из световодов равна 2тгАЬ/Х. В кварцевых планарных световодах
эквивалентный показатель преломления для мод ортогональной по-
ляризации разный из-за двулучепреломления, обусловленного меха-
ническими напряжениями. Соответственно место фокуса для волн
ТЕ и ТМ поляризаций не совпадает. Для согласования условий для
ТЕ и ТМ мод и коррекции положения фокуса в середине линейки
световодов вставляется тонкая пластина в пол волны. Важнейшим
достоинством фильтров на основе планарных оптических цепей и
производимых на их базе мультиплексоров является возможность их
интеграции с активными устройствами. Именно это преимущество
существенно способствует их широкому распространению.
8.7. Оптические переключатели I
(коммутаторы) я
Оптическими переключателями или коммутаторами называю'!
пассивные элементы с одним или более портов, которые передают^
блокируют или перенаправляют оптическую мощность в одно из во*
локон ВОЛП [31, 32, 34, 43, 58, 68-71, 74-76, 78, 80, 81]. Оптиче!
екая коммутация наряду с формированием и передачей оптическим
сигналов лежит в основе технологий транспортных оптических сетей J
Она применяется как для коммутации оптических волокон, так и для
коммутации оптических несущих. В последнем случае это коммута*
ция групповых оптических потоков (нескольких оптических каналов)
или коммутация отдельных оптических каналов.
Как правило, оптические коммутаторы — это многопортовые
компоненты. Как и другие многопортовые оптические компоненты,
они характеризуются количеством портов и соответствующей матри-
цей передачи. При этом каждый порт описывается коэффициентами
передачи, коэффициентами связи, направленностью, избыточными
потерями, вносимыми потерями, затуханием отражений (коэффици-
ентом отражений), а также однородностью и параметрами, связан-
ными с поляризационными свойствами, — поляризационной модовоЙ

Волоконно-оптические линии передачи
295
дисперсией (ПМД), потерями, зависящими от поляризации, зависи-
мостью коэффициента отражений от поляризации. Также они ха-
рактеризуются рабочим диапазоном длин волн и рабочими длинами
волн. При этом для устройств с коммутацией волокон эти величины
обычно одинаковы для всех портов, а для устройств с коммутацией
оптических каналов каждый порт имеет свою рабочую длину волны.
Коммутационные свойства оптических коммутаторов описыва-
ются матрицей передачи и матрицей времен переключений.
Матрица передачи оптического коммутатора — это две матрицы
[Uj] и [t°j] с размерностью п х п, где п — число портов. Элементы
tij первой матрицы есть коэффициенты передачи в состоянии «вклю-
чено» (соответствующие порты не изолированы). Элементы второй
матрицы t°j — это коэффициенты передачи в состоянии «выключе-
но» (соответствующие порты изолированы).
Каждый коэффициент Uj определяет минимальную (в расчете
на худший случай) часть мощности, переданную от порта г к порту
j, для любого состояния, при условии, что путь ij включен. Каждый
коэффициент Щ'■] определяет максимальную (в расчете на худший
случай) часть мощности, переданную от порта г к порту j, для любого
состояния, при условии, что путь ij выключен.
Матрица времени переключений [S] является матрицей, каждый
элемент которой S — есть максимальное время переключения, необ-
ходимое для того, чтобы перевести путь ij из любого состояния в
состояние включено или выключено.
В основе работы переключателей с коммутацией оптических
несущих лежат те же принципы, что и при постронении оптических
мультиплексоров ввода/вывода с разделением по длине волны, на-
пример на основе дифракционной решетки на массиве волноводов.
Оптические переключатели ОВ в зависимости от положенных
в их основу принципов работы подразделяют на оптомеханические,
электрооптические и термомеханические переключатели, основан-
ные на эффекте полного внутреннего отражения и микроэлектроме-
ханические системы (MEMS — Microelectromechanical systems).
Оптомеханические переключатели оптических волокон представ-
ляют собой устройства с электромагнитным управлением, переклю-
чающие сигнал с одного входного волокна между несколькими вы-
ходными волокнами. Принцип работы одного из таких переключа-
телей поясняет рис. 8.22.
Это переключатель оптических волокон типа 2x2. Коммутация
в°л°кон здесь осуществляется путем ввода (вывода) зеркала. Время
ПеРеключения составляет 4,6 мс. Подобные устройства применяют в

296
Глава
Перемещаемое A j
Волокно зеркало | |
Граданы JJ
Рис. 8.22. Переключатель с электромагнитным управлением >т
основном только для резервирования волокон. В другом варианте та]
кого переключателя перемещается подвижный отрезок ОВ входного
порта. Зафиксировав его в нужном положении, можно направлятн
оптическое в соответствующий выходной порт.
Суть электрооптического эффекта состоит в том, что при изме-
нении напряженности электрического поля показатель преломления
некоторых материалов также изменяется. Это позволило позволяет
строить структуры с изменяющимися волноведущими свойствами.
Известны реализации термооптических переключатели на основе
интерферометра Маха-Цандера, одно из плеч которого заключается
в тонкопленочный элемент нагрева, что обеспечивает возможность
изменения разности длин плеч и, соответственно, условий передачи
сигнала на рабочей длине волны в выходные порты интерферометра.
В устройствах, основанных на эффекте полного внутреннего от-
ражения, за счет ввода/вывода в пересечение прямоугольных волно-
водов иммерсионной жидкости с определенным показателем прелом-
ления или формирования пузырька обеспечивается полное внутрен-
Рис. 8.23. MEMS на основе подвижных зеркал

Волоконно-оптические линии передачи
297
нее отражение и переключение оптического пучка света из входного
волновода в один из двух волноводов на выходе.
Более перспективны устройства оптической кросс-коммутации
на основе микроэлектромеханических систем. Это полностью про-
зрачные элементы для оптических каналов, групповых потоков. Ра-
бота MEMS основана на системе подвижных зеркал (рис. 8.23), каж-
дое из которых может быть зафиксировано в одном из двух положе-
ний. Одна интегральная микросхема, реализующая матрицу MEMS
8x8, имеет размеры 1 см2 и обеспечивает переключения за время
менее 0,5 мс. Известны реализации собранного на базе таких мат-
риц кросс-коммутационного оборудования 112 х 112, обеспечивающе-
го время переключения менее 10 мс.
8.8. Оптические изоляторы
Оптический изолятор предназначен для ослабления уровня оп-
тической мощности, распространяющейся в обратном направлении
[31, 32, 69, 74-76]. Это устройство с малым значением вносимого
затухания в одном направлении и большим значением — в противо-
положном направлении. Изоляторы обычно устанавливают на вы-
ходе устройств с высоким уровнем мощности оптического излуче-
ния — источников оптического излучения, оптических усилителей,
с целью подавления оптического излучения, распространяющегося
обратно из оптической линии передачи в резонатор лазерного диода
или оптического усилителя и, соответственно, возникающего из-за
него паразитного излучения.
К основным параметрам оптического изолятора, характеризую-
щим его способность выполнять свое назначение, относятся значения
вносимого затухания в прямом направлении, в обратном направле-
нии и их погрешности.
Как и у прочих элементов оптического линейного тракта, к его
важнейшим параметрам относятся затухание отражений и потери, за-
висящие от поляризации. Кроме того, нормируют поляризационную
модовую дисперсию оптических изоляторов. Как и другие пассивные
элементы, это устройство характеризуют рабочими длинами волн,
рабочим диапазоном длин волн, рабочим диапазоном температур, а
также стабильностью и надежностью.
Известны оптические изоляторы, основанные на использовании
эФфекта Фарадея и на основе ячеек жидких кристаллов.
Типичные оптические изоляторы работают в узком диапазоне
Рабочих длин волн порядка 20 нм, в прямом направлении имеют вно-
симое затухание менее 1,0 дБ, а в обратном направлении более 30 дБ
Здя одноступенчатой схемы и более 60 дБ для двухступенчатой.

298
Глава $
8.9. Оптические аттенюаторы
Оптический аттенюатор предназначен для ослабления уровня
оптической мощности. Обычно их применяют для согласования уров-
ня оптической мощности на выходе источников оптического излуче-
ния, на входе фотоприемников и т.п. Основной характеристикой оп-
тического аттенюатора являются значение вносимого затухания и его
погрешность [31, 32, 43, 58, 63, 69, 70-72, 78, 80, 81].
Как и у прочих элементов оптического линейного тракта, к его;
важнейшим параметрам относятся затухание отражений и потери,
зависящие от поляризации. Кроме того, устройство характеризуют!
рабочими длинами волн, рабочим диапазоном длин волн, рабочим:
диапазоном температур, а также стабильностью и надежностью.
В зависимости от назначения различают аттенюаторы для од-
номодового и многомодового режима передачи. Применяют нерегу-
лируемые и регулируемые аттенюаторы. Изменения вносимого за-
тухания регулируемых устройств могут осуществляться или плав-
но или ступенями.
В зависимости от исполнения различают аттенюаторы, встроен-
ные в оптические шнуры — исполнение «in-line» (рис. 8.24) и выпол-
ненные в виде розеток оптических разъемов (рис. 8.25). Типичные
характеристики аттенюатора с фиксированным значением вносимо-
го затухания приведены ниже.
Рабочая длина волны, нм 1,55 ^
Рабочий диапазон длин волн, нм ±20 ^J ,
Вносимое затухание, дБ 5,0 Ц :\
Погрешность вносимого затухания, дБ ±0,3 ]! |
Затухание отражений, дБ, не более —45
Диапазон рабочих температур, °С —30...+70
Прецизионные измерительные аттенюаторы, предназначенные
для настройки оптического линейного тракта и его компонентов, вы-
полняются в отдельных корпусах, обеспечивают грубую и плавную
Рис. 8.24. Аттенюатор, встро- Рис. 8.25. Аттенюаторы, встроенные в розет-
енный в оптический шнур ки оптических разъемов

волоконно-оптические линии передачи
299
Рис. 8.26. Измерительные оптические аттенюаторы
регулировку вносимого затухания и снабжены дисплеем (рис. 8.26).
При заказе аттенюатора обязательно указывается тип его конструк-
тивного исполнения, тип ОВ и тип оптических разъемов на его
портах.
8.10. Оптические усилители
Оптические усилители (ОУ) обеспечивают непосредственное уси-
ление оптических сигналов, без преобразования в электрические сиг-
налы и обратно. ОУ являются полностью прозрачными. Другими
словами, они функционируют независимо от используемых протоко-
лов, форматов, скорости передачи оптического сигнала и, в пределах
определенных ограничений, от длины волны [31, 32, 43, 63, 67-69,
70-72, 74-76, 78, 80, 81].
К основным параметрам ОУ относятся как общие для всех ти-
пов усилителей характеристики: коэффициент усиления, уровень
(коэффициент) шума, динамический диапазон, амплитудно-волновая
характеристика (аналог амплитудно-фазовой характеристики), так
и специфические, свойственные только ОУ: коэффициент усиления
среды, мощность насыщения, усиленное спонтанное излучение, чув-
ствительность к поляризации сигнала.
В общем случае коэффициент усиления ОУ для оптического сиг-
нала на центральной длине волны оптического канала имеет вид
Со(Ао) = Рвых(А0)/Рвх(Ао),
Где ^вх(Ао),Рвых(Ао) — мощности оптического сигнала на входе и
ыходе ОУ, измеренные на рабочей длине волны при малом уровне
Одного сигнала, гарантирующем отсутствие насыщения выходно-
Го сигнала.

Принцип действия ОУ коротко можно пояснить следующим об-
разом [2]. Пусть существует некая активная среда, имеющая два
энергетических состояния Е\ и Е^, причем Е\ < Е2. То есть уро-
вень Е2 является возбужденным состоянием по отношению к уровню
Е\. В равновесных условиях число N рабочих частиц (электронов,
ионов или молекул) распределено по статистике Больцмана так, что
Ni > N2. В этом случае, если в такую среду поступает фотон, то он
с большой вероятностью будет поглощен этой средой. То есть уси-
ления нет, но существует некоторая вероятность эмиссии (испуска-
ния фотона) за счет спонтанного перехода электрона с верхнего воз-
бужденного уровня на нижний релаксационный уровень. Усиление
становится возможным, если реализовать инверсию населенностей
уровней — N\ < N2. Инверсия населенностей уровней создается с
помощью системы энергетической накачки. В качестве накачки ис-
пользуют инжекцию электронов или излучения лазера соответству-
ющей длины волны. В результате накачки создается необходимая
инверсная населенность, и активная среда становится способной при
попадании в нее возбуждающего фотона усиливаемого оптического
сигнала генерировать вторичные фотоны (на той же длине волны и с
тем же направлением распространения) с некоторым коэффициентом
размножения. Другими словами, имеет место усиление оптического
сигнала за счет возбуждаемой эмиссии.
На рис. 8.27 приведена схема трехуровневой модели функцио-
нирования активной среды ОУ на легированном эрбием волокне —
EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier).
Важно то, что усиление носит распределенный характер. Это
обусловлено генерацией фотонов в течении всего времени прохожде-
ния усиливаемого оптического сигнала через активную среду, имею-
щую конечную длину L, что и определило наличие этого параметра в
формулах для коэффициента усиления ОУ. Процесс усиления в ОУ
сопровождается двумя другими процессами: поглощением энергий
оптического излучения и спонтанной эмиссией вторичных фотонов-^

Волоконно-оптические линии передачи
301
иШи
Лазер накачки
(980 или 1480 им)
Рис. 8.28. Пример включения лазера накачки ОУ типа EDFA
Поглощение энергии оптического излучения носит экспоненциаль-
ный характер и растет с увеличением длины волновода с активной
средой — L. Спонтанная эмиссия вторичных фотонов может быть
усилена, что приводит к появлению усиленного спонтанного излуче-
ния (ASE — Amplified Spontaneous Emission).
Применяются различные схемы накачки. Одна из наиболее про-
стых схем в качестве примера приведена на рис. 8.28. Энергия ла-
зера накачки распределяется между всеми оптическими каналами.
Чем больше каналов, тем большая требуется мощность накачки.
В ОУ, рассчитанных на большое число каналов, обычно использу-
ется несколько лазеров накачки.
В зависимости от назначения ОУ оптического линейного тракта
выделяют усилители мощности, предусилители и линейные усили-
тели (повторители).
В зависимости от принципов работы различают три основные ти-
па оптических усилителей: на легированных редкоземельными мате-
риалами волноводах, на основе нелинейного явления вынужденного
комбинационного рассеяния (ВКР) и полупроводниковые.
Принцип работы ОУ на волноводах, основной материал которых
легируется редкоземельными присадками, основан на том, что ионы
редкоземельных металлов создают активную среду для усиления в
определенных полосах длин волн. До недавнего времени в качестве
присадок использовали неодим (Nd) и празеодим (Рг) для усиления
на длинах волн в области 1300 нм, а также эрбий (Ег) для усиления
на длинах волн в области 1550 нм. В настоящее время известно при-
менение туллия (Т), который позволяет создавать ОУ для двух диа-
пазонов длин волн — 1460 и 1650 нм — и иттребия (Yb), который ис-
пользуется совместно с эрбием для расширения спектра поглощения,
Что позволяет использовать мощные источники накачки в области
00... 1100 нм для усиления сигнала в диапазоне длин волн 1550 нм.
В настоящее время наиболее широкое применение нашли ОУ
^а волокне, легированном эрбием (EDFA — Erbium-Doped Fiber
mpHner). Благодаря таким качествам, как относительно низкий

302
Глава 8
1 «"*
edfX>
EDFA с оптическим
изолятором
Обратная связь
Селективный Регулируемый
разветвитель аттенюатор
Рис. 8.29. Схема выравнивания спектральных характеристик оптического уси-
лителя
уровень шума и рабочий диапазон, который практически полностью
соответствует спектральному диапазону, где кварцевое волокно име-
ет минимальные потери, эти усилители сделали оптические линии и
сети связи с использованием спектрального уплотнения экономиче-
ски привлекательными. Усилитель EDFA представляет собой отре-
зок волокна легированного эрбием. В таком волокне сигналы опре-
деленных длин волн могут усиливаться из-за энергии внешнего излу-
чения накачки. Лазер накачки — важнейший компонент подобных
усилителей. Он является источником энергии, за счет которой уси-
ливается оптический сигнал. Для накачки EDFA используют лазеры
с длинами волн излучения 980 и 1480 нм (см. рис. 8.27).
Практикуется каскадное включение EDFA. Это позволяет доби-
ваться значительного коэффициента усиления при достаточно широ-
кой полосе пропускания с равномерной спектральной характеристи-
кой. Многокаскадные EDFA включают ряд вспомогательных опти-
ческих компонентов. Оптические изоляторы включаются между кас-
кадами для подавления обратного распространения усиленной спон-
танной эмиссии и предохраняют усилитель от отраженных сигна-
лов. Длиннопериодические брэгговские решетки применяются для
выравнивания спектральных характеристик. Брэгговские решетки с
переменным периодом включают как компенсаторы дисперсии для
выравнивания временных задержек, возникающих при распростра-
нении сигналов различных длин волн, между каскадами усилителя.
Следует отметить, что EDFA имеет неравномерное спектральное рас-
пределение коэффициента усиления для слабых входных сигналов.
Один из способов выравнивания спектральной характеристики опти-
ческого усилителя иллюстрирует рис. 8.29.
Основное ограничение на использование усилителей на легиро-
ванном эрбием волокне то, что они работают только в достаточно
узком диапазоне волн с центром на длине волны 1550 нм. Однокас-

Волоконно-оптические, линии передачи
303
рис. 8.30. Оптический усилитель на основе легированных эрбием планарных
волноводах
кадные усилители простейших конструкций работают в диапазоне
длин волн примерно от 1525 до 1565 нм. При использовании специ-
альных схем мощной накачки были получены усилители с расши-
ренным рабочим диапазоном от 1570 до 1605 нм (диапазон L). Такие
усилители называют длинноволновыми усилителями (LWEDFA —
Long Wavelength EDFA).
В современных EDFA применяют волокно на кварцевой или фто-
ридной основе. Оба типа волокна имеют практически одинаковую
внутреннюю структуру. Но волокно на фторидной основе обеспечи-
вает более высокий уровень легирования эрбием. И в том, и в другом
случаях обеспечивается приемлемое усиление в окне 1525...1560 нм.
Однако спектральная характеристика усилителей на фторидной ос-
нове более равномерная.
Наряду с EDFA в последнее время все больше стали приме-
няться усилители на легированных эрбием планарных волноводах
из стекла на фторидной основе (EDWA — Erbium-Doped Waveguide
Amplifier, рис. 8.30).
Технологии EDFA, EDWA могут работать в режимах насыщения,
наименьшего шума и промежуточных значений усиления и шума.
При этом они используются как усилители мощности (бустеры) —
предусилители и повторители соответственно.
ОУ на основе ВКР — эффекта стимулированного рассеяния Ра-
мана в обычном кварцевом волокне — называют рамановскими уси-
лителями (RA — Raman Amplifiers). Такой способ в силу своей
природы обеспечивает низкий уровень шума и широкий выбор рабо-
чего диапазона длин волн. RA позволяют увеличивать число кана-
лов в существующих линиях связи без замены уже установленных
kDFA. Они могут успешно применяться в подводных линиях средней
протяженности без повторителей (длиной около 300 км), где уста-
новка усилителей EDFA требует больших затрат. Однако в RA при

304 Глава
4
Электрод
/ Фотоны
Переход
Активный волновод
Рис. 8.31. Структура SOA {
усилении возникает значительная перекрестная модуляция между
усиливаемыми каналами, что ограничивает применение таких уси-
лителей либо одноканальными системами, либо системами DWDM с
очень большим числом каналов, где влияние такой модуляции устра-
няется за счет усреднения. Кроме того, RA имеют определенные
недостатки, связанные с нелинейными эффектами и зависимостью
от поляризации.
Наряду с распределенными НА, работающими на линейных во-
локнах, в последние годы, находят применение дискретные RA
на компенсирующих OB (DCRA — Dispersion Compensating Raman
Amplifier). Разработки области RA ведутся весьма интенсивно, и по
оценкам специалистов подобные ОУ на протяженных магистралях
ожидает большое будущее.
В полупроводниковых оптических усилителях (SOA — Semicon-
ductor Optical Amplifier) излучение фотонов стимулируется рекомби-
нацией электронов и дырок в полупроводнике посредством прямой
инжекции тока. Структура SO А представлена на рис. 8.31.
SOA представляют значительный интерес благодаря широким
возможностям интеграции в различные устройства, высокой эффек-
тивности усиления и гибкости рабочей длины волны и несмотря на
достаточно высокий коэффициент шума (обычно на 5...6 дБ больше,
чем у EDFA). Для полупроводниковых усилителей характерна зна-
чительная перекрестная модуляция между усиливаемыми каналами.
Это препятствует их применению в системах DWDM с небольшим
числом каналов. Однако эта же перекрестная модуляция становится
преимуществом при использовании полупроводниковых усилителей
для коммутации или преобразования длин волн. Толщина активно-
го слоя полупроводникового усилителя значительно отличается от
диаметра сердцевины стандартного оптического волокна, что созда-
ет проблему его согласования с волокном.
Полупроводниковые оптические усилители находят применение
как усилители мощности, предусилители, линейные усилители (по-

Волоконно-оптические линии передачи
305
вторители), как оптические коммутаторы, конверторы, а также как
элементы устройств интегральной оптики (фильтры, мультиплексо-
ры и т.п.). В настоящее время становятся доступными модуляторы
с высокими скоростями модуляции, использующие интегральную оп-
тику. Имеются модуляторы, встроенные в один модуль с лазером.
Появляются модули, которые объединяют в себе несколько лазе-
ров, соответствующее количество модуляторов, усилителей SOA и
мультиплексор.
8.11. Измерение параметров ВОЛП
и паспортизация кабельных участков
При сооружении кабельного участка (КУ) составляются следу-
ющие документы [82-84].
Укладочная ведомость строительных длин линейного кабеля, в
которой приводятся:
• номер барабана;
• тип кабеля, число ОВ;
• длина кабеля с указанием меток;
• предприятие (фирма) — изготовитель;
• порядковый номер очередности прокладки;
• дата вывозки на трассу.
Паспорт на смонтированную муфту ОК, где перечисляются:
• номер муфты;
• тип муфты;
• предприятие (фирма) — изготовитель;
• название линии передачи;
• номер участка линии передачи;
• марка оптического кабеля;
• наименование монтажной организации;
• результаты оценки затухания места сварки (по сварочному ап-
парату) для каждого волокна;
• сведения о ремонте.
Паспорт смонтированного участка линейного кабеля, который
содержит следующие документы:
1. Титульный лист паспорта трассы.
2. Скелетная схема ВОЛП и основные данные цепей кабеля.
3. Схема укладки строительных длин и размещения смонтиро-
ванных муфт на кабельном участке с указанием нарастающих длин
170 кабелю и по ОВ с обеих сторон участка.
4. Скелетная схема укладки строительных длин кабеля и раз-
МеЩения смонтированных муфт на кабельном участке с указанием

306
Глава 8
нарастающих длины по кабелю с обеих сторон участка и привязок
к местности.
5. Схемы распределения ОВ в кассетах разветвительных муфт.
6. Схемы расшивки кабеля на оптических кроссах.
7. Планы ввода кабелей в обслуживаемые пункты.
8. Схема заземления бронепокровов ОК в шахтах обслуживае-
мых пунктов.
9. Планы ввода кабелей в необслуживаемые регенерационные
пункты с привязкой контуров заземлений.
10. Планы размещения оборудования в пунктах.
11. Монтажные схемы участков регенерации.
12. Ведомость проложенных строительных длин ОК.
13. Откорректированные после прокладки и монтажа кабеля ра-
бочие чертежи проектной документации.
14. Картограммы глубины залегания кабеля и сигнально-преду-
предительной ленты по длине кабельного участка.
До недавнего времени при эксплуатации ВОСП со скоростью пе-
редачи до 2,5 Гбит/с ограничивались в основном измерениями затуха-
ния, затухания отражений и локализацией участков, на которых эти
величины не соответствовали требованиям. С внедрением ВОСП со
скоростью передачи 10 Гбит/с и выше возникла потребность в измере-
ниях хроматической дисперсии, поляризационной модовой дисперсии
и потерь, зависящих от поляризации. В свою очередь, применение
систем со спектральным разделением каналов потребовало контроля
всех вышеперечисленных величин во всем спектральном диапазоне
системы WDM на центральных длинах волн оптических каналов и
дополнительно оценки переходных помех.
Для измерений вносимого затухания на кабельном участке
ВОЛП применяются комплекты в составе из источников стабилизи-
рованного оптического излучения и измерителей оптической мощно-
сти, и оптические рефлектометры, работающие во временной обла-
сти (OTDR — Optical Time Domain Reflectometer). Для измерения
затухания отражений применяются измерители затухания отраже-
ний или OTDR. Для локализации участков с повышенным затуха-
нием, пониженным затуханием отражений используются оптические
рефлектометры. Для измерений хроматической дисперсии и ПМД
используются специальные комплекты приборов, включающие пере-
страиваемые источники оптического излучения и измерители хро-
матической дисперсии или ПМД соответственно. Для локализации
участков с повышенными значениями ПМД применяются специаль-
ные оптические рефлектометры для оценивания ПМД — POTDR-

Волоконно-оптические линии передачи
307
Для измерений параметров в спектральном диапазоне ВОСП приме-
няют комплект из перестраиваемых источников излучения и опти-
ческого анализатора спектра. Для поиска трассы прокладки приме-
няют и комплекты кабелеискателей, состоящие из низкочастотного
генератора, приемника с набором антенн. Как правило, современ-
ные кабелеискатели позволяют также осуществлять поиск электрон-
ных маркеров и участков с пониженным сопротивлением изоляции
шланговых покровов ОК.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение отдельных компонентов обобщенной структур-
ной схемы ВОСП?
2. Каково назначение и принципы линейного кодирования?
3. Перечислите методы модуляции оптических несущих.
4. Какие виды модуляции применяются на ВОЛП?
5. Какие методы мультиплексирования реализуются на оптическом
уровне? На чем основаны принципы их работы?
6. Как классифицируются системы спектрального разделения в за-
висимости от канального плана?
7. Назовите уровни оптической транспортной сети. Дайте их опре-
деление.
8. Что называется оптической секцией? Как определяется длина эле-
ментарного кабельного участка?
9. Какой оптический канал называется прозрачным?
10. Какие кабели называют станционными, а какие линейными?
11. Что называют компонентом ВОСП?
12. Перечислите и дайте определения основным параметрам переда-
чи оптических компонентов ВОСП.
13. Какие способы соединений OB применяются на сетях связи?
14. Какие существуют способы выполнения неразъемных соединений
ОВ? Каковы их достоинства и недостатки?
15. Укажите назначения муфт OK, состав и назначение элементов
их конструкции.
16. Как классифицируют муфты OK?
17. Перечислите и опишите требования к муфтам ОК.
18. Перечислите и опишите требования к оптическим разъемам.
19. Опишите конструкцию и принципы работы оптического разъема.
20. Как классифицируют оптические разъемы?
21. Какими параметрами характеризуют оптические разъемы?
22. Как осуществляют уход за оптическими разъемами?
23. Каковы назначение, конструкции и классификация оборудования
с«стем распределения ОВ?

308
Глава 8
24. Какие устройства называют оптическими разветвителями, опти-
ческими циркуляторами? Какими параметрами их характеризуют? Как
их классифицируют?
25. Каковы особенности работы оптических циркуляторов?
26. Каковы назначение, область применения и параметры оптических
фильтров? Как их классифицируют?
27. Какие устройства называют оптическими переключателями? Ка-
ково их назначение? Какими параметрами их характеризуют? Как клас-
сифицируют?
28. Какие устройства называют оптическими изоляторами? Каково
их назначение? Какими параметрами их характеризуют? Как классифи-
цируют?
29. Какие устройства называют оптическими аттенюаторами? Како-
во их назначение? Какими параметрами их характеризуют? Как класси-
фицируют?
30. Перечислите и дайте определение параметров оптических усили-
телей. На чем основаны принципы их работы. Как их классифицируют?
31. Какие документы и в каком составе представляются при сдаче в
эксплуатацию кабельного участка? Какие параметры измеряются?
il
i
¥
1

Глава 9
Электромагнитные влияния
между проводными цепями
связи и методы их уменьшения
9.1 ♦ Проблема электромагнитной
совместимости в направляющих системах
Цепи и тракты направляющих систем (НС) постоянно находят-
ся под воздействием сторонних электромагнитных полей того или
иного происхождения. Различают две основные группы источников
сторонних полей: внешние энергетически и конструктивно не свя-
занные с НС и внутренние — соседние физические и искусственные
цепи данной НС.
Внешние источники помех по своему происхождению делятся
на естественные — грозовые разряды, солнечная радиация, косми-
ческое излучение, магнитные бури — и созданные человеком —
высоковольтные ЛЭП, радиостанции различного назначения, линии
электрифицированных железных дорог, метро и трамвая, электри-
ческие сети промышленных предприятий и отдельных энергоемких
устройств.
Сторонние электромагнитные поля индуцируют в цепях и трак-
тах НС помехи, которые не только снижают качество передачи, но
иногда возбуждают большие напряжения и токи, приводящие к раз-
рушению НС и аппаратуры, а также создающие опасность для жиз-
ни и здоровья эксплуатационного персонала. Поэтому для оцен-
ки свойств помимо изучения законов передачи сигналов необходи-
мо также исследование процессов, связанных с воздействием сторон-
них электромагнитных полей на НС и методы защиты. Указанные
воздействия называют электромагнитными влияниями или просто
влияниями на цепи НС.
Данная проблема является общей для всех систем и устройств,
связанных с генерацией, передачей, приемом и обработкой электри-
ческих сигналов, и называется проблемой электромагнитной совме-

310
Глава 9
стимости. Сущность ее состоит в том, что в процессе проектиро-
вания, строительства и эксплуатации вышеуказанных устройств и
систем необходимо учитывать, с одной стороны, воздействие на них
сторонних электромагнитных полей заданного характера и обеспечи-
вать достаточную для их нормальной работы защиту от этих воздей-
ствий, а с другой — предусматривать мероприятия по ограничению
уровней влияния электромагнитных полей проектируемых устройств
систем на другие устройства допустимыми значениями.
Проблема электромагнитной совместимости требует нахождения
оптимального решения обеих задач. В результате становится воз-
можной совместная эксплуатация высоковольтных ЛЭП, промыш-
ленных установок, радиостанций и направляющих систем. В боль-
шинстве случав можно выделить следующие основные этапы реше-
ния данной проблемы:
• анализ характера сторонних электромагнитных полей и зависи-
мостей параметров их источников от различных факторов (со-
стояния внешней среды, режима работы источников излучений,
их конструкции, времени и т.д.);
• исследование (теоретическое и экспериментальное) законов ин-
дуцированных помех, определение их интенсивности, спектраль-
ных и временных характеристик, а также степени воздействия
на качество передачи информации по НС для различных типов
линий связи и систем передачи;
• разработка и анализ эффективных мер защиты цепей и трактов
от влияния сторонних электромагнитных полей и их оптимиза-
ция по заданным критериям (стоимости, эффективности, надеж-
ности и др.); при этом рассматриваются как меры по уменьше-
нию интенсивности влияющих полей, так и меры защиты цепей
и трактов, подверженных влиянию;
• выбор (или разработка) мер защиты НС от мешающих или опас-
ных влияний сторонних электромагнитных полей, создаваемых
внешними и внутренними источниками;
• реализация мер защиты, теоретическое и экспериментальное ис-
следование их эффективности и соответствия максимального
уровня помех нормативным значениям.
Несмотря на общую природу внутренних (взаимных) и внешних
влияний, электромагнитная совместимость для каждого вида влия-
ний рассматривается раздельно. Это определяется следующими су-
щественными различиями вышеуказанных влияний:
• интенсивность электромагнитных полей от внешних источников
влияния в данной точке НС обычно принимается постоянной вви-
ду того, что расстояния между НС и источником внешних помех

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 311
много больше поперечных размеров НС. Для взаимных влияний
это положение несправедливо, так как расстояния между сосед-
ними цепями данной направляющей системы сопоставимы с по-
перечными размерами цепей;
• мощность источников внешних помех может изменяться в очень
широких пределах, а их спектры могут полностью совпадать,
совпадать частично или полностью не совпадать со спектрами
сигналов. Мощность взаимных помех между цепями обычно зна-
чительно ниже мощности сигналов, однако спектры помех и сиг-
налов, как правило, совпадают;
• внешние поля в большинстве случаев воздействуют на ограни-
ченных отрезках НС. При этом максимальные значения полей,
возникающие при грозовых разрядах и аварийных ситуациях на
ЛЭП, протекают в течение коротких интервалов времени и но-
сят случайный характер. Взаимные помехи действуют на всем
протяжении НС и в течение всего времени эксплуатации.
9.2. Основные понятия о влиянии между
симметричными цепями
Рассмотрим природу влияний между симметричными целями ка-
беля на примере двух цепей, поперечный разрез которых показан на
рис. 9.1. Допустим, что по цепи, образованной жилами 1и 2, про-
текает переменный ток. Под действием этого тока вокруг цепи 1-2
создается переменное электромагнитное поле, которое может быть
представлено в виде суммарного действия электрического и магнит-
ного полей. Под действием электрического поля цепи 1-2 на жилах
3 и 4 возникают электрические заряды, которые вследствие разли-
чия расстояния между жилами 1, 2 и 3, 4 будут разной величины.
Индуцированные заряды создают между жилами 3, 4 разность потен-
циалов, под действием которой в цепи 3-1 протекает ток. Наведен-
ный ток достигает приемника, включенного на конце цепи, и создает
Рис. 9.1. Схемы взаимных электрического (а) и магнитного (б) влияний

312
Глава 9
мешающее влияние. Влияние, обусловленное действием электриче-
ского поля, называют электрическим влиянием.
Одновременно с электрическим влиянием между цепями дей-
ствует и магнитное влияние. При прохождении переменного тока по
цепи 1-2 вокруг нее создается переменное магнитное поле, в котором
расположены жилы цепи 3~4- В результате магнитной индукции в
жилах 3 и 4 наводится ЭДС, которая и создает ток в цепи 3-4- Этот
ток достигает приемника, включенного на конце цепи, и оказывает
мешающее действие. Влияние, обусловленное действием магнитного
поля, называют магнитным влиянием.
Чем выше частота передаваемого тока по цепи, тем быстрее про-
текает процесс изменения электрического и магнитного полей и тем
больше величины наведенных ЭДС и токов в соседних цепях.
Цепь, являющаяся источником электромагнитного поля, назы-
вается влияющей, а цепь, в которой возникают токи и напряжения
помех, — подверженной влиянию. ,..,
9.3. Первичные параметры взаимного <
влияния ^;
Количественной характеристикой электрического и магнитного
влияний являются электрические и магнитные связи.
Электрическая связь на участке dx, отстоящем на расстоянии от
начала цепи, определяется отношением приращения наведенного то-
ка в цепи, подверженной влиянию, к напряжению во влияющей цепи:
К12(х) = Щ^^^- = 9i2(x) + jwC12{x), (9-1)
где #12 (х) — активная составляющая электрической связи, См/км;
Ci2{x) — емкостная связь, Ф/км.
Магнитная связь на участке dx, отстоящем на расстоянии х от
начала цепи, определяется отношением приращения ЭДС в цепи, под-
верженной влиянию, к току во влияющей цепи с обратным знаком:
М12(х) = - ) dEfx) = r12(x)+jwm12(x), (9.2)
1\ (х) ах
где ri2 (#) — активная составляющая магнитной связи, Ом/км;
^12 (х) — индуктивная связь, Гн/км.
Из выражений (9.1) и (9.2) следует, что электрическая связь име-
ет размерность проводимости См/км, а магнитная — размерность
сопротивления Ом/км.

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 313
■А(А
и#>
Цепь 1
i
dl2o(x)\
1
J
dl2Ko(x) dljKiix)
dU20(x)
1
J
j^^i^
Цепь 2
Mn(x) =
dhi(x+dx)
dU2i(x+dx)
dx
x x+dx
Рис. 9.2. Эквивалентная схема электрической и магнитной связей
между цепями на участке dx
Величины д, С, г, га называют первичными параметрами вли-
яния.
На рис. 9.2 показана эквивалентная схема электрической и маг-
нитной связей между двумя цепями на участке dx, отстоящем на
расстоянии х от начала линии.
На каждом таком элементарном участке линии в цепи, подвер-
женной влиянию, создаются токи, обусловленные электрической свя-
зью Ки(х) и магнитной связью М\2{х). При этом ток dhoix), на-
правляющийся к началу линии с участка dx, равен сумме токов от
электрического dl2Ko{x) и магнитного dl2M{x) влияний:
dI2o(x) = dI2Ko(x) + dI2M(x),
а ток, направляющийся к концу линии dl2i{x + dx), равен разно-
сти этих токов:
dhi(x + dx) = dI2Ki(x + dx) - dl2M(x + dx).
Общее значение тока помех в начале и конце цепи, подверженной
влиянию, определяется суммой токов, пришедших со всех элементар-
ных участков соответственно к началу и концу этой цепи.
Чтобы понять причину появления и физическую сущность элек-
трической и магнитной связей, рассмотрим эквивалентные схемы
связей между цепями одной четверки в сечении х на участке dx
линии (рис. 9.3).
Емкостная связь между цепями одной четверки определяется
величинами частичных емкостей между жилами 1 и 2 первой цепи
и жилами 3 и 4 второй цепи, как показано на рис. 9.3,а. Частичные
емкости Ci3(x), С2з(х), С\а{х), С2л(х) образуют мостовую схему, где

314 Глава 9
б)
Рис. 9.3. Мостовые схемы электрической (а) и магнитной (б) связей
цепь 1-2 является влияющей, а цепь 3-4 — подверженной влиянию.
Если С\з(х) + С2а(х) = Сц(х) + С2з(#), то мост находится в уравно-
вешенном состоянии и емкостное влияние между цепями на участке
dx в сечении х отсутствует. Если же это условие соблюдается по
всей длине линии, то между цепями будет отсутствовать влияние за
счет емкостной связи. Емкостная связь между цепями вызвана из-
менением по длине линии диэлектрической проницаемости изоляции
жил, ее толщины, взаимного расположения жил в четверке и т.д.
Она определяется уравнением
К(х) = [С13(х) + С724(х)] - [Си{х) + С2з(*)]. ^
Активная составляющая электрической связи д(х) обусловлена
асимметрией потерь энергии в диэлектрике, окружающем жилы ка-
беля. При протекании переменного тока по жилам кабеля в диэлек-
трике возникают потери, пропорциональные проводимости изоляций
uCtgS. Если диэлектрик неоднороден по своим электрическим свой-

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 315
ствам, или толщина изоляции жил различна, или сердечник кабе-
ля деформирован и т.д., то частичные потери в диэлектрике д\з(х)^
#14(я)? 923(я)> 924(х) по длине линии будут не одинаковыми. Это на-
рушает симметрию моста и создает условие для взаимного перехода
энергии из одной цепи в другую.
Активная составляющая электрической связи определяется че-
рез частичные проводимости изоляции уравнением
д(х) = \дгз(х) + #240*0] - \ди(х) + д2з(х)}.
Индуктивная связь т(х) и активная составляющая магнитной
связи г(х) также могут быть представлены мостом частичных взаим-
ных йндуктивностей Ш1з(^), muix), т2з(х), rri24(x) и сопротивлений
Г1з(я)> П4(я), Г2з(х), Г24{х) (рИС. 9.3,6).
Коэффициент индуктивной связи характеризует асимметрию мо-
ста и определяется по формуле
т(х) = [П%1з(х) + т24(х)] - [тП^х) + 7П2з(х)].
Активная составляющая магнитной связи г(х) обусловлена
асимметрией потерь на вихревые токи в соседних жилах, экране, обо-
лочке из-за несимметричного расположения жил цепи относительно
других цепей и оболочки, а также различием диаметров жил цепи:
г[х) = [ггз{х) + г24(я)] - [ги(х) + г2з(х)].
Таким образом, активная составляющая магнитной связи обу-
словлена асимметрией потерь на вихревые токи в металле, а ак-
тивная составляющая электрической связи — асимметрией потерь
в диэлектрике.
Соотношения между электрическими и магнитными связями, их
активными и реактивными составляющими могут быть различными
в зависимости от типа цепей, диапазона передаваемых частот и ря-
да других факторов.
В области низких частот (ниже 10 кГц) определяющими явля-
ются емкостные связи, на высоких частотах (более 100 кГц) влия-
ния между цепями обусловлены как емкостными, так и магнитными
связями. Причем между магнитными и емкостными связями в ка-
плях существует примерное соотношение т\2/С\2 ~ Z\, где mi2 и
^12 — магнитная и емкостная связи в строительной длине между
Цепями 1 и 2. Величины магнитных и электрических связей между
Вз&имовлияющими цепями зависят от взаимного расположения жил
Цепей относительно друг друга, оболочки и других цепей, а также

316
Глава 9
от электрических характеристик диэлектрика, геометрических раз-
меров жил и т.д.
Электромагнитные связи, вызывающие влияние между цепями,
подразделяют на регулярные и нерегулярные. Регулярные связи
определяются номинальными геометрическими размерами кабель-
ных жил, номинальными расстояниями между ними и оболочкой при
условии идеального выполнения всех элементов конструкции кабе-
ля. Нерегулярные связи обусловлены неизбежным отклонением кон-
струкции кабеля от идеально симметричной (смещение жил в попе-
речном сечении кабеля, неравенство шагов скрутки и т.д.) и зависят
от множества случайных факторов, зачастую не поддающихся точ-
ному учету. По названию электромагнитных связей влияния между
цепями подразделяются на регулярные и нерегулярные.
9.4. Вторичные параметры взаимного
влияния
В технике связи электромагнитное влияние между цепями при-
нято выражать величинами переходных затуханий. Переходные за-
тухания характеризуют степень уменьшения токов влияния при пе-
реходе из первой цепи во вторую.
В теории влияния конец це-
пи, на котором во влияющую цепь
включен генератор (источник сиг-
нала), называют ближним. Про-
тивоположный конец линии назы-
вают дальним. Соответственно
рассматривают и два вида влия-
ния: на ближнем и дальнем кон-
цах (рис. 9.4).
Переходные затухания по мо-
щности на ближнем конце Aq и
дальнем конце Л/ определяются в
децибелах:
Рю» Цо
Рис. 9.4. Влияние между цепями
А) = Ю1
10
Ръо
Az = 101g
10
■21
(9.3)
где Рю — мощность сигнала на ближнем конце влияющей цепи; Р2О1
Р21 — мощности помех соответственно на ближнем и дальнем концах
цепи, подверженной влиянию.
Используя известные соотношения Рю = t/f0/ZBi, P20 = Що/^*2
и P2i = t/|j/ZB2, математические выражения для Ло и At можно пред-

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 317
ставить в следующем виде:
A) = 201g
At = 20 lg
\u20
U2i\
-lOlg
-lOlg
\2>ъ2 1
^Bl
^в2 1
(9.4)
(9.5)
Аналогично можно выразить А0 и Ai через токи в цепях влия-
ющей /ю и подверженной влиянию /20, hi-
Формулы для Aq и Ai дают возможность определить величины
переходных затуханий по результатам измерений мощностей, напря-
жений или токов.
В технике связи для удобства вычислений при измерениях или
электрических расчетах принято пользоваться абсолютными уровня-
ми передачи по мощности рм, напряжению рн или току рТ:
P. = 10lg(g); »-*>*(%), *-»■.(£).
где Рх, Ux, 1Х — соответственно мощность, напряжение и ток в ли-
нии в точке х; Ро = 1 мВА, Uq = 0,775 В, /о = 1)29 мА — мощ-
ность, напряжение и ток, соответствующие абсолютному нулевому
уровню. Тогда из (9.3) следует, что
А) = РмЮ - Рм20; А[ = РмЮ - Рм21,
(9.6)
где Рмю, Рм20 и pM2i — абсолютные уровни по мощности соответ-
ственно на ближнем конце влияющей цепи, ближнем конце и даль-
нем конце цепи, подверженной влиянию.
Аналогично из (9.4) и (9.5) следует
А) =РнЮ ~Рн20 - Ю lg
^Bl
^в2
Al =Р„Ю ~Рн21 - Ю lg
%ъ\
^в2
(9.7)
Для обеспечения хорошего качества передачи сигналов необхо-
димо, чтобы их мощность в точке приема Рс превосходила мощность
помех Рп. Степень превышения мощности сигнала над мощностью
помех определяется параметром защищенности:
A3 = 101g(Pc/Pn)=PM.c-pN
(9.8)
Защищенность цепей от взаимных электромагнитных влияний
3^висит от переходного затухания. Для установления этой зависи-
мости рассмотрим влияние между двумя цепями с одинаковым и
пРотивоположным направлениями передачи сигналов по цепям. На
Рис. 9.5,а представлены схемы влияния и графики изменения уровней

318
Глава 9
Рис. 9.5. Схемы влияния меж-
ду цепями: а — при одинаковых
направлениях передачи сиг-
налов, б — при встречных на-
правлениях передачи сигналов
сигнала рс и уровней помехи рп между цепями при передаче сигна-
лов в одном направлении. Уровни сигналов в начале цепей 1 и 2
обозначены соответственно через рю и рго-
Из рис. 9.5,а следует, что в конце цепи 2 pc2i = P20 — «2',
Pn2i — Рго — Ац2. Защищенность цепи 2 на дальнем конце от электро-
магнитных влияний определяется согласно (9.8) как
А*112 = Р20 - Рю - <*21 + Ai 12.
Обычно в технике связи р20 = Рю, & а\ = а2 = а. В этом случае
Ам2 = Ац2 - *1. (9.9)
На рис. 9.5,5приведена схема влияния между цепями при встреч-
ном направлении передачи сигналов.
Уровни сигнала и помехи в конце цепи 2 согласно рисунку равны
Pc2i = P20 - <*2^ Рп2/ = Рю - Ан2- Тогда защищенность на ближ-
нем конце
Лз012 = Р20 - РЮ - Ot2l + Л)12.
Если р20 = Рю, a Q2 = o;i = а, то
Аз012 = А)12 - <*1. (9.Ю)
Параметры Дь Ai, Аэ называют вторичными параметрами
влияния.

Электромагнитные влияния меоюду проводными цепями связи 319
9.5. Основные уравнения взаимного
влияния
Рассмотрим электромагнитное влияние между двумя уединен-
ными цепями, нагруженными по концам на согласованные нагрузки.
Допустим, что цепь 1 является влияющей, а цепь 2 — подвержен-
ной влиянию (см. рис. 9.2). Предположим, что отсутствует обратное
влияние со стороны цепи, подверженной влиянию. При согласован-
ных нагрузках изменение напряжения и тока в цепи 1 описывается
следующими уравнениями однородной линии:
Ui(x) = U10e^x; h{x) = Ux{x)JZbX.
Ток в цепи 2, наводимый на элементарном участке dx за счет
электрической связи, согласно (9.1) равен
dhxix) = Ui(x)Ki2{x)dx = I1(x)ZBiKV2(x)dx,
где ZB\ — волновое сопротивление цепи 1. Этот ток при согласо-
ванно нагруженных цепях разветвляется на две равные части: ток,
направляющийся к ближнему концу линии,
dl2Ko(x) = --I1(x)ZBiKi2(x)dx
и ток, направляющийся к дальнему концу,
dhxiix) = --h(x)ZBlK12(x)dx.
Согласно (9.2) в цепи 2 за счет магнитной связи индуцируется
электродвижущая сила dE2M(%) = —Ii(x)Mi2(x)dx. Под действием
dE2M(%)
этой электродвижущей силы возникает ток а/2м(#) = —тГгг =
2zb2
= ~h(x)—^=— dx, где Zb2 — волновое сопротивление цепи 2.
2ZB2
Суммарный ток за счет электрической и магнитной связей с эле-
ментарного участка dx, направляющийся к ближнему концу участ-
ка, равен сумме токов:
dl20(x) = dI2Ko{x) + dhbiix) = --^hix)
Ki2(X)ZBi +
^в2
dx.
Учитывая, что 1\{х) = U\(x)jZB\ и hoix) = t/2o(x)/ZB2, послед-
Нее уравнение можно представить в виде
ДМ*) = -«!/!(*)
Ki2(x)ZB2 +
^в1
dx.

320
Глава 9
Обозначим N\2(x) = K\2{x)Zb2 + Mi2(x)/ZBi. Параметр N12(x)
называется коэффициентом электромагнитной связи на ближнем
конце.
Суммарный ток с элементарного участка dx, направляющийся
к дальнему концу участка, равен разности токов от электрического
1-2К\{х) и магнитного 12м(х) влияний:
dhiix) = dI2Ki(x) - dI2M{x) = -h{x)
Kl2(x)ZBl -
Ml2(x)
Zb2
dx,
или, переходя от токов к напряжениям, получаем
dU2l(x) = ±Ui(x)
KX2(x)Zb2 -
М12(х)
ZBi
1
dx = -U\{x)F\2(x)dx.
Параметр F\2{x) = K\2{x)Zb2 — M\2(x) j ZB\ называется коэффи-
циентом электромагнитной связи на дальнем конце.
Коэффициенты электромагнитных связей Ni2(x) и Fi2(x) харак-
теризуют величину наводимых напряжений за счет магнитной и элек-
трической связей на дальнем и ближнем концах участка dx.
Общая величина напряжения помех на ближнем и дальнем кон-
цах цепи, подверженной влиянию, определяется суммой токов, при-
шедших со всех элементарных участков соответственно к началу и
концу этой цепи:
U2o = -\uloJ Nl2(x)e-{*+T)x dx;
1 Г1
U2i = --СЛое"72' / F12(x)e~^-^xdx.
(9.11)
(9.12)
Для удобства дальнейшего анализа электромагнитных влияний
между цепями введем понятие передаточных функций влияния. На-
зовем отношение напряжения на ближнем конце цепи, подверженной
влиянию, U2q к напряжению в начале влияющей цепи U\q переда-
точной функцией влияния на ближний конец:
Отношение напряжения на дальнем конце цепи, подверженной
влиянию, U2i к напряжению в начале влияющей цепи U\$ назовем
передаточной функцией влияния на дальний конец:
I

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 321
нп
ТЭ^.з
-ol
3
■Nr.
а)
~У-о2 Q-I \-о-
Л^.зС*
в;
3
о-СЗ-0 2
-o-CZH>i
~2^
-Q-I I-Q 1
-о 3
o-CZho-
б)
-о-\ |—о 2 о—I I-Q-
-оЧ 1-о2
г>
Рис, 9.6. Пути перехода энергии через третью цепь на дальний конец цепи,
подверженной влиянию
С учетом введенных понятий уравнения (9.11) и (9.12) примут
вид:
1 /«1
Ко = т; ATi2(z)e-(7l+72)* dx;
* Jo
1 Г1
Kt = --e-^1 F12(x)e-^~^x dx.
* Jo
(9.13)
(9.14)
Эти уравнения описывают непосредственное влияние между цепями.
При анализе электромагнитных влияний между двумя цепями
линий связи необходимо учитывать и соседние цепи, которые при-
нято называть третьими цепями. Под третьими цепями понима-
ют все многообразие физических и искусственных цепей, образуе-
мых соседними проводниками, включая экраны, металлические обо-
лочки и землю.
Рассмотрим механизм электромагнитного влияния между двумя
цепями при наличии третьей цепи (рис. 9.6).
За счет электромагнитной связи между влияющей и третьей це-
пями Nis(x) и Fi3(x) в цепи 3 возникают напряжения и токи, под дей-
ствием которых в этой цепи возникают две электромагнитные волны.
Одна распространяется к ближнему концу, а другая — к дальнему
концу третьей цепи. Если цепь 3 не согласована по концам, то воз-
никают еще две отраженные волны от концов третьей цепи. Под
Действием этих четырех электромагнитных волн за счет электромаг-
нитных связей Fwix) и N^ix) в цепи 2 возникают четыре волны,
Распространяющиеся к ближнему концу, и четыре волны, распро-
СтРаняющиеся к дальнему концу цепи 2.
-5440

322
Глава 9
Экспериментальные и теоретические исследования показали,
что из всех путей перехода энергии через третьи цепи определяющим
на высоких частотах является двойной переход энергии на дальний
конец за счет связей F\^(x) и F32(x) (рис. 9.6,6). Уравнение, описы-
вающее данное влияние, имеет вид
Kl3 = Je"W F32(y)e^-^y f F13(x)e-^-^xdxdy. (9.15)
Таким образом, результирующее влияние на дальний конец опи-
сывается уравнением (9.14) и (9.15) и равно К^: = К\+ К^.
9.6. Частотные характеристики взаимного
влияния j
Влияние на ближний конец. Влияние на ближний конец осу4
ществляется за счет непосредственного перехода энергии между це-
пями и описывается уравнением (9.13).
В кабелях связи активные составляющие связей #12(2) и Г\2{х)
пренебрежимо малы. Коэффициенты электромагнитных связей на
ближнем N\2(x) и дальнем F12(x) концах определяются в основном
реактивными составляющими связей N\2(x) = ju;Np(x), F\2{x) =
= ju;Fp(x), где Np(x) = Ci2^B2 + ™,i2(x)/ZBi — реактивная состав-
ляющая связи на ближнем конце; Fp(x) = Ci2^B2 ~ ^1г(^)/^в1 —
реактивная составляющая связи на дальнем конце.
Изменения электромагнитных связей Ni2{x), F\2(x) по длине
линии определяется многими независимыми случайными фактора-
ми, поэтому
Nl2(x) = juj[Np + np(x)]; F12(x) = ju[Fp + fp(x)], (9.16)
где JVp, Fp — равномерно распределенные связи по длине линии;
пр(х), fp{x) — случайные функции, описывающие нерегулярное из-
менение связей по длине линии.
Электромагнитные связи, равномерно распределенные по длине
линии, называют систематическими. Соответственно влияние за
счет этих связей называют систематическим влиянием.
При систематической связи по длине линии выражение (9.13) с
Г1 - 1
учетом, что / е~ах dx = - (l - е al) , примет вид
Jo а
ВДоО = J""' J1 - е-<^>']. (9.17)
A7i +72 J

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 323
Рис. 9.7. Частотные характеристики влияния на ближнем конце: а — при рав-
номерно распределенной связи между цепями; б — при нерегулярной составля-
ющей связи между цепями
Переходное затухание на ближнем конце между цепями, у ко-
торых 7i ~ 72 у
AoH = -20lg\K0(ju;)\ =
= 20lg 4 ^ а* + ^ - 20lg(l - e'2al cos2/31 + е"4а/), (9.18)
где а, /3 — коэффициенты затухания и фазы взаимовлияющих цепей.
Из (4.18) следует, что Aq(uj) при систематической связи изменя-
ется волнообразно от длины линии и частоты (рис. 9.7,а). На опре-
деленных частотах, называемых критическими, влияние на ближний
конец будет либо минимальным, либо максимальным.
Согласно (9.18) Aq{uj) будет минимальным, когда cos2/3l = —1, и
2п
максимальным, когда cos 2/31 — 1, с учетом равенства / = —-.—,
41VLC
где п = 0,1,2...
Для электрически длиной линии, когда 2а1 > 13 дБ, e~2al —► 0
и уравнение (9.18) принимает вид
A0(u;)=:201g
Va2 + (З2
uNv
(9.19)
На высоких частотах 0 ^> а, поэтому
A0(u;) = 20\g(4[3/u;Np).
Следовательно, при выполнении условия 2а1 > 13 дБ функция

324
Глава 9
Рис. 9.8. Характер сложения токов влияния с различных участков: о — на
ближнем конце; б — на дальнем конце
переходного затухания Aq(lj) практически не зависит от длины ли-
нии. Это объясняется тем, что, начиная с определенной длины линии
и частоты, токи помех с отдельных участков приходят на ближний
конец цепи, подверженной влиянию, настолько слабыми, что прак-
тически не увеличивают взаимного влияния между цепями и Aq{<J)
остается постоянной (рис. 9.8,а).
Поведение нерегулярной составляющей связи пр(х) определяет-
ся многими независимыми случайными факторами, что позволяет
на основании предельной теоремы Ляпунова считать функцию ста-
ционарной. Для ее математического описания воспользуемся ве-
роятностными характеристиками: дисперсией Dn и нормированной
автокорреляционной функцией Rn(x). Случайное изменение функ-
ции пр(х) приводит к случайному изменению переходного затухания;
Aq{uj) от частоты и длины линии.
На рис. 9.7, £ показаны реализации измеренных частотных харак-
теристик Ао(и>) в зависимости от и и /. Количественно электромаг-
нитное влияние на ближнем конце при нерегулярной связи в частот-
ной области характеризуется средним значением квадрата модуля
передаточной функции влияния \Ko(ju))\2 и средним значением пере-
ходного затухания А0{и) = —10\g\Ko(ju>)\2 :
l^oCRl2 = "2(1 - e-*«l)Sn(u,2t3)/4a; ^
A^=10lg4a-10\guj2(l-e-4al)Sn{uj2t3),
где Sn(2wt3) = Dn J Rn(x) cos 2u)t3xdx — нормированная спектраль-
ная плотность стационарной случайной функции п(х); t3 = л/LC -—
время задержки сигнала в цепи, с/км.

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 325
Из (9.20) следует, что с ростом частоты и длины линии Ао(ш)
уменьшается, а при 2а/ > 13 дБ 1 — е~4Ы —* 1, поэтому переход-
ное затухание Ao(lj) стабилизируется и не зависит от длины ли-
нии (рис. 9.7,6).
Влияние на дальний конец. Влияние на дальний конец обу-
словлено непосредственным переходом энергии за счет нерегуляр-
ной составляющей связи и косвенным влиянием через третьи цепи
при двойном переходе энергии (см. рис. 9.6,6) за счет регулярной
составляющей связи.
Изменение нерегулярной составляющей связи F^fa) описыва-
ется уравнением (9.16). Для систематической составляющей свя-
зи juiFp выражение (8.14), описывающее непосредственное влияние
между цепями, с учетом того, что
нимает вид
Г1 1
/ e~axdx = -(l-e"aZ), при-
Jq а
В кабелях связи отличие коэффициентов распространения 71 и
72 вызвано различием шагов скрутки взаимовлияющих цепей. Для
всех возможных шагов скрутки, используемых в кабелях связи, мож-
но считать, что ai « а2. Тогда 7i - 72 = j(Pi - fh) = ju(t3i - t32) =
= jljAT3, где t3i = у/Ь\С\, t32 = \/L<iCi — время распространения
сигнала соответственно в первой и второй цепях.
Для цепей, у которых шаги скрутки равны (цепи, расположен-
ные в одной четверке) или отличаются незначительно, выражение
(9.21) принимает вид
ВД") = \juFple-^1. (9.22)
При выводе формулы для Ki(juj) учитывалось, что при 7i — 72 —► 0
1 _e~(7i-72)J
величина —> I.
7i ~72
Выражения для защищенности на дальнем конце А3(ш) с уче-
том (9.21) и (9.22) примут вид:
• для цепей, у которых 7i =72?
Ldl F
A3(uj) = Ai-al = -201g|tf,| - al = -20lg —E; (9.23)
• Для цепей, у которых 7i Ф 72,
F„smhuATJ
ЛИ = -20lg\Ki{joj)\ - al = -201g
'2—5440
дг3
(9.24)

326
Глава 9
Рис. 9.9. Частотные характеристики непосредственного влияния на
дальнем конце при систематической связи между цепями: а — частот-
ные характеристики защищенности, б— годографы комплексных связей
Проанализируем изменение А3{ш) от длины линии и частоты.
Для цепей, у которых 71 = 72, с ростом частоты в 2 раза (на
октаву) А3(и) будет уменьшаться на величину ДА, = 6 дБ. Это
вытекает из следующих рассуждений. Защищенность при частоте
cji равна — 201g(u>i/Fp/2), а при частоте 2и — — 201g(2cJiZFp/2) =
= -201g(u7i/Fp/2) - 20lg2 = -20\g(u>1lFp/2) - 6 дБ. Отсюда следу-
ет, что ДДз = A,(u;i) — А3(2ш\) = б дБ. Следовательно, спад защи-j
щенности с ростом частоты соответствует 6 дБ/окт (рис. 9.9,а). При^
увеличении частоты в 10 раз (на декаду) защищенность уменьшает-]
ся на —20 lg 10 = 20 дБ. Из (9.24) следует, что для цепей, у которых!
7i Ф 725 скорость снижения A3(uj) с ростом частоты меньше б дБ на
октаву (рис. 9.9,6). При этом, чем больше величина АТ3, тем меньше
скорость снижения Аэ(ш) с ростом частоты.
В технике связи наряду с характеристиками А^(ш) и А3(и) из-
меряются и годографы комплексных связей Y(jcu) = Ki(jcu)/ZB =
= У + juc. Годограф описывает изменение вектора комплексных
связей на комплексной плоскости в зависимости от частоты. На
рис. 9.9,6 представлены годографы комплексных связей при непо-
средственном влиянии для различных величин АТЭ при прямом
^12(jи) и обратном Y2i(ju) влиянии. При перемене местами взаимо-
влияющих цепей, когда 71 = 72, годографы остаются неизменными:
^12 (jw) = Y2i(juj), а когда 7i Ф 72 — отличаются. Это явление, на-
зываемое эффектом перестановки, существенно затрудняет симмет-
рирование цепей кабельных линий.
Из (9.23) и (9.24) следует, что закон изменения А3(и>) от дли-
ны в пределах одной строительной длины точно такой же, как для
частоты, т.е. скорость снижения А3(и) с увеличением длины линий
составляет б дБ/окт.
Влияние между цепями при нерегулярной составляющей свя-
зи, описываемой функцией /(#), характеризуется средним значением

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 327
♦ Л*)
t м*)
а)
♦ дБ
16'ел
Atf)
6 дБ/окт.
А дБ
1 i
i
б)
,41)
f
1
1/
8 'ел
4 'ел 2 е,
Рис. 9.10. Частотные характеристики непосредственного влияния при
нерегулярной составляющей связи между цепями: а — функции нерегу-
лярной связи и ее нормированная автокорреляционная функция R/(z)\
б— частотные характеристики среднего значения защищенности Д3(/)
и измеренное значение А»(/); в — зависимости А3(1) и Аэ(1) от длины
линии
квадрата модуля передаточной функции влияния \Ki(ju)\2 и средним
значением защищенности: Л3(ш) = — lQ\g\Ki(ju>)\2 — Ы, дБ. Из урав-
нения (9.14) после проведения преобразований получается
1
|ВД*)|2 = ±сЛг™
5/(0),
(9.25)
r№Sf(0) = 2Dffl(l-z)Rf(z)dz
JoV„ ^j^j^jm дисперсия интеграла от стацио-
нарной случайной функции f(x) (рис. 9.10,a); z — текущая коорди-
ната длины; D/ — дисперсия случайной функции /(#).
Допустим, что
Rf(z)
-{i-
z/lo при 0 ^ z < /о;
при г > /о,
где /0 — интервал корреляции (см. рис. 9.10,а). Тогда выражение
Для Sj(0) после взятия интеграла принимает вид 5/(0) = (Но — /q/3).
С учетом этого среднее значение защищенности, дБ,
Но
!)•
(9.26)
Проанализируем изменение А3(и) в зависимости от частоты и
Длины линии. Из (9.26) следует, что при увеличении частоты в 2
Раза защищенность уменьшается на 6 дБ. На рис. 9.10,5 показаны
сРедние значения частотной характеристики А3(и) и одной измерен-

328
Глава 9
ной реализации А3(ш). Снижение А3(и) с ростом длины при Iq <С /
составляет 3 дБ/окт (рис. 9.10,в), а при соизмеримости /о и I скорость
снижения A3(lj) несколько меньше. Экспериментально установлено,
что между цепями, у которых 71 Ф 72 определяющим является непо-
средственное влияние: на низких частотах за счет систематической
составляющей связи Fp, а на высоких частотах (более 500 кГц) за
счет нерегулярной составляющей связи f{x).
Проанализируем изменение защищенности между цепями в ли-
нии, состоящей из нескольких строительных длин. При системати-
ческой связи между цепями в линии, состоящей из нескольких стро-
ительных длин, происходит алгебраическое сложение связей каждой
строительной длины:
ВД") - 5^е"7Ые'д £ W^*> (9-27)
где п — число строительных длин в линии; /с.д — протяженность
строительной длины; Fpk — значение электромагнитной связи в fc-й
строительной длине; //^ = signFpfc — параметр, характеризующий
знак у электромагнитной связи Fpk.
При сращивании строительных длин путем подбора различных
вариантов соединений жил цепей добиваются наименьшей величины
п
суммарной связи i*£ = £ Mfc^pfc- Увеличение защищенности меж-
fc=i
ду цепями путем подбора вариантов соединения цепей сращиваемых
строительных длин называется симметрированием с помощью опе-
раторов скрещивания.
В общем случае значения связей Fpk в строительных длинах и
различных комбинациях цепей можно считать независимыми случай-
ными величинами с математическим ожиданием, равным нулю, и
дисперсией Др. На основании теории вероятности с учетом (9.27)
среднее значение защищенности Аэ(и) в линии, состоящей из п стро-
ительных длин, равно
ЛИ = -101g С4Д - lOlgn. (9.28)
Из этого выражения нетрудно заметить, что с увеличением числа
строительных длин в линии вдвое среднее значение защищенности
уменьшается на 3 дБ.
Аналогично для нерегулярной составляющей связи при fo ^ 'с.д
из (9.26) следует
А3(ш) = -101ё(и;2/с.д/о£>//4) - Wig п. (9.29)]

Электромагнитные влияния меэюду проводными цепями связи 329
Следовательно, независимо от составляющей связи между цепя-
ми, у которых 7i Ф 72, законы изменения А3(и>) от числа строитель-
ных длин в линии и частоты одинаковые.
Суммарное влияние за счет составляющих связей Fp и f(x) с
учетом (9.28) и (9.29) описывается следующим уравнением:
дм = -ю1ё[|Щй12 + |ад«)12] =
= -101п
^ 'с.д^О
— Df + DF
'с.л
-lOlgn. (9.30)
На основании проведенного анализа и полученного уравнения
(9.30) запишем выражение, позволяющее по результатам измерения
или расчетов среднего значения защищенности A3(f\, 1\) на конкрет-
ной частоте /i и длине линии 1\ определить среднее значение защи-
щенности при произвольных значениях f и I:
f 1Л| '
i4,(/,0 = ^(/i,ii)-201g-i--101gr, (9.31)
Л «1
где A3(fi,l\) — среднее значение защищенности, полученное в ре-
зультате измерений или расчетов по формулам (9.23), (9.26).
Пример 9.1. Среднее значение защищенности в строительной длине
на частоте 552 кГц равно 54 дБ. Определить среднее значение защищен-
ности на длине элементарного кабельного участка 1Э системы ИКМ-120,
состоящего из шести строительных длин, на полу тактовой частоте /пт =
= 4224 кГц.
На основании (9.31) получаем
4224 ... 6/с.д
Л3(/Пт,*9) = 54 - 20lg ±— - 10 lg ^ = 54 - 17,6 - 7,78 = 28,62 дБ.
Регулярное влияние через третьи цепи. На высоких ча-
стотах между цепями, расположенными в звездной четверке, опре-
деляющим является косвенное влияние через третьи цепи за счет
Регулярной составляющей связей Fi^(x), F^ix), описываемых сле-
дующими функциями:
*!з(я) = J^^i3CosW^i3(x);
/ тг\ (9.32)
F32 (х) = juF32 cos \Wl3 (x) ± -J ,
гДе F135 p32 — коэффициенты связей, зависящие о конструктивных
Размеров элементов сердечника кабеля; Wi3(x) — параметр, завися-
щий от шагов скрутки четверки и повива.

330
Глава 9
Подставляя (9.32) в (9.15), после достаточно сложных и громозд-
ких преобразований получаем
Kizijuj) = ^(^)2Fp3/e-^, (9.33)
где FP3 = F13.F32/W13; г] = 1 при влиянии первой цепи с конца а
кабеля на вторую (сокращенно 1а на 26) или при влиянии второй цепи
с конца б на первую (26 на 1а); т\ — — 1 при влиянии 2а на 16 или 16
на 2а. Из (8.33) следует, что при перемене местами взаимовлияющих
цепей годограф комплексной связи Y(ju>) поворачивается на 180°.
Частотная характеристика защищенности
Д,зМ = -201g|A',304>l " ctl = -20lg
u2lR
Рз
8
(9.34)
Следовательно, при регулярном влиянии через третьи цепи с
ростом частоты снижение защищенности соответствует — 20 lg 22 =
= 12 дБ/окт. Изменение А3з(ш) от длины в пределах одной строи-
тельной длины соответствует 6 дБ/окт.
В линии при монтаже приводят систематическое скрещивание
первой пары звездных четверок. В результате знак электромагнит-
ной связи FP3 у каждой последующей строительной длины меня-
ется на противоположный. Поэтому при четном числе строитель-
ных длин в линии происходит компенсация регулярной составля-
ющей связи и среднее значение защищенности в линии описывает-
ся выражениями (9.30). Следует отметить, что полная компенса-
ция регулярной составляющей связи происходит только при услови-
ях /с.л = /с./2 = ... = lc.in и FP3i = Fps2 = ... = Fpzn, где /с.дП —
протяженность n-й строительной длины; Fp^n — значение связи в
n-й строительной длине.
При нечетном числе строительных длин в линии среднее зна-
чение защищенности
I^=-101g^^Z?/ + Z)F + ^|^)-101gn. (9.35)
На рис. 9.11,а представлены частотные характеристики защи-
щенности в линиях различной протяженности.
При четном числе строительных длин в линии влияние обуслов-
лено только за счет непосредственного перехода энергии между це-
пями и спад защищенности составляет б дБ/окт. При нечетном числе
строительных длин в линии характер изменения А3 (/) от частоты и
длины более сложный. На частотах ниже 1 МГц определяющим яв-
ляется непосредственное влияние и спад защищенности составляет

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 331
Рис. 9.11. Зависимость защищенности между цепями звездной четверки: а —
от частоты в линиях протяженностью /с.д> 2/с.д, 3/с.д и 4/с.д; б— от длины на
частотах /i и fa
б дБ/окт с увеличением частоты и 3 дБ/окт (рис. 9.11,6) с увели-
чением длины. На частотах более 1 МГц преобладает регулярное
влияние, и спад защищенности с увеличением частоты составляет
12 дБ/окт. Изменение защищенности A3(f,l) от длины линии в этой
области частот показано на рис. 9.11,6 Защищенность имеет макси-
мумы при четном числе строительных длин в линии.
Следует отметить, что в некоторой технической литературе пе-
реходное затухание на ближнем Ао и дальнем Ai концах, а также за-
щищенность А3 обозначаются иначе. Так, например, в технике струк-
турированных кабельных систем (СКС) [7] переходное затухание на
ближнем конце обозначается NEXT (Near End Crosstalk), переход-
ное затухание на дальнем конце FEXT (Far End Crosstalk), защищен-
ность от переходных влияний ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio).
Эти обозначения заимствованы из англоязычной технической лите-
ратуры. Объяснить это, по всей вероятности, можно тем, что в СКС
широко используется оборудование зарубежного производства.
9.7. Временные характеристики
взаимного влияния
При работе по кабелям связи цифровых систем передачи (ЦСП)
возникла необходимость в знании временных характеристик влия-
ния. Это связано с особенностью работы ЦСП, у которых сигнал по
линии передается в виде кодовой последовательности импульсов.
Назовем изменение мгновенного значения помехи во времени в
Чепи, подверженной влиянию, при произвольной форме сигнала во
в«пияющей цепи временной характеристикой влияния. Характери-
стики влияния, полученные при входных воздействиях вида единич-
но скачка напряжения l(t) и дельта-импульса S(t), называются пе-
Ре%одной и импульсной характеристиками влияния.

332
Глава 9]
Частотные и временные характеристики влияния взаимно свя-
заны и могут быть выражены друг через друга преобразованиями^
Лапласа и Фурье. \
Для нахождения временных характеристик влияния воспользу-|
емся операторным методом, основанным на преобразовании Лапласа.
В рамках операторного метода нахождение временных характеристик
влияния разбивается на три этапа:
1) uBX(t) - UBX(p);
2) ияых(р) = /Го(р)С*(р);
3) ивых(р) -> uBbix(t), где р = jlj.
Влияние на ближний конец. Передаточная функция влия-
ния, записанная в операторной форме, для случая систематической
связи между цепями получается непосредственно из уравнения (9.17)
путем замены ju> на р, где р = jw — оператор преобразования Лапла-
са. Входящие в формулу для Ко(р) коэффициенты распространения
7i и 72 можно представить как 7 = by/p + pt3, где Ь — коэффици-
ент, характеризующий затухание в цепи кабеля, с/км; t3 = \/LC —
время задержки электромагнитной энергии в цепи, с/км; L и С —
индуктивность и емкость цепи кабеля, Гн/км и Ф/км. Подставляя
в (9.17) выражения для 7> получаем
где В = Ь\ + 62, с1/2/км; Г3 = t3i + £э2, с/км.
Переходная и импульсная характеристики влияния определяют-
ся из следующих соотношений:
fto(t) = L-l[K0(p)/p]; go(t) = L-^Kob)], (9.37)
где L~l — обратное преобразование Лапласа. Воспользовавшись таб-
лицами обратного преобразования Лапласа, получим
М«) = Np[H{t) - Я(ВЬ*1)]/2Г,; м)
go(t) = Np[6(t) - ■ф(В1,и)}/2Тъ,
где
H(t) = exp(B2t/T2) eric(By/t/%) при t > 0;
H(Bi,h)= exp{B2t/T2 + BBi/T3)eTic(Bs/t/Ti) при h ^ 0; jj
1>(Buh) = ~=t;3/2exp f-|H при t! > 0;

Электромагнитные влияния меоюду проводными цепями связи 333
erfc(x)
у/п Jo
dy\ BY = Bl, c1/2; tx = t-TJ.
Проводя аналогичные вы-
воды, можно получить форму-
лы для временных характери-
стик влияния при других за-
конах изменения электромаг-
нитных связей по длине. На
рис. 9.12 показаны графики пе-
реходной и импульсной харак-
теристик влияния при равно-
мерно распределенной, сосре-
доточенной и нерегулярной
связях. Из представленных ха-
рактеристик следует, что вре-
менные характеристики влия-
ния отражают закон изменения
электромагнитных связей по
длине линии. Данное свойство
временных характеристик вли-
яния используется для оцен-
ки величины связи и отыска-
ния места расположения раз-
личных дефектов в кабеле, воз-
никших при его производстве,
прокладке или монтаже. На-
пример (см. рис. 9.12,6), по вре-
менным характеристикам вли-
яния можно определить место
расположения сосредоточенной
связи. Для этого необходимо
измерить временной интервал
tx = xiT3 и определить рассто-
яние до места сосредоточенной
связи xi = tx/T3.
Следует отметить, что для
ДСП важно знать мгновенное значение помехи в момент принятия ре-
шения регенератором. Поэтому по частотным характеристикам вли-
яния не всегда достоверно можно оценить уровень помех на входе ре-
шающего устройства регенератора. Более точно это можно сделать
По временным характеристикам влияния.
IaAA/vu
^VWW£,
Рис. 9.12. Переходная и импульсная ха-
рактеристики влияния на ближнем кон-
це: о — при равномерно распределенной
связи по длине; б — при сосредоточен-
ной связи; в — при нерегулярной связи

334
Глава 9
Влияние на дальний конец. Передаточная функция для непо-
средственного влияния и систематической связи между цепями со-
гласно (9.22) имеет вид
Ki{p) = -plFpexp[-(by/p + pt3)l].
(9.39)
Подставляя (9.39) в (9.37) и пользуясь таблицами преобразова-
ния Лапласа, получаем выражения для переходной и импульсной
характеристик влияния:
fc|(*i)= РрЩгг/т)/2т;
9i(t1) = Fplif(tl/r)/2r2,
(9.40)
где г = Ь212/4 — конструктивная постоянная цепи длиной /, с;
<0(£/r) = (г/т)"3/2 ехр (-т/г)/у/к при ^ ^ О;
<р(*/т) = (2т/* - 3)(*/т)"5/2 ехр (-r/t)/2у/тг при t ^ 0.
Входящая в формулы для fto(^i) и 0o(*i) конструктивная посто-
янная цепи г может быть рассчитана через конструктивные парамет-
ры элементов цепи или через коэффициент затухания:
q2(/i)/2
47г(8,68)2/!'
(9.41)
где a(/i) — коэффициент затухания на частоте /х, дБ/км; /i — ча-
стота, Гц; / — длина кабеля, км.
Переходная и импульсная характеристики влияния определяют-
ся поведением функций ^(t\/r) и (p(ti/r), графики которых пред-
ставлены на рис. 9.13.
Когда между цепями преобладает нерегулярная составляющая
связи /р(ж), переходная и импульсная характеристики влияния могут
\|/('/т)
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,231
Г/Т4
/i
/:
/
/ !
0 66
V
V
s
1 :
^^
i
\
4
""
5 t/x
Ф('/т)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2'
а)
W
\Т
\
/
/
\
ч
0
4\0,8 1,'2 1,
6 2
0 Щ
0,25
б;
Рис. 9.13. Графики временных функций ф(Ь/т) и (p(t/r)

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 335
быть определены по тем же формулам (9.40), в которых необходимо
Fp заменить на 5/(0), где 5/(0) = 2Df J0(l — z)Rj(z)dz.
Для регулярной составляющей связи при косвенном влиянии че-
рез третьи цепи согласно (9.33) передаточная функция влияния
Кьъ{р) = rip2Fp3lexp[-(b^ + pt3)l}/8. (9.42)
После подстановки (9.42) в (9.37) и перехода от изображений к
оригиналам получим
M*i)- ^ 1 9l^h)--^—dqV' (9 3)
Где qx — t\/r\ t] = 1 при влиянии 1а на 26 или 26 на 1а; г] = — 1 при
влиянии 2а на 1£или 15 на 2а. Как видно из (9.43), форма hiz(ti) и
57з(*i) определяется поведением функции ip(ti/r) (см. рис. 9.13).
Из выражений (9.43) следует, что перемена мест влияющей и
подверженной влиянию цепей приводит к смене полярности времен-
ных характеристик влияния, что получило название эффекта пере-
становки. В частотной области эффект перестановки выражается в
повороте вектора комплексных связей на 180°.
Воспользовавшись интегралом свертки и приведенными выраже-
ниями для hi(t\) и gi(ti), можно рассчитать форму временной ха-
рактеристики влияния при произвольном входном воздействии. Для
входных импульсов, имеющих сложную форму, расчет возможен
только с применением ЭВМ. Импульсы, имеющие простую форму
(прямоугольную или трапецеидальную), можно выразить аналити-
чески, в результате расчет временных характеристик влияния зна-
чительно упрощается. Например, входной импульс прямоугольной
формы можно описать выражением
где UBX — максимальное значение входного импульса, В; £и — дли-
тельность входного импульса. Тогда временная характеристика вли-
яния
ui{h) = иих[Ы(Ь) - Ы(Ьг -«„)], (9.44)
где hi(ti) и hi(t\ - tH) рассчитываются по формулам (9.40), (9.43).
Традиционно электромагнитные влияния между цепями кабелей
связи оценивают по частотным характеристикам переходных затуха-
нии Ло, Ai и защищенности А3. Для этой цели имеются специальные
измерительные приборы. Для измерения временных характеристик
влияния отсутствует специализированная измерительная аппарату-

336
Глава 9
pa. Поэтому, используя результаты измерений или расчетов частот-
ных характеристик защищенности, можно рассчитать по приведен-
ным формулам временные характеристики влияния. Для расчета
временных характеристик влияния необходима знать значение элек-
тромагнитных связей Fp, FP3 между взаимовлияющими цепями. Для
определения значений электромагнитных связей можно использовать
частотные характеристики защищенности, полученные эксперимен-
тально. При непосредственном влиянии между цепями среднее зна-
чение электромагнитной связи Fp можно рассчитать согласно (9.23)
по усредненной (сглаженной) частотной характеристике защищенно-
сти Аз(/, /) по формуле
2_
2тг//
Fp=^.l(T0'05^W). (9.45)
Аналогично при косвенном влиянии за счет регулярной состав-
ляющей связи значение электромагнитной связи согласно (9.34) опре-
деляется по формуле
8
^з = ^-10-0'05^^. (9.46)
Таким образом, определив характер влияния (непосредственное
или косвенное) между цепями и воспользовавшись формулами (9.45)
и (9.46), определим значение электромагнитных связей. Затем по
формулам (9.40), (9.43) и (9.44) рассчитаем временные характери-
стики влияния.
Пример 9.2. Оценить максимальные значения временных характе-
ристик влияния между цепями разных четверок на дальнем конце в кабеле
типа МКС длинами h = /с.д = 0,825 км; h = 2/сд = 1,65 км, если на вход
влияющей цепи подан импульс типа I(t) с амплитудой 1 В. Известно, что
среднее значение защищенности между цепями разных четверок в строи-
тельной длине /с.д = 0,825 км на частоте /i = 1 МГц равно А3 = 74 дБ.
Спад защищенности с ростом частоты составляет 6 дБ/окт. Затухание це-
пи кабеля на частоте 1 МГц равно 4,9 дБ/км.
По формуле (9.41) рассчитываем параметр т:
для линии /i = /с.д
~- "2(/1)/- - (4'9'0'825)2 .10' = 1,7.10- с,
4tt(8,68)2/i 4-3,14(8,68)2
для линии /2 = 2/с.д
Г2-47г(8,68)2/1 1_6'8 ° С-

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 337
По формуле (9.45) определяем среднее значение электромагнитной
связи в линии h = 1С.А-
2
Ъ - Z 1П-0,0ДЛэ(/1) _ ± 1П-0,05-74 _77.1П-Н r/VM
Fpl - 2тгМ 10 - 2 • 3,14-10*. 0,825 10 " 7'7 10 С/КМ'
Подставляя рассчитанное значение Fp\ в (9.40), получаем, В,
ш= Щ^ = 7,7 - 10-"i70,825_y lM) = 187.10-з^1/п)
Как следует из рис. 9.13, максимальное значение функции ^(<i/ri)» =
= 0,231. Следовательно, максимальное значение hi(t\) будет hi max =
= 1,87 • 0,231 • Ю-3 = 4,3 • 10~4 В = 0,43 мВ.
Для определения среднего значения защищенности в линии, состоя-
щей из двух строительных длин, воспользуемся соотношением (9.31):
/ mi *2 _ -, 1Л, 2/с.д
A3(fuh) = Л3(/1,/1) - 20lg -f - 10lg у = 74 - 10lg -т^ = 71 дБ.
/1 M «с.д
По формулам (9.45) и (9.40) определяем:
^=2.3,14.10в.1,6510"О'О574=3'8510"Пс/^
hl2(U) = 3,85 • 1(Г " • 1,6Ь<ф(и/т2)/2 • 6,8 • 10~8 = 4,7 • 10~4ф(и/п).
Отсюда h^ = 4,7 • 10"4 ■ 0,231 = 1,1 • 10"4 В.
9.8. Взаимные влияния в коаксиальных
кабелях связи
Как известно, электромагнитное поле коаксиальных цепей яв-
ляется закрытым, т.е. вне коаксиального кабеля оно не существует,
что приводит к отсутствию непосредственных влияний между коак-
сиальными цепями.
Взаимные влияния между коаксиальными цепями обусловлены
продольной составляющей напряженности электрического поля Ecz
на внешней поверхности внешнего проводника влияющей коаксиаль-
ной цепи (рис. 9.14,а). Эта составляющая поля возникает следующим
°бразом. Протекающий по внешнему проводнику влияющей коак-
сиальной пары (цепь 1) ток 1ВЯ создает на внутренней поверхности
внешнего проводника продольную составляющую напряженности по-
Ля Ez. Данная составляющая и составляющая магнитного поля Н^
определяют вектор Пойнтинга электромагнитного поля, направлен-
ный внутрь внешнего проводника коаксиальной цепи. Значение Е\
Следствие явления поверхностного эффекта убывает с ростом г, т.е.
По мере проникновения электромагнитной волны вглубь проводника.

338
Глава 9
Еп(Ь) £,2(с) Еп(Ь) Е22(с)
QJ П, П П3
п2
pL
б)
Рис. 9.14. Схема взаимного влия-
ния между коаксиальными цепями
(а) и эквивалентная схема влиния (б)
В результате Ecz на внешней поверхности внешнего проводника имеет
минимальное значение. В соответствии с изменением Ez (r) изменяет-
ся и плотность тока 6(r) = aEz(r), где а — проводимость проводника.
Напряженность поля ££, действуя в цепи 3, образованной внеш-
ними проводниками цепей 1 и 2, вызывает ток на внутренней поверх-
ности внешнего проводника второй коаксиальной пары, подвержен-
ной влиянию. В результате из двух внешних проводников кабелей
создается промежуточная цепь тока с эквивалентным сопротивлени-
ем, равным сумме продольных сопротивлений 1 и 2 внешних провод-
ников и сопротивления третьей (промежуточной) цепи. В этой про-
межуточной цепи действует ЭДС, равная Ez на внешней поверхности
внешнего проводника влияющей цепи (рис. 9.14,6).
Таким образом, в коаксиальных ка-
белях влияющей цепь 1 создает напря-
жение и ток в цепи 3, которая в свою
очередь становится влияющей по отно-
шению к цепи 2 и вызывает в ней ток
помехи, убывающий с ростом частоты
(рис. 9.15). В симметричных кабелях!
влияние растет с увеличением частоты- Щ
Степень взаимосвязи между коакси-
альными цепями 1 и 2 характеризуется^
сопротивлением связи или взаимным со-щ
противлением Zi2{u>), представляющимШ
собой отношение напряжения Uc(v), воз-Я
буждаемого на внешней поверхности вне- ^
Рис. 9.15. Частотная за-
висимость тока помех
коаксиальными (1) и сим-
метричными (2) парами

Электромагнитные влиянья между проводными цепями связи 339
Рис. 9.16. Напряженность Ег во внешнем проводнике
коаксиального кабеля
Рис. 9.17. Частотные
зависимости сопротив-
ления связи Z\2 и пол-
ного сопротивления Znp
внешнего проводника
коаксиального кабеля
шнего проводника влияющей коаксиальной цепи (рис. 9.16), к току
Ji(u;), протекающему в этой цепи. Значение Uc(uj) численно равно
Е%(и), поэтому
Zi2(u>) = C7cM//iM = Щ{ш)/1г(и). (9.47)
Характер частотной зависимости сопротивления Zu показан на
рис. 9.17. С увеличением частоты величина Z\2 падает вследствие
возрастания потерь энергии электромагнитного поля при прохожде-
нии от внутренней поверхности внешнего проводника (г = Ь) до внеш-
ней его поверхности (г = с). На этом же рисунке показан характер
изменения полного продольного сопротивления внешнего проводника
Znp. Из рисунка видно, что при постоянном токе Zi2 = Znp и равны
сопротивлению постоянного тока Ro- С ростом частоты сопротивле-
ние Znp вследствие поверхностного эффекта возрастает. Сопротив-
ление связи можно рассчитать по формуле
Zi2((j) =
y/ik
1
2пу/Ьс a sh ЫуД
или Z\2^jS) =
106
2тг\/Ьс
\Щ, (9.48)
где k = ^/ujfia — коэффициент вихревых токов; бис — внутрен-
ний и внешний радиусы внешнего проводника, мм; t — толщина
внешнего проводника, мм; а — проводимость материала проводни-
ка; N = куД/ashkty/i.
Значения \N\, необходимые для расчета сопротивления связи
^12(и;), приведены в табл. 9.1.
На основании (9.45) можно получить уравнение для первичного
параметра влияния между коаксиальными цепями:
Мкк = Ъф± = „ У . , , (9.49)
Zz
Z\\ + Z22 + iu>L$

340
Глава 9
Таблица 9.1
Час-
тота,
кГц
10
60
100
200
300
500
К расчету сопротивления связь
t
Значения \N\, Ом/км, при толщине внешнего проводника, мм
од
0,15
0,2
0,25
0,3
Медь
181
177
176
175
174
168
120
116
115
114
110
99
87
86
85
81
73
59
69
68
66
56
50
35
56
55
53
44
34
19
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
Алюминий
297
295
294
293,9
293,2
292,2
197
196,5
196,4
194,3
193,2
187,5
147,5
147
146,6
144,7
139,8
128,1
117,9
117,3
116,1
111,4
104,1
87,4
98,2
97,2
95,2
87,5
77,7
58,6
где Zi2 и Z21 — сопротивления связи влияющей цепи и цепи, под-
верженной влиянию, соответственно; Z$ = Z\\ + Z22 + iuLs — пол-
ное продольное сопротивление третье цепи; Z\\ и Z22 — собственные
продольные сопротивления внешних проводников влияющей цепи и
цепи, подверженной влиянию; iujLz — сопротивление третьей цепи,
обусловленное внешней индуктивностью L3, создаваемой магнитным
полем между внешними проводниками коаксиальных цепей.
Заметим, что если коаксиальные цепи соприкасаются, то внеш-
няя индуктивность равна нулю и
Z$ = Z\\ + Z22 — 2Z,
пр-
(9.50)^
Используя уравнения (9.17) и (9.21), можно получить следующие|
формулы для расчета тока помех на ближнем /гокк и дальнем 12Ык\
концах коаксиального кабеля:
Мкк1-е-^1+72><
hoKK — —ho
hixK = hi
Zb2 2(71+72) '
MKKl-e-<71-72^
Z*2 2(71 - 72)
(9.51)
(9.52)
При равенстве электрических характеристик цепей (Z„i = ZB2 =*!
= ZB; 71 = 72 = 7) и после подстановки значения Мкк будем иметь
hiZ\2l
^20кк — г* г* а 1 ^2Jkk —
(9.53)
Z3ZAl ' """ 2Z3ZB
Соответственно переходное затухание, дБ, на ближнем и дальнеЛ|

Электромагнитные влияния меэюду проводными цепями связи 341
Л дБ А
ЛдБ +
Рис. 9.18. Частотные характеристи-
ки переходных затуханий между коак-
сиальными и симметричными цепями
на ближнем и дальнем концах линии
Рис. 9.19. Зависимость Локк и AiKK
от длины линии
концах коаксиального кабеля
UlO
AOKK=201g
A,KK = 201g
ho
ho
= 201g
4Z3ZB7
Z?2(l-e-*7i)
hi
2Z3Ze
= 201g-|f +al.
(9.54)
(9.55)
Переходное затухание на ближнем конце, дБ, в случае длинных
линий, когда а/ > 26 дБ и е~2Ы <С 1, определяется уравнением
4>KK«201g|4Z3ZB7/Zi2|. (9.56)
Индуктивность промежуточной цепи, Гн/км,
L3 = 41n[(a - г3)/гз] • 1(Г4 = 41g[(r3 + t)/r3] • Ю"4, (9.57)
где а — расстояние между центрами коаксиальных пар; г3 — внеш-
ний радиус внешнего проводника; t — толщина изоляции между ко-
аксиальными парами.
Из (9.48) и (9.57) видно, что при отсутствии изоляционного по-
крытия коаксиальных пар L3 = 0, так как а3 = 2г3 и Мкк = Zl2/^Znp.
Обычно коаксиальные пары изолируются диэлектриком — бумаж-
ными или пластмассовыми лентами. В этом случае t ф 0; а > 2г3;
£з > 0, a uLs ^> Zii + Z22- В результате получаем Z3 « u;L3 и
Кк « Zf2/LJL3.
Как следует из формул (9.54) и (9.56), переходные затухания
между коаксиальными парами на ближнем и дальнем концах линии
с повышением частоты возрастают (рис. 9.18), что определяется:
• закрытым характером электромагнитного поля коаксиальных
цепей;
• убыванием интенсивности возбуждающего электромагнитного
поля на внешней поверхности внешнего проводника вследствие

342
Глава 9
поверхностного эффекта. В симметричных же кабелях переход-
ные затухания уменьшаются.
На рис. 9.19 представлены зависимости Aqkk и А[кк от длины
линии. При малых значениях 2-у1Аокк претерпевают волнообразные
колебания за счет изменения величины (1 — е~27*), с увеличением 2*у1
значение (1 — е-27*) стабилизируется и стремится к 1, поскольку при
больших значения 27/е-27' стремится к 0.
Переходное затухание на дальнем конце с увеличением / умень-
шается по гиперболическому закону в соответствии с уравнением
(9.55). »■
9.9. Нормы на параметры взаимных
влияний * <
Основными характеристиками, определяющими возможность ис-
пользования кабельных цепей для передачи различны видов инфор-
мации, являются переходное затухание на длине Ао и защищенность
А3 на дальнем концах. Нормы не указанные параметры устанавлива-
ются исходя из условий выполнения рекомендаций Международного
комитета в составе МСЭ - МКТТ (ITU-T).
Для аналоговых систем передачи нормы на параметры взаим-
ных влиянии обычно приводятся на длину усилительного участка.
По симметричным кабелям связи в настоящее время работают в ос-
новном системы передачи К-60П в диапазоне частот 12...252 кГц.
Для этой системы в указанном диапазоне частот установлены
нормы: Ао ^ 60,8 дБ; А3 > 73,8 дБ для 90 % и А3 > 71 дБ — для
100 % комбинаций цепей в кабеле.
Нормирование взаимных влияний для ЦСП на длине элементар-
ного кабельного участка (ЭКУ) осуществляются на полутактовой ча-
стоте. За основу принимается требуемое значение защищенности, ха-
рактеризующее отношение сигнал-шум на полутактовой частое, ко-
торое обеспечивает заданную вероятность ошибки Ре для квазитро-
ичного кода. В настоящее время на внутризоновых сетях связи ра-
ботают по симметричным кабелям ЦСП ИКМ-120 и ИКМ-480С. Для
этих систем в соответствии с требованиями отраслевого стандарта
установлены следующие нормы на полу тактовых частотах: систем
ЦСП ИКМ-120 (полутактовая частота 4,22 МГц) А3 ^ 35 дБ — для
межчетверочных комбинаций цепей; система ИКМ-480С (полутакто-
вая частота 17 МГц) А3 ^ 22 дБ — для межчетверочных комбинаций
цепей и А3 ^ 12 дБ — для внутризоновых комбинаций цепей.
На сетях абонентского доступа в мире и в России очень широ-
ко используются технологии xDSL (DSL — цифровая абонентская

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 343
линия, х — версия соответствующей технологии, например HDSL,
ADSL, vDSL и др.)- Эти технологии обеспечивают высокоскорост-
ную цифровую передачу по медножильным абонентским кабелям
связи.
Цифровые системы передачи технологий xDSL работают по одно-
кабельной системе, поэтому нормировать нужно взаимные влияния
на ближнем конце Д>, при этом значения Aq зависят от вида кода,
с которым работает конкретная ЦСП [29].
Для ЦСП технологии xDSL с многоуровневым колом 2B1Q нор-
мирование переходного затухания между цепями кабеля определя-
ется по формуле
А0 ^ а3 + 201g(L - 1) + al + lOlgiV,
где а3 = 16,2 дБ — защищенность сигнал-помеха, обеспечивающая
вероятность ошибки Ю-10; L — число уровней сигнала; N — чис-
ло систем передачи.
В табл. 9.2 по данным [29] приведены нормируемые значения Ло
для многоуровневых систем при передаваемом затухании на частоте
максимального сосредоточения энергии, равном 42 дБ.
Таблица 9.2
Нормируемые значения Aq для многоуровневых систем
Число уровней
сигнала
4
8
Ло, дБ, при N
1
67,7
75,1
2
70,7
78,1
3
72,5
79,9
4
73,3
81,1
Для ЦСП с кодом САР нормирование величины А0 определя-
ется выражением
А0 ^32-ha/ + 101giV.
При этом рабочая частота нормирования определяется в соответ-
ствии с частотным спектром линейного сигнала. Например, для
САР-128 /раб = 160 кГц.
Для коаксиальных кабелей нормы на переходное затухание на
ближнем конце Ло и защищенность на дальнем конце А3 усилитель-
ного участка определяется из следующих эмпирических выражений
Щ- А0 ^ 79,9 + 73х/7, дБ; А3 ^ 70,4 + 73>/7, дБ. В этих выра-
жениях частота берется в МГц на минимальной частоте линейного
спектра системы передачи.

344
Глава 9
9.10. Меры повышения защищенности
симметричных цепей от взаимных
влияний
Для повышения защищенности от взаимных влияний применя-
ются следующие основные меры.
1. Применение НС, обеспечивающих малые значения взаимных
влияний. Так, применение коаксиальных и волоконно-оптических
кабелей связи практически полностью решают проблему защиты це-
пей и трактов НС от взаимных влияний.
2. Взаимная компенсация помех между цепями симметричных
кабелей связи путем подбора согласованных шагов скрутки цепей.
Эта мера применятся при разработке конструкций кабелей связи в
заводских условиях.
3. Способ сосредоточенной компенсации взаимных помех на ЭКУ
(симметрирование кабелей связи).
4. Экранирование отдельных цепей и кабеля в целом использу-
ется при изготовлении коаксиальных и симметричных кабелей связи.
5. Отбор цепей в многопарных абонентских кабелях связи, вза-
имная защищенность между которыми отвечает установленным нор-
мам. Этот метод применяется при уплотнении цепей цифровыми
системами передачи.
Из перечисленных методов остановимся на технических методах
повышения защищенности о взаимных влияний путем симметриро-
вания кабелей связи.
9.11. Симметрирование кабелей связи
Симметрирование — это комплекс мероприятий и электриче-
ских измерений, проводимых в процессе строительства и монтажа ка-
бельных линий связи. На практике используют следующие основные
методы симметрирования: метод скрещивания, конденсаторный ме-
тод и метод концентрированного включения контуров противосвязи.
Симметрирование скрещиванием основано на компенсации элек-
тромагнитных связей одного отрезка кабеля связями другого отрезка
путем скрещивания жил цепей.
Конденсаторное симметрирование основано на компенсации
электрических связей путем включения конденсаторов между жи-
лами взаимовлияющих цепей.
Симметрирование включением контуров противосвязи основа-
но на компенсации электромагнитных связей путем включения меж-
ду жилами взаимовлияющих цепей контуров противосвязи, содержа-
щих резисторы и конденсаторы.

Электромагнитные влияния меэюду проводными цепями связи 345
а) б)
Рис. 9.20. Кабельная четверка: а — к определению емкостных свя-
зей и асимметрий, б — схема организации основных и фантомной цепей
Конденсаторное симметрирование компенсирует только электри-
ческие связи, поэтому оно применяется в основном для низкочастот-
ных кабелей, в которых эти связи являются определяющими. Сим-
метрирование скрещиванием применяется как для низкочастотных,
так и для высокочастотных кабелей. Концентрированное симметри-
рование контурами противосвязи в основном применяется для ВЧ
кабелей на длине ЭКУ.
Взаимные влияния между цепями внутри четверок существенно
больше, чем между цепями разных четверок, поэтому наиболее слож-
ным и трудоемким является симметрирование внутричетверочных
комбинаций цепей. Между электрическими (емкостными) и магнит-
ными (индуктивными) связями имеет место достаточно тесная кор-
реляция. Для кабелей с однородной изоляцией жил справедливо со-
отношение т = kZ%, поэтому компенсацию электромагнитных связей
методом скрещивания можно рассматривать, оперируя только одной
связью. С физической точки зрения удобно рассматривать емкост-
ные связи между цепями четверки и емкостные асимметрии цепей
четверки относительно заземленной оболочки (рис. 9.20), величина
которых характеризует степень взаимных влияний как в низкоча-
стотных, так и в высокочастотных кабелях связи.
По одной четверке можно организовать в диапазоне низких ча-
стот три цепи: две основные и одну фантомную (искусственную).
Согласно рис. 9.20,6 первая основная цепь образована жилами 1 и
2, вторая основная цепь — жилами 3 и 4, а фантомная цепь обра-
зована с помощью четырех линейных трансформаторов со средними
точками. При подключенном к средним точкам генераторе по полу-
обмоткам трансформаторов протекают равные, но противоположно
'3—5440

346
Глава 9
направленные токи. Поэтому их магнитные потоки компенсируют
друг друга и ток в станционной обмотке равен нулю. Аналогичное
явление наблюдается и на противоположном конце линии при под-
ключении к средним точкам нагрузки. При этом прямым проводом
фантомной цепи является первая основная цепь, а обратным прово-
дом — вторая основная цепь. Таким образом, по указанным целям
организуются три независимые связи.
Согласно рис. 9.20,а можно записать приближенные выражения
для коэффициентов емкостной связи и емкостной асимметрии (без
учета влияния соседних четверок):
fci « (С13 4- С24) — (С*14 4- С23) — емкостная связь между ос-
новными цепями;
къ « (Схз 4- С14) — (С23 + С24) — емкостная связь между первой
основной и фантомной цепями;
&з ~ (Ci3 + С23) - (С14 + С24) — емкостная связь между второй
основной и фантомной цепями;
е\ « Сю — Сго — емкостная асимметрия первой основной це-
пи относительно земли;
^2 ~ Сзо — С*4о — емкостная асимметрия второй основной це-
пи относительно земли;
ез ~ (Сю 4- С20) — (Сзо 4- С40) — емкостная асимметрия фан-
томной цепи относительно земли.
Симметрирование скрещиванием. В кабелях связи конструк-
тивные неоднородности носят случайный характер, поэтому и элек-
тромагнитные связи по длине распределены по случайному закону.
Это вызывает необходимость подбора схем скрещивания жил кабеля
для каждого конкретного случая. Поскольку вариантов соединения
жил кабеля два, а цепей три, то существует 23 = 8 способов соеди-
нения жил в четверке. Схема соединения жил записывается в виде
оператора скрещивания. Первый знак оператора относится к первой
основной цепи, второй — ко второй, а третий — к фантомной. Соеди-
нение жил напрямую обозначается (•), а со скрещиванием (х). Опе-
раторы скрещивания и соответствующие им схемы соединения жил
в четверке приведены в табл. 9.3.
На ГТС НЧ кабели связи имеют обычно небольшую протяжен-
ность и по параметрам взаимного влияния, как правило, удовлетво-
ряют установленным нормам и симметрированию не подвергаются.
Поэтому подбор оптимальных операторов скрещивания проводится
при симметрировании высокочастотных кабелей.
Концентрированное симметрирование при помощи кон-
туров противосвязи. Этот метод находит применение при симмет-
рировании ВЧ кабелей связи. В его основе лежит компенсаиия токов

Электромагнитные влияния меэюду проводными цепями связи 347
Таблица 9.3
Схемы соединения жил в четверке
Номер
Обо-
значе-
ние
Схема соединения
ст. А
ст. Б
Номер
Обо-
значе-
ние
Схема соединения
ст. А
ст. Б
• »
• X X
XXX
помех, вызываемых электромагнитными связями, токами компенса-
ции, создаваемыми контурами противосвязи, которые концентриру-
ются в отдельных точках ЭК У. Элементы контура противосвязи под-
бирают так, чтобы контур создавал ток компенсации /21 к ? равный по
амплитуде и противоположный по фазе току помех /21 (рис. 9.21,а).
Рассмотрим кратко эффективность концентрированного симмет-
рирования на дальнем и ближнем концах. На рис. 9.21 сосредоточен-
ные электромагнитные связи на дальнем F\2 и ближнем iVi2 концах,
включенные на расстоянии х от начала линии, отображают реальные
электромагнитные связи, имеющие распределенный по длине харак-
тер. Противосвязи на дальнем F\2K и ближнем ЛГ12к концах, включен-
ные на расстоянии а от начала линии, должны обеспечить компенса-
цию мешаюших токов, переходящих в цепь, подверженную влиянию.
Рис. 9.21. Концентрированное симметрирование: а — на дальнем конце;
б — на ближнем конце

348
Глава 9
Условие компенсации при влиянии на дальнем конце характе-
ризуется равенством
F12K =-F12e-^-^x~a\
из которого нетрудно видеть, что в случае, когда коэффициенты рас-
пространения взаимовлияющих цепей равны друг другу (71 =72),
условие компенсации Fi2k = —F\2 выполняется независимо от места
включения контура противосвязи. Из рис. 9.21,а видно, что токи hi
и hi к проходят одинаковые пути, поэтому достаточно только подо-
брать элементы контура противосвязи так, чтобы они воспроизводи-
ли частотную характеристику действующей между цепями электро-
магнитной связи и тем самым обеспечивали высокую степень ком-
пенсации (J21 к = — hi) в широком диапазоне частот.
Условие компенсации на ближнем конце записывается так:
Nl2K = -Nl2e-{ll-^){x-a).
Из этого равенства следует, что достичь компенсации мешаю-
щих токов на ближнем конце можно только путем включения конту-
ра противосвязи в месте расположения электромагнитной связи, т.е.
при выполнении условия х = а. Если учесть, что в действительности
электромагнитные связи, как отмечено выше, носят распределённый
характер, то становится ясно, что для получения компенсации нужно
между цепями включать большое число контуров противосвязи, что
практически неприемлемо. Кроме того, в связи с тем, что коэффици-
енты распространения (главным образом коэффициенты фазы) зави-
сят от частоты, то добиться высокой компенсации на ближнем конце
можно только на одной частоте. На других же частотах эффективная
компенсация не наблюдается, причем на частотах, удаленных от ча-
стоты с высокой степенью компенсации, включенный контур может
даже увеличить взаимные влияния. Физически это можно объяснить
тем, что токи ho и 12ок проходят разные пути (рис. 9.21,6), претерпе-
вают разные амплитудные и фазовые изменения и условие компен-
сации hoK = —/20 не выполняется. По указанным причинам концен-
трированное симметрирование на ближнем конце не применяют.
Таким образом, концентрированное симметрирование ВЧ кабе-
лей проводят только на дальнем конце, симметрируя кабели на длине
элементарного кабельного участка. При этом, как правило, приме-
няют схемы контуров противосвязи, представленные на рис. 9.22.
Как отмечалось выше, электромагнитные связи между цепями
в области высоких частот носят комплексный характер, поэтому в
теории симметрирования кроме переходного затухания и защищен-

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 349
С R С
41 О о-\ Hh
о) б)
Рис. 9.22. Схемы контуров противосвязи: а — конден-
сатор; б— контур RC; в — комбинированный контур
ности между цепями широко пользуются характеристикой взаим-
ного влияния — проводимостью комплексной связи, выражаемой в
микросименсах:
Y = jl^£ = \Y^(va~Vl) = №"- (9-58)
где h — ток цепи, подверженной влиянию; U\ — напряжение влияю-
щей цепи. Из этого выражения следует, что проводимость комплекс-
ной связи есть вектор, угловое смещение которого равно разности
фаз тока помех и влияющего напряжения.
Между проводимостью комплексной связи и защищенностью
между цепями существуют следующие соотношения:
1П = —£—; ^ = 201Что)' (959)
из которых следует, что чем больше защищенность между цепями,
тем меньше длина вектора комплексной связи и, наоборот, чем боль-
ше модуль связи, тем меньше защищенность.
Второе основное соотношение симметрирования связывает про-
водимость комплексной связи между цепями с частичными проводи-
мостями между жилами цепей (см. рис. 9.3,а):
Y = (У13 + Y24) - (Yu + Y23). (9.60)
Схема (рис. 9.3,а) аналогична мосту переменного тока, поэтому
соотношение (9.60) можно использовать при рассмотрении симмет-
рирования как процесса уравновешивания моста переменного така
путем изменения проводимости его плеч.
Так как симметрирование проводится с помощью контуров про-
тивосвязи, содержащих конденсаторы и резисторы, то можно запи-
сать
Y = [(013 + juCiz) + (524 + j^C24)] - [($14 +«М?24) + (023 + ^С2з)],
(9.61)

350
Глава 9
где д — действительность часть, a juC — мнимая часть проводимо-
сти в соответствующих плечах моста. Противоположные плечи моста
эквивалентны, поэтому, отнеся суммы частичных проводимостей од-
ного знака к одному из плеч, выражение (9.61) можно упростить:
У = (sis + j'wCis) - (0н + JuCu). (9.62)
По причине конструктивных и диэлектрических неоднородно-
стей частичные проводимости носят случайный характер, поэтому
при Y ф 0 возможны четыре характерных варианта расположения
на комплексной плоскости вектора проводимости* комплексной свя-
зи между цепями.
1. Если 013 > 014 и C\z > C14, то действительная и мнимая части
проводимости комплексной связи положительны и вектор Y нахо-
дится в 1-м квадранте комплексной плоскости. Для его компенсации
необходимо создать вектор противосвязи Уп, расположенный в 3-м
квадранте. Такой вектор противосвязи можно создать подключени-
ем между жилами 1 и 4 контура противосвязи, состоящего из кон-
денсатора и резистора (рис. 9.23,а). Последовательное соединение
элементов контура выбрано исходя из того, что включение контура
не должно изменять величину сопротивления изоляции жил кабеля.
2. Если 013 < 014 и С13 > C14, то вектор Y расположен в 4-м
квадранте и для размещения вектора противосвязи Yn в 1-м квад-
ранте необходимо включить контур противосвязи между жилами 1 и
3 (рис. 9.23,6).
3. Если 013 < 014 и Ci3 > Сн, то действительная часть прово-
димости комплексной связи отрицательна, мнимая — положительна
и вектор У расположен во 2-м квадранте. Для размещения вектора
противосвязи Yn в 4-м квадранте необходимо включить между жила-
ми 1 и 3 контур противосвязи, содержащий конденсатор и резистор,
а между жилами 1 и 4 — только конденсатор, создающий вектор, па-
раллельный мнимой оси в отрицательном направлении (рис. 9.23,в).
Положение вектора Yn зависит от соотношения между Я, С\ и Съ.
4. Если 013 > 014 и С13 < C14, то вектор Y расположен в 4-м квад-
ранте и для размещения вектора противосвязи Yn во 2-м квадранте
необходимо включить контур противосвязи по схеме рис. 9.23,г.
На рис. 9.23 приведены векторные диаграммы, определенные на
одной отдельно взятой частоте. Симметрируют же ВЧ кабели в ши-
роком диапазоне частот, поэтому необходимо знать частотную харак-
теристику векторов комплексных связей (ХКС) — годограф. Годо-
граф — это кривая, соединяющая вершины векторов комплексных
связей на отдельных частотах. Годограф содержит полную инфор-
мацию о характере взаимного влияния между цепями, в то время как

Электромагнитные влияния между проводными цепями связи 351
~g
Уп
ушС
С R
о—1НИН>
I 4
JuC
-juC
а)
JcdC
Vwc
Рис. 9.23. Схемы включения контуров противосвязи
частотная характеристика защищен-
ности (переходного затухания) харак-
теризует только модуль электромаг-
нитной связи.
На рис. 9.24 представлен типо-
вой годограф комплексных связей при
влиянии между цепями внутри чет-
верки (годограф находится в первом
квадранте комплексной плоскости).
Для компенсации комплексной связи
между жилами 1 и 4 включают контур
противосвязи, состоящий из конденса-
тора и резистора, который создает го-
дограф противосвязи в третьем квад-
ранте Yn(uj). После компенсации ре-
зультирующий годограф смещается к
началу координат. Подбором элемен-
тов контура Ди С добиваются такого размещения результирующего
годографа (У (и) — Уп(о;)), при котором он не выходит из окружности
радиусом, соответствующим нормативному значению проводимости
комплексной связи (защищенности) между цепями.
Высокочастотные кабели связи симметрируют на длине ЭКУ в
Два этапа: в процессе монтажа и на смонтированных ЭКУ. При мон-
Рис. 9.24. Годографы комплекс-
ных связей и противосвязей

352
Глава 9
таже строительных длин кабеля в соединительных муфтах в каждой
четверке жилы соединяют по оператору X, что обеспечивает умень-
шение систематической составляющей влияния через третьи цепи и
повышает эффективность концентрированного симметрирования. На
смонтированном ЭКУ проводят концентрированное симметрирование
по результатам измерения защищенности на дальнем конце прибором
ВИЗ-600 (визуальный измеритель переходного затухания) или ком-
плексных связей на дальнем конце прибором ИКС-600 (измеритель
комплексных связей) в диапазоне частот до 600 кГц.
Следует отметить, что в настоящее время симметричные кабель-
ные линии связи на магистральных и внутризоновых сетях практиче-
ски на строятся. Поэтому симметрированию, по мере необходимости,
подвергаются только действующие кабельные линии.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит проблема электромагнитной совместимости НС?
2. Какова природа взаимных влияний между симметричными цепями?
3. Назовите первичные параметры взаимного влияния и поясните их
физический смысл.
4. Назовите вторичные параметры взаимного влияния и поясните их
физический смысл.
5. Как изменяется переходное затухание на ближнем конце с изме-
нением частоты и длины линии?
6. Как изменяется защищенность на дальнем конце с изменением ча-
стоты и длины линии?
7. Почему взаимные влияния цепей внутри четверок больше, чем меж-
ду четверками?
8. Что такое непосредственное и косвенное влияния?
9. Каков физический смысл косвенного влияния через третьи цепи?
10. Поясните физический смысл взаимного влияния между коакси-
альными цепями.
11. Как изменяется Ао и Аъ между коаксиальными цепями с изме-
нением частоты?
12. Перечислите временные характеристики влияния в симметрич-
ных кабелях и охарактеризуйте их связь с частотными характеристика-
ми влияния.
13. Поясните физический смысл симметрирования методом скрещи-
вания.
14. Поясните физический смысл симметрирования при помощи кон-
туров противосвязи.

Глава 10
Защита сооружений связи
от внешних электромагнитных
влияний и коррозии
10.1. Теория электромагнитного влияния
10.1.1. Физическая сущность и источники
электромагнитного влияния на цепи связи
Направляющие системы чрезвычайно многообразны и в разных
случаях классифицируются по-разному: по используемому диапа-
зону шкалы электромагнитных волн, по назначению, по конструк-
ции и т.д.
Уровень электромагнитных влияний, воспринимаемый направ-
ляющей системой связи, зависит от большого числа факторов: фи-
зической длины линии, наличия скрутки, частотного диапазона пе-
редаваемых сигналов, конструкции экрана, взаимного расположения
элементов направляющих систем. Поэтому любая их классифика-
ция с точки зрения электромагнитной совместимости имеет опреде-
ленную долю условности.
Электромагнитная совместимость любой системы — это сово-
купность качественных показателей, включающих, с одной стороны,
способность нормально функционировать при наличии внешних есте-
ственных и допустимых индустриальных электромагнитных полей; с
другой стороны, рассматриваемая система сама не должна создавать
электромагнитное поле выше оговоренного нормативно-технической
документацией уровня.
Электромагнитная помеха — нежелательное воздействие элек-
трического и магнитного полей, а также тока и напряжения любо-
го источника, которое может ухудшить качество функционирования
передачи за счет искажения информативных параметров полезно-
го сигнала.
Естественные электромагнитные поля образуются электромаг-
нитными процессами и явлениями, объективно происходящими в раз-

354
Глава 10
Оптические кабели
ОКсМЭ
Г
х
ДОК
с ВМО + ЖДП
сВМО
л
Fe-БП
А1 - ПЭТ
Т
с ВМО + ЦМЭ
1
А1 - О + БП
с ВМО + ОВ с М
Fe - БП + Fe - ЦМЭ
А1 ПЭП + ОВсМ
Рис. 10.1. Классификация оптических кабелей связи
личных точках Земли и космосе, которые непосредственно не связа-
ны с деятельностью человека.
Электрические НСЭ занимают частотный диапазон от 0 до 1012
Гц, поэтому источники мощных электромагнитных влияний оказы-
вают значительное влияние на все виды электрических НСЭ [67].
Из всего многообразия источников влияния можно выделить только
несколько, которые создают опасные и мешающие влияния на опти-
ческие кабели связи [68]. Это в первую очередь связано с занимае-
мым диапазоном, поэтому источники, создающие электромагнитные
влияния на металлические НСЭ, для оптических кабелей (ОК) не
представляют большой опасности.
Учитывая то, что оптические системы работают в диапазоне
1014...1015 Гц, можно сделать вывод, что ни один частотный спектр
влияющих источников не попадает в спектр сигнала оптического во-
локна (ОВ) [68].
Классификация ОК по конструктивным особенностям представ-
лена на рис. 10.1. Из него видно, что большинство ОК имеют метал-
лические элементы (МЭ) в конструкции и только небольшая группа
полностью диэлектрических оптических кабелей связи (ДОК).
В конструкциях ОК с МЭ могут быть внешние металлические
элементы (ВМЭ) в виде механической защиты сердечника ОК [6] с
центральным металлическим элементом (ЦМЭ), ВМЭ и жилами ди-
станционного питания (ЖДП). Кроме того, для увеличения срока
службы ОВ применяется металлизация ОВ (ОВ с М). Возможны раз-
личные варианты использования металлических оболочек (Fe, А1),
оплеток (О), бронепокровов (БП) и полиэтиленовых оболочек (ПЭТ).
Полностью диэлектрические конструкции ОК (ДОК) применя-
ются как для прокладки в земле, так и для внешней подвески на
различных существующих опорах электросетей и сетей связи.

Защита сооружений связи
355
Рис. 10.2* Факторы влияния внешних источников на ОК с металлическими
элементами в конструкции
При прокладке в земле возможна прокладка ОК совместно с вы-
соковольтным кабелем (ВВК) или даже в конструкции ВВК, в тун-
неле и на пересечениях с ВВК.
Учитывал свойства ОВ, ОК широко используют для подвески на
опорах высоковольтных линий, осветительной сети, железных дорог,
трамвая и троллейбуса.
Однако при высоких уровнях напряжений на ВВЛ возникает
мощное электрическое поле (опасное влияние), и при определенных
условиях (дождь, высокий уровень загрязнения атмосферы) образу-
ется электрическая дуга, приводящая к разрушению ОК. Одновре-
менно высокая напряженность поля изменяет показатель преломле-
ния ОВ, что приводит к эффекту Керра. Эффект Керра проявляет
себя также возникновением двойного лучепреломления под действи-
ем электрического поля. Величина двойного лучепреломления пря-
мо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.
Эффект Фарадея проявляет себя поворотом поляризации светового
луча при воздействии магнитного поля. Магнитооптический эффект
также приводит к увеличению затухания и дисперсии оптического
волокна. Факторы влияния внешних источников на ОК представ-
лены на рис. 10.2.
При грозовых разрядах возникают кратковременные эффекты
Керра и Фарадея.
Наиболее мощным электромагнитным влияниям подвержены оп-
тические кабели с металлическими элементами (ОК с МЭ) при про-
кладке в земле и подвеске.
На ОК и ОВ оказывают опасное влияние грозовые разряды, вы-
соковольтные линии (ВВЛ), электрифицированные железные доро-

356
Глава 10
ги (ЭЖД) в аварийном и нормальном режимах работы. При грозо-
вых разрядах и коротких замыканиях на ВВЛ возможно такое воз-
действие на ОК, как разогрев полимерных элементов под действием
протекающих токов, их разрушение, либо сокращение срока служ-
бы других конструктивных элементов ОК. Мешающее влияние так
же проявляется в эффектах Керра и Фарадея, которые приводят к
увеличению дисперсии и затухания.
Для внешних электромагнитных влияний ВВЛ на электрические
НСЭ характерны следующие особенности: во-первых, практическое
отсутствие влияния за счет поперечной асимметрии в расположении
проводников, свойственной процессу взаимных влияний; во-вторых,
определяющая роль влияний за счет продольной асимметрии цепей
проводник-земля (оболочка) и, в-третьих, возможность пренебречь
активными составляющими электромагнитных связей (g и г). Кроме
того, для внешних источников влияния характерно следующее:
• разные длины влияющих, подверженных влиянию и третьих це-
пей;
• пренебрежимо малое затухание высоковольтных линий по срав-
нению с линиями связи, подверженными влиянию;
• необходимость учета искажения электромагнитного поля за счет
других электропроводящих предметов, таких как грозозащитные
тросы, железнодорожные рельсы, рядом расположенные прово-
да и кабели, деревья и др.
Различают следующие виды внешних влияний:
• электрические, обусловленные действием электрического поля;
• магнитные, возникающие за счет действия магнитного поля;
• гальванические, появляющиеся вследствие наличия в земле блуж-
дающих токов, создаваемых ВВЛ и использующих землю в ка-
честве обратного проводника.
Под действием блуждающих токов на оболочках кабелей связи
появляется напряжение и в цепях связи возникает влияние. Особенно
велико гальваническое влияние при аварийных режимах ВВЛ и в
местах расположения электростанций.
Под действием внешних электромагнитных полей в сооружениях
связи могут возникать напряжения и токи:
• опасные, при которых появляются большие напряжения и токи,
угрожающие жизни обслуживающего персонала и абонентов или
приводящие к повреждению аппаратуры и линейных сооруже-
ний. Опасными считаются: напряжение U > 36 В, ток J > 15 мА;
• мешающие, при которых возникают помехи, шумы, искажения,
приводящие к нарушению нормальной работы средств связи. Ме-
шающими считаются: напряжение U « 1...2 мВ, ток / « 1 мА. Л

Защита сооружений связи
357
Внешние влияния подразделяются также на длительные и крат-
ковременные. Границей раздела между ними является время t — 1 с.
Действие внешних источников бывает постоянным или случай-
ным. Время действия колеблется в широких пределах: от долей се-
кунды (молния) до непрерывной длительности. Спектр частот внеш-
них источников, как правило, имеет широкую полосу. Амплитуда
влияющих напряжений и токов, исходящих от внешних источников,
зависит от мощности установки и места расположения ее по отноше-
нию к линии связи. Источниками внешних электромагнитных вли-
яний на электрические НСЭ являются: атмосферное электричество
(гроза), ВВЛ, ЭЖД, радиостанции (PC), причем атмосферное элек-
тричество и ВВЛ, особенно в аварийном режиме, оказывают опасное
влияние, а ЭЖД, ВВЛ, PC — мешающее влияние.
Влияние оказывают также индустриальные помехи (бытовые
электроаппараты, городской электротранспорт), магнитные бури и
др. Кроме того, металлические оболочки кабелей подвержены кор-
розии, т.е. разрушению под действием блуждающих токов и электро-
химических процессов в грунте. Ниже рассматриваются источники
внешних влияний и меры защиты сооружений от них.
10.1.2. Влияние атмосферного электричества
Опасному воздействию атмосферного электричества подверже-
ны как электрические, так и оптические НСЭ. На территории Рос-
сийской Федерации грозы наблюдаются повсеместно, однако число
грозовых дней в различных районах РФ различно. Так, в районах
Москвы, Санкт-Петербурга и Калининграда среднее число грозовых
дней в году составляет 20-25. В районах средней полосы России и
на Кавказе число грозовых дней в среднем достигает 40-60, а в неко-
торых местах — 80 и более. Вероятное число повреждений кабелей
от ударов молнии характеризуется плотностью повреждений п, под
которой понимается общее число отказов в связи, отнесенных к 100
км трассы кабельной линии в год. Ее можно определить по формуле
п = (N/KL) • 100,
где N — число повреждений, равное числу опасных ударов молнии;
К — период, за который произошло N повреждений, лет; L — дли-
на трассы, км.
Установлено, что в течение грозового периода в районах с гро-
зодеятельностью 20-25 дней в году на каждые 100 км трассы при-
ходится восемь-десять случаев прямого удара молнии в НСЭ. Опас-
ность повреждений кабельной линии существенно зависит от состо-

358
Глава 10
п
1,0
0,5
0,2
0,1
0,05
0,02
0,01
0,005
0,002
0,001
/
Л
/|
/
/
/
/_
/ У
Л
//
/,
/
у
/^
у
<■
Л0 =
X
2,6
^2,0И
^J
Л*'\Л
^<6
/09А
10 Ом
/км
10 20 50 100 200 500р3,Ом/м
Рис. 10.3. Вероятность повреждения
электрических кабелей связи при раз-
личных сопротивлениях оболочки и
грунта
Рис. 10.4. Характерная форма раз-
ряда молнии: £ф — время нараста-
ния фронта разряда 10...40 мкс; t^fi —
время спада до половины амплиту-
ды 40... 120 мкс; / — амплитуда то-
ка молнии 1...120 к A; U — напря-
жение в канале молнии 105...106 В
яния грунта и проводимости кабельной оболочки. На рис. 10.3 при-
веден график вероятности числа повреждений НСЭ на 100 км в год
в зависимости от удельного сопротивления грунта (рз) и сопротив-
ления металлической оболочки (Д0б)-
Из графика видно, что в грунтах с большим сопротивлением
(песке, скале, глине, граните и др.) и при больших сопротивлениях
металлопокровов опасность повреждения кабеля возрастает. Грозо-
повреждаемость кабелей в алюминиевой оболочке, имеющей малое
сопротивление, существенно меньше, чем в свинцовой и стальных
оболочках. Параметры и форма грозового разряда представлены
на рис. 10.4.
Для определения вероятной плотности повреждений ОК, со-
держащего металлический бронепокров и пластмассовую оболочку,
необходимы следующие исходные данные:
• молниестойкость кабеля, к А;
• интенсивность грозовой деятельности в районе прокладки ОК —
удельная плотность ударов молнии в землю в год, определяе-
мая из среднегодовой продолжительности гроз в часах, 1/км ;
удельное сопротивление грунта р, Омм;
• электрическая прочность изоляции пластмассовой оболочки, кВ.
Молниестойкость ОК — максимально допустимый ток молний
(7М), в результате протекания которого по металлическому бронепо-
крову ОК не нарушается целостность оптических волокон ОК или

Защита сооружений связи
359
Таблица 10.1
Марка
кабеля
ОКЛК-03
ОКЛБ-01
ОКЛАК-01
ОМЗКГ-10
ОЗКГ-1
! окзк-i
ОКЗБ-1
ОКЗО-1
ОКЗМК-1
Максимально допустимый
ток молнии, кА
Категория по молние-
стойкости
Магистральный, внутризоновый 1
90
30 (20)
105
90
II
IV
I
и
Внутризоновый \
90 (30)
40 (30)
30
-
105
II (IV)
IV
IV
IV
I
не возрастает их затухание. Молниестойкость ОК зависит от ме-
ханической прочности ОК (в первую очередь от стойкости к раз-
давливающим усилиям), тепловых характеристик кабельных мате-
риалов, проводимости металлических бронепокровов, наличия про-
межуточных оболочек с металлическими конструктивными элемен-
тами, наличия и электрической прочности изоляции жил дистанци-
онного питания (ДП).
Молниестойкость ОК определяется экспериментально в соответ-
ствии с рекомендацией К.25 МСЭ-Т «Защита волоконно-оптических
кабелей от ударов молнии». Принята следующая градация ОК по
категориям молниестойкости:
Категория молниестойкости ОК Ток молнии, к А
I / ^ 105
II 80 < 7 < 105
III 55 ^ / < 80
IV / < 55
Значения допустимого тока молнии (7М) основных марок ОК для
использования на магистральной и внутризоновых сетях передачи,
освоенных к выпуску кабельными предприятиями России, с указани-
ем их категории по молниестойкости, приведены в табл. 10.1.
Интенсивность грозовой деятельности для конкретно рассматри-
ваемой местности определяется по удельной плотности ударов мол-
нии в землю (ожидаемое число ударов молнии в 1 км2 поверхно-
сти земли за год, исходя из среднегодовой продолжительности гроз
в часах).
Использование карты среднегодовой продолжительности гроз и
Данных удельного сопротивления грунта, определенных по составу

360
Глава 10
Таблица 10.2
Районы
р грунта ^ 1000 Ом • м
р грунта > 1000 Ом • м
с многолетнемерзлым грунтом
Рекомендуемые категории по молние-
стойкости ОК, предназначенных
для применения на сетях связи:
магистральных
I-III
I-II
I
внутризоновых
I-IV
I-III
I-II
грунта, возможно, если расчетная величина вероятной плотности по-
вреждений кабеля не превышает половину допустимой величины.
При неоднородном грунте необходимо учитывать модуль гео-
электрического разреза (отношение удельного сопротивления ниж-
него слоя грунта к удельному сопротивлению верхнего слоя грунта).
Значения модуля определяют следующим образом:
Модуль геоэлектрического Коэффициент увеличения расчетной
разреза вероятной плотности повреждений кабеля
/К 1 1
1 < /л < 10 5
// > 10 50-100
Пробивное напряжение полиэтиленовой оболочки, применяемой
в конструкциях, прокладываемых в грунт ОК, составляет 40... 120 кВ.
Однако, исходя из нормы испытательного напряжения изоляции по-
лиэтиленовой оболочки ОК между металлическими бронепокровами
ОК и грунтом (20 кВ постоянного тока), следует принимать значение
ее пробивного напряжения в импульсном режиме равным 40 кВ.
Характеристики района прокладки ОК, а именно интенсивность
грозовой деятельности, удельные сопротивления нижнего и верхнего
слоев грунта, задаются в качестве исходных данных. Параметры ОК
определяются в зависимости от типа кабеля и металлопокровов.
При проектировании волоконно-оптических линий передачи
(ВОЛП) необходимо предусматривать применение ОК, категории
молниестойкости которых соответствуют данным табл. 10.2.
На участках кабельной линии связи, где вероятная плотность
повреждений от ударов молнии больше допустимой, проводят следу-
ющие мероприятия: применяют более грозостойкие кабели связи, т.е.
кабели с повышенной проводимостью оболочки и других металлопо-
кровов с повышенной прочностью изоляции, прокладывают грозоза-
щитные тросы над кабелем на половине глубины его закопки в грунт.
Помимо грозового электричества, на работу цепей связи могут]
оказывать неблагоприятное воздействие магнитные бури. Послед-
ние имеют место в результате резкого изменения в отдельные ne-j

Защита сооружений связи
361
риоды времени напряженности магнитного поля земли и появления
значительных разностей потенциалов между удаленными точками
земной поверхности.
10.1.3. Влияние линий электропередачи
Электроэнергия может передаваться по ВВЛ переменного и по-
стоянного тока (рис. 10.5). На ВВЛ переменного тока используют,
как правило, трехфазный ток.
Напряжения ВВЛ переменного тока: 3,3; 6,6; 11; 35; 220; 500
и 750 кВ.
Напряжения ВВЛ постоянного тока: 400; 500; 600; 800; 1500 кВ.
Режимы работы ВВЛ представлены на рис. 10.6:
1) симметричный с изолированной нейтралью (рис. 10.6,а) или
с заземленной нейтралью (рис. 10.6,6);
2) несимметричный по схеме «два провода-земля» (рис. 10.6,в).
Линии с изолированной нейтралью применяются при напряжениях
не свыше 35 кВ. При больших напряжениях, исходя из техники без-
опасности, нейтрали обязательно заземляются.
Влияния, оказываемые ВВЛ на НСЭ, могут быть электрически-
ми и магнитными. В зависимости от режима работы ВВЛ преобла-
дает то или иное влияние. Симметричные системы обладают вы-
соким потенциалом и создают большие электрические воздействия
(U —► Е). Несимметричные системы (с заземленной фазой) в ава-
рийном режиме имеют большой уравнительный ток и являются ис-
точником сильных магнитных воздействий (/ —> Н). Заземленные
ВВЛ оказывают гальваническое влияние.
Отметим, что НСЭ находятся под влиянием ВВЛ как перемен-
ного тока, так и постоянного. Первые влияют в основном на часто-
те 50 Гц и на высших гармониках (главным образом в тональном
диапазоне частот). Влияние вторых обусловлено наличием пуль-
сирующих составляющих при выпрямлении тока преимущественно
ртутными выпрямителями. Влияние гармонических составляющих
распространяется на диапазон порядка 30 кГц и ухудшает качество
работы систем передачи.
Сравнивая агрессивное воздействие ВВЛ переменного и постоян-
ного токов на НСЭ, можно отметить, что первые действуют гораздо
сильнее, чем вторые, и требуют относа линий связи на значитель-
ное расстояние. По диапазону частот наиболее вредное воздействие
оказывают ЛВН постоянного тока. Это хорошо видно из табл. 10.3,
в которой представлены показатели воздействия ЛВН переменного
и постоянного тока на НСЭ.
14—5440

362
Глава 10
Ж%?
\ /
—
Аварийное I
Рис. 10.5. Высоковольтные линии Рис. 10.6. Режимы работы ВВЛ
передачи
Таблица 10.3
Показатель
| Частота, кГц
| Сила влияния, усл.ед.
Относ трассы, км
Характер влияния
Ток
переменный
0,05...3
50
50
Опасное
постоянный
0...30
1
1
Опасное, мешающее
При рассмотрении влияний на цепи связи различают нормаль-
ный, вынужденный и аварийный режимы работы ВВЛ.
Под нормальным, понимается такой режим, при котором ВВЛ
работает постоянно.
Вынужденный режим — это тот, при котором ВВЛ вынужде-
на работать определенный промежуток времени в режиме, отлича-
ющемся от нормального.
Аварийный режим возникает при нарушении нормальной работы ^
ВВЛ, например при обрыве, и заземлении провода одной из фаз трех-
фазной линии с заземленной нейтралью. При заземлении одной из
фаз линии с изолированной нейтралью возникает неуравновешенное
напряжение, равное 1,73 линейного напряжения.
10.1.4» Влияние электрифицированных железных
дорог
Контактные сети магистральных и пригородных электрифици-
рованных железных дорог, трамвая, троллейбуса (рис. 10.7) так-

Защита сооружений связи
363
A i I i i К
г мм ми ^
ПО ПО
Рис. 10.7. Электрифицированная железная дорога
же оказывают влияние на НСЭ. Напряжения в контактных сетях
постоянного тока: трамваи и троллейбусы — 0,6 кВ, пригородная
ЭЖД — 3,3 кВ. Напряжения в сетях переменного тока магистраль-
ных ЭЖД — 25 кВ.
Электрифицированный транспорт представляет собой однопро-
водную несимметричную систему с использованием земли (рельсов)
в качестве обратного провода, в которой протекает сильный неурав-
новешенный ток и возникает сильное магнитное влияние. Ток в кон-
тактных сетях ЭЖД может достигать нескольких сотен ампер.
Электрифицированный транспорт является источником и опас-
ного, и мешающего влияний на НСЭ. Наряду с магнитным существу-
ет гальваническое влияние.
Электрифицированные железные дороги переменного тока вли-
яют в основном на частоте 50 Гц и в диапазоне тональных частот;
ЭЖД постоянного тока за счет высших гармонических составляю-
щих при выпрямлении тока действуют как в тональном, так и в вы-
сокочастотном диапазоне (до 30 кГц).
Сравнивая агрессивное воздействие на НСЭ линий электропере-
дачи и ЭЖД, можно установить (табл. 10.4), что ЭЖД как однопро-
водная система оказывает существенно более сильное и длительное
влияние, чем ВВЛ. Однако протяженность ВВЛ по стране значитель-
но больше, и, кроме того, при новом строительстве часто неизвестно,
где пройдет трасса этих линий, поэтому существенно сложнее обес-
печить должную защиту от них.
В табл. 10.5 приведены допустимые критические расстояния в
метрах (средние значения) с ВВЛ и ЭЖД электрического кабеля свя-
зи с ленточной броней и свинцовой оболочкой. В числителе указано
значение для ЭЖД, в знаменателе для ВВЛ. Из таблицы видно, что
Таблица 10.4
Показатель
Трасса
Длительность действия
Схема влияния
Сила влияния (условная единица)
ВВЛ
Неизвестна
Кратковременное
Симметричная
1
ЭЖД 1
Известна
Длительное
Несимметричная
10.. .20

364
Глава 10
Таблица 10.5
Параметр
Удельная прово-
димость, См/м
Критические
расстояния, м
Грунт
Слабый
чернозем
0,2
200/300
Глина
0,1
260/370
Сугли-
нок
0,05
350/560
Извест-
няк
0,02
480/830
Песок
0,01
600/1200
Гранит
0,001
1470/3800
чем хуже грунт, т.е. меньше его удельная проводимость, тем дальше
надо относить трассу кабеля от ВВЛ и ЭЖД.
10.1.5. Особенности влияния на воздушные и
кабельные направляющие системы электросвязи
Природа внешних электромагнитных влияний на воздушные и
кабельные НСЭ различна (рис. 10.8). На воздушные НСЭ действу-
ют одновременно как электрическое поле, так и магнитное. На ка-
бельные линии оказывает влияние только магнитное поле. Силовые
линии электрического поля замыкаются на металлическую оболоч-
ку кабеля и землю и не проходят в сердечник кабеля. Магнитное
влияние на кабельные линии снижается за счет экранирующего дей-
ствия кабельной оболочки.
Рис. 10.8. Особенности влияния на НСЭ: а — воздушные; б—кабельные
Кабельные линии, находящиеся в земле, и воздушные линии,
работающие по системе «провод-земля», испытывают также галь-
ваническое влияние.
10.1.6. Нормы опасных и мешающих влияний
на электрические кабели связи
Для безопасности обслуживающего персонала и лиц, пользую-
щихся средствами связи, для предохранения от повреждений аппа-
ратуры и НСЭ, а также обеспечения необходимого качества передач

Защити сооружений связи
365
Таблица 10.6
Тип НСЭ
Воздушная с деревянными опора-
ми, в том числе с железобетонными
приставками
Воздушная с железобетонными или
металлическими опорами
Кабельная без ДП усилителей или
ДП по системе «провод—провод»
Кабельная с ДП усилителями по
системе «провод—земля»
Городские кабельные без ДП
Допустимые предельные ЭДС,
В действ., при времени отключения
поврежденного участка ВВЛ, с
1,2
750
120
0,6
1000
160
Ь'исп
0,3
0,15 |
1500 1 2000
240 320
1>исп
- £/дП/\/2
Ь'исп 1
установлены нормы допустимых величин опасных и мешающих на-
пряжений и токов. При этом принимаются во внимание время и усло-
вия воздействия опасных напряжений и токов на людей и аппарату-
ру. Влияния при аварийных режимах бывают кратковременными,
так как они исчезают с отключением поврежденной линии. Кроме
того, аварии на линиях высокого напряжения сравнительно редки.
В случае длительного влияния, которое имеет место при вынуж-
денном режиме работы симметричных и несимметричных линий, а
также при нормальном режиме работы несимметричных линий суще-
ствует большая вероятность опасных воздействий. Вследствие этого
приняты более низкие допустимые напряжения, наводимые в про-
водах связи.
Допустимые продольные ЭДС в проводах цепей связи различных
НСЭ при опасном влиянии ВВЛ на длине гальванически неразделен-
ного участка линии связи приведены в табл. 10.6.
Продольной ЭДС (Е) называют разность потенциалов между точ-
ками в начале и конце участка сближения на проводнике связи, воз-
никающую в результате ВВЛ.
Гальванически неразделенным называется участок цепи НСЭ, не
содержащий трансформаторов, усилителей, фильтров.
Под испытательным напряжением понимается напряжение, при-
нятое для данного типа кабеля при испытании изоляции жил по от-
ношению к экрану или металлической оболочке.
Допустимая продольная ЭДС на проводах кабельной линии свя-
зи на длине гальванически неразделенного участка при влиянии сим-
метричных ВВЛ должна быть не более 36 В в условиях нормального

366
Глава 10
режима и 70 В в условиях вынужденного режима менее 2 ч. При
передаче по кабельным цепям напряжения дистанционного питания
допустимая величина наведенного напряжения снижается, что учи-
тывается нормами табл. 10.6.
Опасность поражения человека электрическим током зависит от
многих факторов, важнейшими из которых являются величина тока,
протекающего через тело человека, продолжительность действия то-
ка, пути прохождения тока по телу человека, индивидуальные свой-
ства организма.
При установлении допустимых норм обычно исходят из величи-
ны тока, при которой человек может самостоятельно освободиться
от захвата токонесущего провода.
Согласно правилу защиты устройств связи от опасного влияния
линий электропередачи разрядный ток, проходящий через тело че-
ловека, который коснулся провода линий связи, подверженного вли-
янию линии с изолированной нейтралью, при замыкании фазового
провода на землю не должен превышать 10 мА. При этом напряжение
провода Л С по отношению к земле допускается не более 200 В действ.
Нормой допустимого мешающего напряжения на цепи связи яв-
ляются:
• для ВЧ каналов 1,1 мВ на один усилительный участок в точ-
ке с относительным уровнем полезного сигнала на входе уси-
лителя —7 дБ;
• для телефонных каналов ТЧ 2,1 мВ на длину канала связи, име-
ющего сближение с высоковольтной линией 400 км при относи-
тельном уровне полезного сигнала на зажимах оконечной стан-
ции или станции переприема —7 дБ.
При одновременном влиянии на НСЭ со стороны ВВЛ и ЭЖД
общая норма помех подсчитывается по квадратичному закону. При
этом норму напряжения шума для ВВЛ принимают равной 0,6, а
для ЭЖД 0,8. Допустимое напряжение шума на один усилительный
участок определится по формуле:
U'm = Um/sfN,
где N — число усилительных участков на длине сближения с вли-
яющей линией.
Указанные нормы напряжения шума относятся к линейным за-
жимам цепей с волновым сопротивлением 600 Ом, согласованно на-
груженным. Если входное сопротивление ZBX отличается от 600 Ом,
то допустимое напряжение шума должно быть пересчитано по фор-
муле t/щ = (7щ\/%»х/600. Допустимое напряжение помехи от влияния

Защита сооружений связи
367
радиостанций принято для кабельных линий равным 0,5 мВ и для
воздушных 1 мВ в точке с относительным уровнем —7 дБ.
10.1.7. Расчет опасного электрического влияния
на направляющие системы электросвязи
Влияние высоковольтных линий (ВВЛ, ЭЖД) на НСЭ может
быть определено по аналогии с взаимным влиянием между цепями
связи через параметры электрической и магнитной связей:
К\2 = h/U2 = д + гик; М\2 = ~Е2/1\ = г + iu)m,
где 12 и Е2 — соответственно ток и ЭДС, наводимые в цепи связи; Д
и U\ — ток и напряжение во влияющей цепи (ВВЛ, ЭЖД).
Активные составляющие (q и г) применительно к рассматривае-
мым процессам можно не учитывать. Опасные электрические напря-
жения могут возникать в воздушных НСЭЛС из-за влияния ВВЛ с
изолированной нейтралью при заземлении одной из фаз, а также в
других случаях появления неуравновешенных напряжений на ВВЛ.
При внешнем влиянии ВВЛ на ЛС необходимо определить потенци-
ал проводника НСЭ относительно земли.
Электростатическое поле зем-
ли может быть представлено в ви-
де зеркального отображения вли-
яющего провода (рис. 10.9). Ре-
зультирующий потенциал провод-
ника ЛС относительно земли опре-
деляется в виде суммы потенциа-
лов влияющего провода ВВЛ и зер-
кального отражения:
U = q/e\n(dl2/D12),
0'%'////////V/'/Г*'//////
Рис. 10.9. К расчету элек-
тростатического влияния
где q — заряд влияющего провода;
при D12 = d\2, т.е. когда проводник
связи находится на земле, его по-
тенциал равен нулю: U = 0.
Решая данную задачу через потенциальные коэффициенты для
трехфазной ВВЛ и двухпроводной НСЭ, получаем формулу расчета
электрического влияния. Потенциал проводника НСЭ относительно
земли за счет электрического влияния, В,
U2 = 0,25£/i Snbc/(a2 + b2 + с2),
гДе U\ — напряжение ВВЛ нормальном режиме работы (в случае
Аварийного режима при заземлении одной из фаз U\ возрастает в

368
Глава 10
Рис. 10.10. Параллель-
-l^/1^ ное (а) и косое (б) сближе-
ние ВВЛ с НСЭ
у/3 = 1,73 раза); 5П — экранирующее действие соседних проводов
связи, среднее значение которого принимается 0,7; значения а, Ь, с
приведены на рис. 10.9.
Анализируя эту формулу, видим, что электрическое влияние
возрастает с увеличением габаритных размеров линии (высоты под-
вески проводов b и с) и уменьшается при разносе линий (а).
Данная формула справедлива, если ВВЛ и НСЭ проходят па-
раллельно. В реальных условиях часто имеют место сложная трас-
са сближения и косое взаимное расположение трасс ВВЛ и НСЭ
(рис. 10.10). В этом случае участок сближения разбивают на несколь-
ко эквивалентных параллельных участков, определяют влияние на
каждом участке по эквивалентным расстояниям и затем суммиру-
ют все эти влияния.
Длина эквивалентного участка выбирается таким образом, что- |
бы отношение максимальной ширины сближения к минимальной по i
концам участка не превышало трех, т.е. 02/^1 < 3, а^/а2 < 3 и
т.д. Эквивалентная ширина сближения определяется как средняя
геометрическая величина: ..-«
; К ■
аэ = л/о102 ■ ч;
При сложной трассе сближения электрическое влияние мож!
расчитывать по формуле fl
U2 = 0,25C/i J2
he I
о? + b2 + с2 ПТ'
где L
длина расчетного участка; I — общая длина сближения.
10.1.8. Расчет опасного магнитного влияния
на направляющие системы электросвязи
Опасные магнитные влияния создают несимметричные системы
(ВВЛ, ЭЖД) как в нормальном, так и аварийном режиме их работы,

Защита сооружений связи
369
а также симметричные системы
в аварийном режиме. Магнит-
ным воздействиям подвержены
и кабельные, и воздушные ли-
нии связи.
Продольная ЭДС в линиях
связи за счет магнитного поля
(рис. 10.11) может быть опреде-
лена по формуле
Е-2 = wmIilSKST1
Рис. 10.11. К расчету магнитного вли-
где 1\ — влияющий ток; / — яния
длина участка сближения; SK — коэффициент экранирования ка-
бельной линии; 5Т — коэффициент экранирования троса, рельсов
(0,4...0,6); га — магнитная связь между ВВЛ и НСЭ, Гн/км,
т = 1п[2/(1,75Аго)] - 13,
где к = y/u>fi3cr3] /i3, o~3 — магнитная проницаемость и проводимость
земли; а — расстояние между ВВЛ и НСЭ.
В случае сложной трассы сближения продольная ЭДС рассчи-
тывается по эквивалентным участкам сближения и затем произво-
дится суммирование:
#2 — Ct//i У ^TnjliSKjSTi.
г=1
Из приведенных формул видно, что влияние растет с увеличе-
нием длины линии, силы и частоты влияющего тока. Опасное вли-
яние обычно расчитывается на частоте 50 Гц, а мешающего — на
частоте 800 Гц.
Для облегчения расчетов на практике обычно пользуются номо-
граммами, позволяющими по известным значениям полосы сближе-
ния и удельной проводимости земли определить т на частотах 50
и 800 Гц (рис. 10.12 и 10.13).
В зависимости от режима работы НСЭ наводимая продольная
ЭДС будет иметь различные значения по длине. На рис. 10.14 по-
казан характер изменения ЭДС вдоль НСЭ при изолированных и за-
земленных ее концах. Наибольшую опасность для обслуживающего
персонала и аппаратуры связи представляет случай, показанный на
Рис. 10.14,5, так как здесь на изолированном конце будет действо-
вать полная индуцированная ЭДС.

370
Глава 10
а\ аг аг
6000-
5000 -1
4000 1
зооо i
2000 -|
looo -i
800 \
600 4
500 4
400 1
300 -f
200 4
150 \
100 1
80 1
60 4
50-1
40 j
30 j
20 j
10 -i
9 Л
8 1
7 1
6 4
5 ^
4 |
3 |
2 J
1 Л
мс
тры
г6000 т
|5000 -
|4000 1
1-3000 i
1-2000 1
i-iooo -j
|800 з
t-600 з
1-500 =
|-400 j
l-зоо -j
j-200 А
мда^И
г 100 -=
h° j
ко -I
s-50 4
NO i
j-30 J
1-20 j
^io j
=-9 1
i-8 1
1-7 j
1-6 1
1-5 1
M j
1-3 j
jj-2 j
- _q
1 1 J
12, мкГн/км
0 1 ^з,См/м
И,2 2
1:0,3 i
F0,5 i
и,о j
1-2,0 =
Ho ~-_
Ко :
Г 10,0 1
Ё120 1
г4(НН0
1-300
|200
Р-150
Е-100
t«ft
= 30 #70
^-40 -s
i= 50 i
г 100 1
h200 ^^J
1-300^^^-— 1
[-400 =
[-500 4
г 6oo 4
Иоо ]
Иоо 1
f-900 j
Иооо z
И100 Пример :
h Дано: cr3 =25 10"3См/м Z
1-1200 «г 150 м J
|- я2=100м |
Г1300 Находим: "|
^",.лл /и, =35040 6Гн/км 1
г ИОО l2 j
И500 1
[-1600 |
И700 J
И 800 ]
i-60
|50
|40
И°
Ё"20
Г15
И
г 8
11
г5
И
И
=-2
-
г 1,5
г 1,0
и
1-0,6
г 0,5
Н,4
1-0,3
Е-0,2
-0,1
• ^;
■■4
'Л
-'«
Рис. 10.12. Номограмма для определения коэффициента взаимной индуктив- J
ности на частоте 50 Гц ]

Защита сооруэюений связи
371
<*\
a3
«2
метры
6000-
5000 i
4000 i
3000 j
2000 \
1000 j
8001
700-1
600-1
500i
4001
300 4
200J.
150-|
1001
80-J
604
50^
401
30 {
201
10-3
9|
И
7-g
5|
4]
3|
2|
iJ
|-6000
t5000 Оз,См/м
j-4000 -|
|3000 4
1 /я12, мкГн/км 4
E-2000 0,1-^ 4
Ё 0,24
F 0,34
frlOOO 0,54
1800 {;й
|600 $J
1500 D'U4
|400 104
|300 20-j
1 504
i-200 4
|]50j^
rioo 2001
fe 3°°i
^•60 -i
=-50 4001
H° 5004
И 600^
^0 "I
: 700-|
: 8004
^10 - 4
1-9 9004
Г8 1
|б 10001
Ц ниц
[ 1200J
г 1300J
\2 1
X 1400-1
Г 15001
ii 4
p- ^
|400 10
|зоо
§-200
|l50
E-100
fc jeo
Г Пример 4
h Дано:а3=25 10"3См/м j
\~ д,=150м 1
Г а2=100м J
L Находим: ~§
L т12=35010"6Гн/км j
E-60
|50
I40
f 30
|20
L15
w
П
r5
j-4
И
1-2
г 1,5
^-1,0
№
1-0,6
г 0,5
H,4
f-0,3
=■0,2
Lo,i
Рис. 10.13. Номограмма для определения коэффициента взаимной
индуктивности на частоте 800 Гц

372
Глава 10
Рис. 10.14. Продольная ЭДС в НСЭ при различных режимах использования
линии: а — полная изоляция от земли; б— заземление с одной стороны; в —
заземление с обеих сторон
При определении влияний и выборе средств защиты необходимо
суммировать все виды влияний; для кабельных линий — магнитное и
гальваническое, для воздушных линий — электрическое и магнитное.
10.1.9. Расчет мешающих влияний на
направляющие системы электросвязи
Рабочие напряжения и токи всех видов ВВЛ (как на перемен-
ном, так и на постоянном токе) содержат гармоники в диапазоне
частот 0,1... 150 кГц, причем наибольшие амплитуды имеют гармо-
ники в диапазоне тональных частот. Шум в телефонных каналах
тональной частоты рассчитывают на частоте 800 Гц, поэтому при
определении мешающего влияния рабочее напряжение (ток) влияю-
щей цепи со всеми составляющими гармониками пересчитывается на
эквивалентное мешающее напряжение (ток) с частотой 800 Гц, вели-
чина которого по своему действию на телефонную цепь эквивалентна
действию рабочего напряжения (тока) и всех его гармоник.
Эквивалентное мешающее напряжение
U3 = knFuU!
и соответственно эквивалентный мешающий ток
h = knFvIu
где Fu — С/псоф/С^; Inco<b/h — телефонные формфакторы напряже-
ния и тока соответственно; А;п — поправочный коэффициент, завися-
щий от типа ВВЛ, ширины сближения и проводимости земли.
При расчете мешающего влияния целесообразно рассматривать
отдельно влияние токов прямой и нулевой последовательностей и со-
ответственно фазовых напряжений и остаточных напряжений отно-
сительно земли. Следует также учитывать, что помехи в двухпро-
водной цепи возникают как в результате непосредственного влияния
ВВЛ на цепь НСЭ вследствие асимметричного расположения прово-
дов последней по отношению к проводам ВВЛ, так и в результате
влияния через третьи цепи типа «два провода — земля» вследствие

Защита сооружений связи
373
наличия асимметрии (продольной и поперечной) цепи НСЭ относи-
тельно земли. Принимая во внимание раздельное определение со-
ставляющих магнитного и электрического полей, при расчете помех
от ВВЛ в общем случае необходимо учитывать восемь составляющих:
^м.ф1) ^э.ф1 — составляющие соответственно магнитного и электри-
ческого влияний, обусловленные фазовым напряжением (током пря-
мой последовательности) и асимметрией проводов НСЭ по отношению
к проводам ВВЛ; {/м.оъ ^э.о1 — то же, только обусловленные оста-
точным напряжением ВВЛ по отношению к земле (током нулевой
последовательности); £/м.ф2, £4.ф2 — составляющие соответственно
магнитного и электрического влияний, обусловленные фазовым на-
пряжением (током прямой последовательности) и асимметрией про-
водов ЛС относительно земли; £/м.025 ^э.о2 — то же, только обуслов-
ленные остаточным напряжением ВВЛ по отношению к земле (током
нулевой последовательности).
Результирующее напряжение помех в телефонной цепи опреде-
ляется по формуле
^ш = y/Ulv + ££ф1 + Ulol + Ulol + еф2 + С£ф2 + UZ.o2 + Ul02-
Удельный вес отдельных составляющих выражения неодинаков
и зависит от типа влияющей цепи и цепи, подверженной влиянию, а
также характера их сближения. Так, при влиянии трехфазной ВВЛ с
заземленной нейтралью в нормальном режиме работы на воздушную
НСЭ достаточно учитывать от трех до одной составляющей:
иш = <
^м.Ф2 + ^э2ф2 + ^м.о2 при а < 50 м;
\Мф2 + £^.о2 при 50 < а < 200 м;
I ^м.о2 при а > 200 м,
/м.о2
т.е. при больших расстояниях между взаимовлияющими цепями опре-
деляющим является магнитное влияние тока нулевой последователь-
ности через третью цепь.
Как уже отмечалось выше, кабели связи с металлической обо-
лочкой практически не испытывают электрического влияния, т.е.
отсутствуют все составляющие U3, Кроме того, вследствие скрут-
ки жил очень мала асимметрия жил в двухпроводной цепи по от-
ношению к проводам ВВЛ, следовательно, отсутствуют составляю-
щие £/M.oi и £/м.ф1. Таким образом, для кабелей с металлической
оболочкой результирующее напряжение шума определяется только
влиянием через третьи несимметричные цепи и подсчитывается по

374
Глава 10
формуле
Допустимые величины мешающих влияний приведены в п. 10.1.6.
10.1.10. Влияние радиостанций на направляющие
системы электросвязи
Радиостанции (PC) оказывают мешающее влияние на высокоча-
стотные каналы связи, если их рабочие частоты совпадают с диа-
пазоном ВЧ систем.
На НСЭ оказывают непосредственное влияние радиостанции
сверхдлинноволнового диапазона (частоты 3...30 кГц), длинноволно-
вого (30...300 кГц) и средневолнового (300...3000 кГц). Больше все-
го подвержены влиянию радиостанций вертикальные провода (вво-
ды цепей в станцию). Наиболее мощными радиостанциями явля-
ются вещательные и телеграфные станции, работающие на большие
расстояния.
Степень мешающего влияния радиостанций на цепи связи зави-
сит от многих причин: излучаемой мощности, расположения трассы
линии связи по отношению к влияющей радиостанции, проводимости
земли, коэффициента чувствительности цепи связи к помехам.
Природа влияния радиостанций на НСЭ состоит в следующем.
Радиостанции создают вертикальную составляющую электромагнит-
ного поля £*в, мВ/м, затухающую по закону
±- ^ ,
Г
где Риз — мощность, излучаемая радиопередатчиком, Вт; кд —
— Uy/Jxi — коэффициент распространения в воздухе; F — коэффи-
циент ослабления поля за счет земли; г — расстояние от радио-
станции до линии, м. ^
За счет конечной проводимости земли появляется горизонталь^
ная составляющая поля, мВ/м, &
\/60Асгз Л
где Л — длина волны, м; ст3 — проводимость земли, Ом/м. Эта го-
ризонтальная составляющая поступает в линию и является источни-
ком помех (рис. 10.15). Чем выше частота и меньше проводимость
грунта, тем больше Ет и мешающее влияние в кабеле. Наибольшее

Защита сооружений связи
375
К*
///
1 ;~ ^s*\
ш >-
ШУ
тш/
~/
тш/
л
.7 "*е*
V/ № л/ /// ///
т./ КП
0 )
Рис. 10.15. Природа влия- Рис. 10.16. Влияние PC на НСЭ при различных
ния PC на НСЭ длинах линии
влияние оказывается при прохождении кабеля в грунтах с большим
сопротивлением (песке, суглинке, скальных породах).
Существенно сказывается взаимное расположение ЛС и радио-
станции. Этот фактор принципиально может быть оценен формулой
ЕГ(р = Ег cos </?, где <р — угол взаимного расположения PC и НСЭ.
При перпендикулярном расположении НСЭ относительно PC
влияние минимально. Максимальное влияние происходит при про-
хождении трассы кабеля в створе действия PC.
В общем виде при любом расположении трассы кабеля относи-
тельно PC влияние может быть определено по формуле
Ertp —
2,45^
v/бОАстз г2 + а
.fe-M-VO,
где а — кратчайшее расстояние от PC до НСЭ, м; г — длина ка-
беля, м.
На рис. 10.16 показано изменение влияния радиостанции ЕГ(р на
линию связи в зависимости от ее длины. На графике видны две
зоны влияния: зона I охватывает углы <р' от 90 до 50°, зона II —
углы у" от 40 до 0°. В первой зоне (г < а), как видно из форму-
лы, с увеличением г величина ЕГ(р и соответственно влияние растут.
Физически это объясняется тем, что здесь линия близка к перпенди-
кулярному расположению относительно PC. Во второй зоне (г > а) с
увеличением г величина ЕГ(р и влияние радиостанции уменьшаются.
В этом случае линия близка к радиальному расположению относи-
тельно PC и чем дальше от нее рассматриваемый участок линии,
тем меньше влияние. Максимальное влияние имеет место на сты-
ке двух зон при <р = 40...50°.
Различные типы НСЭ в зависимости от конструкции и их экра-
нирующих свойств в разной степени подвержены влияниям. Уста-
новлены примерно следующие зоны мешающего влияния PC на раз-

376
Глава 10
личные типы линий связи, км:
Симметричный кабель с оболочкой:
свинцовой 7,7
алюминиевой 1,3
стальной 3,3
Коаксиальный кабель, не более 1
10.2. Защита сооружений связи
10.2Л. Меры защиты сооружений связи от внешних
влияний
Для предохранения сооружений связи от внешних электромаг-
нитных влияний проводится комплекс защитных мер как на влияю-
щих линиях (ВВЛ, ЭЖД, PC), так и на НСЭ, подверженных влия-
нию. Перечень основных мероприятий приведен в табл. 10.7.
Таблица 10.7
Источник
внешнего
| влияния
ВВЛ
ЭЖД
Атмо-
сферное
электричек
Харак-
тер
влияния
Опасные
и меша-
ющие
поля Е
иН
Опасное
и меша-
ющее
поле Н
Опасное
поле Е
:тво
Мероприятия, проводимые на линиях
влияющих
1. Автоматическое
отключение ВВЛ
2. Сглаживающие
фильтры
3. Экранирующие
тросы
4. Разземление
нейтрали
5. Ток ©огра-
ничивающие
устройства
1. Сглаживающие
фильтры
2. Отсасывающие
трансформаторы
3. Увеличение
проводимости и
изоляции рельсов
4. Автоматическое
отключение ЭЖД
связи
1. Относ трассы
2. Каблирование
3. Скрещивание и симметриро-
вание
4. Экранирование
5. Разрядники и предохраните-
ли, варисторы, лавинные диоды
6. Заземление
7- Нейтрализующие редук-
ционные и разделительные
трансформаторы
1. Относ трассы
2. Каблирование
3. Скрещивание и симметриро-
вание
4. Экранирование
5. Разрядники и предохраните-
ли
6. Заземление
7. Редукционные и разделитель-
ные трансформаторы
1. Молниеотводы на воздушных
ЛС
2. Тросы на кабельных Л С
3. Каскадная защита
4. Разрядники и предохраните-
ли, варисторы, лавинные диоды

Защита сооружений связи
377
Окончание табл. 10.7
Источник
внешнего
влияния
PC
Харак-
тер
влияния
Мешаю-
щие
поля Е
иН
Мероприятия, проводимые на линиях
влияющих
Выбор несущей
частоты
связи
1. Относ трассы
2. Каблирование
3. Скрещивание и симметриро-
вание
4. Фильтры и запирающие
катушки
Ниже рассматриваются основные мероприятия, проводимые в
первую очередь на линиях и установках связи.
10.2.2. Схемы защиты, разрядники
и предохранители
Для защиты обслуживающего станционного персонала и аппа-
ратуры связи применяются защитные устройства, состоящие из раз-
рядников и предохранителей. Эти устройства устанавливаются на
входе в станцию.
Схемы устройств различны в зависимости от типа линии и ожи-
даемой величины влияния (рис. 10.17).
Из анализа влияний и схем защиты можно сделать вывод, что
наибольшей защиты требуют воздушная линия и сеть ГТС. На меж-
дугородной кабельной линии для защиты устанавливается лишь один
разрядник. Разрядники делятся на газонаполненные и искровые.
Для сетей с дистанционным электропитанием применяются вилито-
вые разрядники, а на сетях ГТС газонаполненные и угольные. Наи-
большее применение получили на междугородных кабельных линиях
связи разрядники Р-35, РВ-500, на городских сетях — Р-27. На воз-
душных линиях применяются разрядники Р-350 и Р-35.
Основные характеристики разрядников приведены в табл. 10.8.
Таблица 10.8
Параметр
Напряжение пробоя, В
Напряжение погасания, В
Допустимый ток, А
Сопротивление изоляции, МОм
Долговечность, число разрядов
Габаритные размеры, мм
Р-35
350±40
40...80
15
5000
25
75x22
Р-350
350±40
-
3
5000
5
65x35
Р-4
70..80
-
од
1
1000
20x7,5 |

378
Глава 10
В-
Станция
ТК-0,25 Лп СН-1
yP-500VV
I*
TWU5 VF-500^ CH.,
Линия
-в-
в-
•>
Рис. 10.17. Схемы защиты при воздушной (о) и кабельной (б) линиях и
на ГТС (в): Р-350 и ИР-1000 — разрядники; СН-1 и ТК-0,25 — предо-
хранители; ЗК — запирающая катушка; ДК — дренажная катушка
Газонаполненный двухэлектродный разрядник типа Р-350
(рис. 10.18,о) состоит из стеклянной трубки диаметром 19 мм и дли-
ной 62 мм, трехэлектродный разрядник типа Р-35 (рис. 10.18,6) имеет
диаметр 21 мм и длину 60 мм.
Для защиты от перенапряжений в схемах усилителей использу-
ются малогабаритные разрядники Р-4. В состав разрядника входят
Рис. 10.18. Разрядники: а — двухэлектродный Р-350;
б — трехэлектродный Р-35; в — малогабаритный Р-4

Защита сооружений связи
379
Ко 2-й паре
Рис. 10.19. Схема защиты аппаратуры систем передачи
два стальных электрода, покрытых вольфрамом. Электроды заклю-
чены в стеклянный баллон, наполненный аргоном (рис. 10.18,в).
Применяемые схемы защиты зависят от вида влияния, наличия
дистанционного электропитания и типа аппаратуры. На рис. 10.19
показана схема защиты аппаратуры систем передачи.
В схеме защиты, кроме разрядников Р-4, имеются фильтры,
предназначенные для защиты от посторонних напряжений и токов,
наводимых в цепях ДП, работающих по схеме «провод — земля».
Для повышения надежности защиты и сохранения газонаполнен-
ных разрядников от разрушения перед ними устанавливают искро-
вые разрядники, которые монтируют на держателях газонаполнен-
ных разрядников. Пробивное напряжение разрядников зависит от
величины искрового промежутка.
Для защиты станционной аппаратуры и разрядников от опас-
ных токов, возникающих при случайных соприкосновениях провода
линии связи с проводом линии сильного тока, применяются предо-
хранители на номинальный ток 1 и 0,15 А типа СН — спиральные
с ножевыми наконечниками (рис. 10.20,а) или типа СК — с кони-
ческими наконечниками.
На ГТС в качестве предохранителей используются термические
катушки ТК-0,25 (предохранитель на номинальный ток 0,25 А). Тер-
мическая катушка (рис. 10.20,6) состоит из корпуса, внутри кото-
рого помещен латунный стержень с обмоткой. Один конец обмотки
соединен с корпусом, а другой — с помощью легкоплавкого спла-
ва со стержнем.

380
Глава 1С
Рис. 10.20* Предохранители типа СН (а) и термическая катушка ТК (6): 1 —
стеклянная трубка; 2 — легкоплавкий металл; 3 — пружина; 4 — металличе-
ский чехол; 5 — латунный стержень; 6 — изолированный провод; 7— латун-
ный штифт
10.2.3. Каскадная защита и молниеотводы
При прямых ударах молнии в воздушную линию связи в прово
дах появляются очень большие напряжения — до 1200 кВ. Схемь
защиты с одним разрядником не могут обеспечить надежную защит]
аппаратуры связи от таких больших напряжений. Поэтому в целя:
снижения величины опасных напряжений применяют дополнитель
ную, так называемую каскадную (ступенчатую) защиту. При тако1
защите через определенные расстояния на подходе воздушной линш
(рис. 10.21) к защищаемому сооружению подключают искровые раз
рядники ИР-7, ИР-10 и т.д. (цифра указывает величину воздушной
промежутка между электродами).
При появлении перед искровыми разрядниками электромагнит
ной волны с большой амплитудой срабатывает первый искровой раз
рядник ИР-20, рассчитанный на очень высокое напряжение, и зател
в зависимости от амплитуды волны — последующие разрядники, чтс
значительно уменьшает амплитуду падающей волны и ограничиваем
поступающее на станцию напряжение.
Опоры воздушных линий связи защищают от разрушений пр*
прямых ударах молнии стержневыми молниеотводами, которые уста
Линия
НР-21
1
1 км
0,5 км 0,3 км 0,1 км
"Т Г11с,ти
НР-15 НР-12НР-10Н-7
1 111
Рис. 10.21. Каскадная защита
«I

Защита сооружений связи
381
Ж7П1\/^ ///////^
/<12м
Рис. 10.22. Устрой-
ство молниеотвода
навливают на вводных, кабельных,
контрольных, разрезных, переходных
опорах, а также на опорах, заменяе-
мых вследствие повреждения грозовы-
ми разрядами. Для молниеотвода ис-
пользуют стальную линейную прово-
локу диаметром 4...5 мм, нижний ко-
нец которой отводится. Этот отвод
называют заземлителем. Длина отво-
да проволоки заземлителя (рис. 10.22)
зависит от характера грунта и может
быть равна 1...12 м. Глубина зале-
гания заземлителя равна 0,7 м. Чем
больше удельное сопротивление грун-
та, тем больше должна быть длина от-
вода заземлителя. На промежуточных
и угловых опорах обычно не делают отвода, а доводят проволоки
до комля столба.
Опоры, на которых установлены искровые или газонаполненные
разрядники, также защищаются молниеотводами. По условиям тех-
ники безопасности на опорах, имеющих пересечение или сближение
с ВВЛ, на высоте 30 см от земли на молниеотводе делается разрыв,
создающий искровой промежуток длиной 50 мм.
Эффективность молниеотвода тем больше, чем выше он располо-
жен. Зона защитного действия молниеотвода определяется примерно
по формуле S = 7r/i2, где h — высота молниеотвода.
10.2.4. Защита от грозы кабельных линий
Необходимость грозозащиты подземного кабеля связи определя-
ют расчетом по ожидаемому числу повреждений от ударов молнии
на 100 км трассы. Ожидаемое число повреждений может быть опре-
делено в зависимости от числа грозовых дней в году для каждой
местности.
Защитная способность кабелей связи от воздействия грозы, т.е.
их грозостойкость, характеризуется параметром добротности, Акм,
Q = U/R,
где U — электрическая прочность кабеля, кВ; R — сопротивление
оболочки постоянному току, Ом/км.
Чем больше U и меньше Я, тем выше грозостойкость кабеля.
Для различных типов кабелей грозостойкость характеризуется сле-
дующим данными, представленными в табл. 10.9.

382
Глава 10
Таблица 10.9
! Параметр
U, кВ
R, Ом/км
Q, А км
Тип кабеля
Симметричный
МКС
1,3
2,1
0,62
МКСА
1,3
0,4
3,24
МКСС
1,3
2,5
0,52
МКП
25
2,1
12
МКПА
25
0,4
62,5
Коаксиальный
КМ
3,7
1,5
2,46
КМА
3,7
0,3
12,3
Из приведенных данных следует, что наибольшей грозостойко-
стью обладают кабели со сплошной полиэтиленовой изоляцией в
алюминиевой оболочке. Такие кабели имеют высокую электриче-
скую прочность и малое сопротивление оболочки (высокое экрани-
рующее действие).
Из представленных в таблице кабелей лучше других симметрич-
ный кабель МКПА (Q = 62,5) и коаксиальный КМА (Q = 12,3).
Принято считать кабели грозостойкими, если их добротность дости-
гает 50. При более высокой добротности — порядка 80 и больше —
кабель считается полностью защищенным от воздействия грозовых
разрядов.
Если грозостойкость кабелей недостаточна, то их дополнительно
защищают с помощью биметаллических или стальных тросов.
Если кабельная трасса проходит вблизи отдельных деревьев
или вдоль леса при расстоянии между трассой и деревьями менее
15 м (удельное сопротивление грунта р < 300 Ом-м) и менее 50 м
(р ^ 300 Омм), между кабелем и деревьями (лесом) прокладывают
заземленные стальные тросы на всем протяжении участка. Для от-
дельных деревьев трос укладывают полудугой (рис. 10.23). Глубина
прокладки троса около 80 см. При прокладке кабеля на опушке леса
следует соблюдать оптимальное расстояние до деревьев.
В случае прокладки кабеля вдоль полотна ЭЖД или вдоль ме-
таллического трубопровода на расстоянии не более 8 м от них за-
щиту от ударов молнии можно не применять независимо от грозо-
вой активности и удельного сопротивления грунта. Защиту кабелей
от ударов молнии осуществляют с помощью биметаллических или
стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине,
равной половине его залегания, но не менее 0,4 м от поверхности
грунта (рис. 10.24).
Расстояние между тросами 0,4... 1,2 м. Тросы по всей длине че-
рез определенные интервалы должны иметь заземления. Число за-
щитных проводов или тросов определяют расчетным путем. Хоро-

Защита сооружений связи
383
0,4... 1,2 м
А/2
н§>
Рис. 10.23* Перехват токов молнии, попав- Рис. 10.24. Устройство грозо-
ших в дерево: 1 — кабель; 2 — защитный трос; защитных тросов: 1 — кабель;
3 — дерево 2 — тросы
шую грозозащиту дает также установка малогабаритных разрядни-
ков непосредственно в соединительных муфтах кабеля.
10.2.5. Экранирующие тросы
Радикальным средством защиты кабелей связи от воздействия
ВВЛ, ЭЖД, грозы и радиостанций является применение экранирую-
щих оболочек. Они полностью локализуют электростатическое вли-
яние и существенно снижают магнитное влияние.
Наряду с экранирующими оболочками защитное действие ока-
зывают также тросы, подвешиваемые на линиях (влияющих и под-
верженных влиянию), и рельсовые пути ЭЖД.

384
Глава 10
Принцип экранирующего дей-
ствия троса и рельса виден из
рис. 10.25.
При прохождении по ВВЛ тока
в тросе и в линии связи индуциру-
ются соответственно токи Дз и 1\2.
В свою очередь, ток /хз наводит в
линии связи ток 7з2, который нахо-
дится в противофазе с током 1\2 и
Рис. 10.25. Принцип экраниру- уменьшает его: /рез = 1\2 - /зг-
ющего действия троса (рельса) Таким образом, влияние при
наличии троса (/рез = 1\2 — h2) меньше, чем без троса (/рез = Дг).
Эффективность использования троса тем выше, чем меньше его со-
противление и лучше он заземлен. Экранирующее действие троса
имеет порядок 0,5...0,6, а рельсов — 0,4...0,5. Суммарное экранирую-
щее действие кабельной оболочки S0, троса ST и рельсов Sp опре-
деляется в виде S = SoSTSp.
10.2.6. Редукционные трансформаторы
Редукционные трансформаторы (РТ) являются эффективным
средством защиты от влияния высоковольтных линий (ВВЛ и ЭЖД).
Первичная I и вторичная II обмотки РТ имеют одинаковое число вит-
ков и намотаны на замкнутый железный сердечник. Первичная об-
мотка включается в разрез металлического покрова (оболочку, бро-
ню, экран) защищаемого кабеля 1-1, а вторичная — в разрез жил
кабеля 2-2 (рис. 10.26). Первичная обмотка РТ обычно выполняется
из медного изолированного проводника, поперечное сечение которого
не меньше общего эквивалентного поперечного сечения металличе-
ского покрова кабеля. Вторичная обмотка представляет собой пу-
чок изолированных друг от друга жил, по конструкции одинаковых
с жилами защищаемого кабеля.
Принцип действия РТ ясен из рис. 10.27. Ток высоковольтной
линии 1\ индуцирует ЭДС и токи в жилах кабеля (/12) и оболочке
(Дз). Ток в оболочке /13 в свою очередь через редукционный транс-
форматор наводит в жилах кабеля дополнительный ток /рт, проти-
воположно направленный по отношению к токам влияния в жилах
кабеля. Таким образом, за счет РТ ток помех в кабеле снижается
на величину тока трансформации:
/рез = 1\2 - ^РТ-
Экранирующий эффект (5) РТ зависит от их числа: при одном
РТ S = 0,3; при двух — 0,2; при трех — 0,15. Без РТ величина

Защита сооружений связи
385
ЩЮ
Рис. 10.27. Принцип действия редук-
Рис. 10.26. Редукционный трансфор- ционного трансформатора: 1 — ВВЛ;
матор 2 — кабель
S составляет 0,8...0,9. Отсюда следует, что наличие одного РТ дает
снижение помех в 3 раза, а при трех РТ помехи снижаются в 6 раз.
Дальнейшее увеличение числа РТ не дает существенной выгоды.
Экранирующий эффект РТ может быть определен по формуле
S = So6/[l + nZPT/(Zo6l)],
где 50б — экранирующее действие кабельной оболочки (0,8...0,9); п —
число РТ; Zpt — сопротивление первичной обмотки РТ, Ом; Z0& —
сопротивление кабельной оболочки, Ом; / — длина линии, км.
Конструктивно редукционный трансформатор выполнен в виде
металлического герметичного ящика и устанавливается в земле на
глубине прокладки кабеля. Масса редукционного трансформатора
100...500 кг.
10.2.7. Отсасывающие трансформаторы и контуры
Отсасывающие трансформаторы (ОТ) используются для умень-
шения магнитного влияния контактной сети ЭЖД переменного тока.
Первичная обмотка трансформаторной подстанции (ТП) включается
последовательно в контактный провод, вторичная обмотка — либо в
отдельный обратный провод, подвешиваемый на опорах контактной
сети, либо последовательно в рельсы (рис. 10.28,а,б).
Ток контактной сети, протекая по первичной обмотке, индуциру-
ет во вторичной обмотке почти противоположно направленный ток.
Благодаря этому ток, возникающий в обратном проводе, индуцирует
в подверженных влиянию цепях связи токи противоположного знака,
и тем самым результирующее влияние снижается. При включении
вторичной обмотки в рельсы ток значительно возрастает, что приво-
дит к увеличению защитного действия рельсов.

386
Глава 10
ТП
GJD^vtCaJJ C*-aJ
z.
К контактному проводу
т ■
-от
^szsz
i
и
\
~тп|
-и
►—
[от
а)
г^>
-А
\
-А
X 3
SS
Я X
о о
м 2
III IV
ш ш ш ш ш
ф
U
Рис. 10.28. Схема включения отсасывающего трансформатора с об-
ратным проводом (о) и без него (б); включения сглаживающих уст-
ройств (в): 1 — обратный провод; 2 — контактный провод; 3 — рельсы
Для сглаживания пульсаций напряжения на ЭЖД постоянного
тока используются реакторы с резонансными контурами, которые
включаются на подстанциях по схеме, показанной на рис. 10.28,е.
Реактор состоит из соединенных последовательно витков медно-
го провода, укрепленных в бетонных стойках. Активное сопротив-
ление реактора во избежание больших потерь электрической энер-
гии должно быть как можно меньше, индуктивное — больше. Ре-
зонансные контуры настраиваются в резонанс на соответствующие
гармоники пульсирующего напряжения и замыкают накоротко цепи
прохождения токов этих гармоник.
10.2.8. Устройство заземлений
Заземление — это устройство, состоящее из заземлителей и про-
водников, соединяющих заземлители с электрическими установками.
Заземлителем называют проводник или группу проводников, выпол-^
ненных из проводящего материала и находящихся в непосредствен-!
ном соприкосновении с грунтом. Заземлители могут быть любой фор-1
мы — в виде трубы, стержня, полосы, листа, проволоки и т.д. 1
В зависимости от выполняемых заземлениями функций разлин
чают рабочее, защитное и линейно-защитное заземления. |
В технике связи рабочим заземлением называют устройство,
предназначенное для соединения аппаратуры с землей, служащей
одним из проводников электрической цепи. К защитным относят-
ся заземления, предназначенные для соединения с землей приборов
защиты (молниеотводов, разрядников), а также металлических ча-
стей силового оборудования. Линейно-защитными заземлениями на-v

Защита сооружений связи
387
ж /г/г л?' 4[tf
d
HP
а)
Рис. 10.29. Конструкции за-
землителей: а — вертикальный;
б — горизонтальный; в — коль-
цевой; г — пластинчатый; д —
глубинный
/^#^##/
U
б)
z
Щ/Г J? ЛГ 4Г /<Г
D
♦ К
Э^
Hd
в)
/^ ЛУ ^ ЛУу/ //У
А Р|
Р2
д)
зывают устройства для заземления металлических оболочек и экра-
нов кабелей.
Отношение потенциала заземлителя к стекающему с него току
называется сопротивлением заземления: R^ = U3/I3. Сопротивле-
ние заземления зависит от удельного сопротивления грунта и пло-
щади соприкосновения заземлителей с землей. Нормы сопротивле-
ния заземлений для различных установок проводной связи приве-
дены в ГОСТ.
По своей конструкции заземлители разделяются на вертикаль-
ные стержневые, горизонтальные протяженные, кольцевые, пластин-
чатые и глубинные (рис. 10.29, а~д). Чаще всего применяются верти-
кальные заземлители трубчатого типа (рис. 10.30,а, б).
Узловая сталь
или труба
стальная
Рис. 10.30. Устройство трубчатых заземлений: а — одиночного; б — много-
электродного; 1 — проволока стальная диаметром 4...5 мм; 2— проволока пе-
ревязочная диаметром 2 мм

688
Глава 10
Исходя из требуемых величин сопротивления заземлителей,
необходимости получения достаточной механической прочности и
удобства обычно используют трубы диаметром 2,5...5 см и длиной
1,5...3 метра. Если сопротивление одного заземлителя, например при
одной трубе, велико, то заземлитель устраивают из нескольких труб,
соединенных между собой. Такой заземлитель называют многоэлек-
тродным (рис. 10.30,6).
Общее сопротивление многоэлектродного заземлителя уменьша-
ется не совсем пропорционально числу единичных заземлителей, со-
единенных параллельно, поэтому при расчете вводится поправочный
коэффициент Г], В этом случае R^n = Rs/iNrj), где TV — число труб;
т/ — поправочный коэффициент использования заземлителей, зави-
сящий от расстояния между заземлителями и их взаимного распо-
ложения (г) = 0,19...0,92).
10.3. Экранирование электрических кабелей
связи
10.3.1. Применение экранов различных конструкций
Наиболее радикальным средством защиты коаксиальных и сим-
метричных кабельных цепей от помех является их экранирование.
По конструкции и принципу действия различают экраны, защища-
ющие от внешних и от внутренних (взаимных) помех. Для защиты
от внешних помех кабель поверх сердечника покрывается металли-
ческими оболочками. Они, как правило, имеют сплошную цилин-
дрическую конструкцию и выполняются из свинца, алюминия или
стали (рис. 10.31).
Известны также конструкции двухслойных экранирующих обо-
лочек типа алюминий - свинец, алюминий - сталь и др. Приме-
няются также экраны ленточного типа преимущественно из алюми-
Рис. 10.31. Металлические обо-
лочки-экраны кабелей связи: а-~
сплошные (1 — гладкий; 2 —
гофрированный); б — ленточные
(1 — спиральный; 2 — продоль-
ный); в — оплеточные (1 — й3
плоских проволок; 2 — из крУг"
лых проволок)
\^///^///ф/////////фщ Щ
1 б)
£vwvvvvvvvvvvvvvvv АРМШШШНП

Защита сооружений связи
389
ниевых, медных, стальных лент,
накладываемых спирально или
продольно вдоль кабеля, и опле-
точные экраны преимущественно
из плоских и круглых проволок.
Экраны, защищающие от взаим- (медь-сталь-медь)
ных помех, являются составным
элементом самого кабельного сер- Ри<Г 10'32- Экранированный
_. кабель однокабельной связи
дечника. В этом случае цепи с вы-
соким уровнем передачи размещаются внутри экрана и обеспечивает-
ся возможность организации высокочастотной связи по однокабель-
ной системе (прокладывается один кабель). При однокабельной свя-
зи экраны электрически делят цепи прямого и обратного направле-
ний и исключают взаимные помехи, коаксиальных кабелях для обес-
печения требуемых норм помехозащищенности при однокабельной
связи внешний проводник выполняется биметаллическим (медь —
сталь). На рис. 10.32 показан симметричный кабель однокабель-
ной связи с разделенным экраном. Экран имеет трехслойную лен-
точную конструкцию (медь — сталь — медь) с толщиной слоев по
0,1 мм. В радиочастотных кабелях антенно-фидерного назначения
применяются экраны гибкой конструкции типа оплетки из медных
или стальных проволок.
10.3.2. Принципы экранирования в широком
диапазоне частот
В реальных условиях экранирования приходится считаться с воз-
действием как магнитных, так и электрических полей, причем в от-
дельных условиях может преобладать та или иная компонента поля.
Обычно поле имеет выраженный характер электрического или маг-
нитного вблизи своего источника — на расстоянии порядка длины
волны. Для частоты 109 Гц длина волны составляет 0,3 м, а для
частоты 106 Гц — 300 м. Поэтому во многих случаях экранирования
приходится иметь дело с преимущественным влиянием электриче-
ского или магнитного поля.
На расстоянии примерно более пяти-шести длин волн от источ-
ника поле принимает плоскую конфигурацию и распространяется в
виде плоской волны. Особенностью плоской волны является то, что
энергия в ней разделена на равные части между электрической и
магнитной компонентами.
Сильные магнитные поля, как правило, присущи цепям с низ-
ким волновым сопротивлением, большим током и малым перепадом

390
Глава 10
напряжений. Интенсивные электрические поля создаются в цепях с
большим сопротивлением, высоким напряжением и малым током.
Для плоской волны в свободном пространстве волновое сопро-
тивление равно Z^H = Zq = v/V^ — 376,7 Ом. Для поля с преобла-
дающей электрической компонентой волновое сопротивление суще-
ственно больше (Z^ > Zo), а для магнитного поля существенно мень-
ше (Z^ < Zo) значения волнового сопротивления для плоской волны.
В технике связи и радиоэлектронике принято оценивать экраны
не через коэффициент экранирования £, а через экранное затухание
А3, дБ, характеризующее величину затухания, вносимого экраном:
А9 = 201п(1/5).
Формула расчета Аэ справедлива в широком диапазоне частот от
нуля до СВЧ и при любом режиме использования экранов (электро-
магнитостатическом, электромагнитном, волновом). Формула расче-
та экранного затухания состоит из двух частей:
Аъ = Ап + Л0,
где Ап = 20In | chА:мА| — затухание поглощения; А0 = 201g|l +
+ 0,5(Zfl/ZM) th kMA\ — затухание отражения; км — \Jiujg — коэффи-
циент распространения в металле (коэффициент вихревых токов);
&д = МуДШ — коэффициент распространения в диэлектрике; Д —
толщина экрана; гэ — радиус экрана; ZA = y/fi/e — волновое со-
противление диэлектрика плоской волны; ZM = y/iujfi/a — волно-
вое сопротивления метала.
Затухание поглощения обусловлено тепловыми потерями на вих-
ревые токи в металле экрана. Чем выше частота и толще экран, тем
больше Ап. Затухание отражения связано с несоответствием вол-
новых характеристик металла, из которого изготовлен экран (ZM), и
диэлектрика, окружающего экран (ZA). Чем больше различие между
ZM и ZA, тем сильнее эффект затухания отражения. Величина зату-
хания поглощения Ап практически не зависит от вида поля и имеет
однозначное значение для всего диапазона частот — от 0 до СВЧ.
Затухание отражения А0 и, в первую очередь, волновое сопротив-
ление диэлектрика ZA различны для разных режимов и частотных
диапазонов использования экранов.
Из приведенных формул видно, что частотная зависимость вол-
новых сопротивлений диэлектриков для магнитного и электрическо-
го полей имеет принципиально различный характер. Величина Za
растет, a Z^, имея бесконечное значение при / = 0, затем падает. По
абсолютной величине Z^ > Z0 > Z^. В волновой зоне свыше 109 Гц

Защита сооружений связи
391
значения Z^ и Z^ имеют колебательный характер. Волновое сопро-
тивление металла растет по закону корня из частоты, а волновое
сопротивление плоской волны постоянно и равно 376,7 Ом.
Известны три характерные частотные области, соответствующие
различным режимам работы экранов:
• низкочастотная, соответствующая электромагнитостатическому
режиму работы;
• высокочастотная, соответствующая электромагнитному режиму;
• сверхвысокочастотная область, соответствующая волновому ре-
жиму.
Рассмотрим более подробно принцип действия экранов и их ос-
новные характеристики при использовании в различных режимах.
10.3.3. Электромагнитостатическое экранирование
Электромагнитостатический режим характеризует стационар-
ные и статические поля и распространяется на диапазон частот до
4 кГц. В этой частотной области экраны действуют по принципу за-
мыкания соответствующих полей вследствие повышенной электро- и
магнитопроводности металлов. В данном случае для расчета экра-
нов могут быть использованы уравнения Максвелла в стационарном
режиме rot Я = оЕ и rotE = 0.
Электростатическое и магнитостатическое экранирования име-
ют принципиальное различие.
Электростатическое экранирование обеспечивает экранирующий
эффект, равный бесконечности при постоянном поле (/ = 0), ко-
торый с ростом частоты уменьшается. Это обусловлено частотной
зависимостью волнового сопротивления диэлектрика относительно
электрического поля Z^ = 1/(шегэ) и природой экранирования ста-
тического электрического поля.
Электростатическое экранирование состоит в замыкании элек-
трического поля на поверхности металлической массы экрана и пе-
редаче электрических зарядов на землю или корпус прибора. Если,
например, между проводом а, несущим помеху, и проводом 5, подвер-
женным влиянию, поместить экран, соединенный с землей и корпу-
сом прибора, то экран будет перехватывать электрические силовые
линии, защищая провод б от помех (рис. 10.33).
Обязательным условием высокой эффективности электростати-
ческого экранирования является металлизация экрана, т.е. соедине-
ние его с корпусом прибора или землей. Исходя из природы элек-
тростатического экранирования, любой металлический экран (медь,
сталь, алюминий, свинец) одинаково полно локализует поле помех и

392
Глава 10
Рис. 10.33. Электростатическое экранирование: Рис. 10.34. Магнитоста-
а — экран не заземлен; б — экран заземлен тическое экранирование
играет роль электрического экрана. Причем здесь не предъявляется
особых требований к типу металла, его толщине и проводимости.
Относительно магнитостатических полей стальной и медный
экраны ведут себя совершенно по-разному. ."Это связано с природой
магнитостатического экранирования.
Магнитостатическое экранирование основано на замыкании маг-
нитного поля в толще экрана, происходящем вследствие его повышен-
ной магнитопроводности. Как видно из рис. 10-34, магнитный поток,
создаваемый проводом а, несущим помехи, замыкается в толще маг-
нитного экрана и лишь частично проникает в экранированное про-
странство. Эффективность магнитостатического экранирования тем
больше, чем больше его магнитная проницаемость /j, и больше тол-
щина экрана Д. С увеличением радиуса магнитостатического экрана
гэ его эффективность снижается.
Для получения надежного магнитостатического экранирования
стенки экрана приходится делать сравнительно толстыми или при-
менять составной экран из нескольких слоев металлов с большой
магнитной проницаемостью {ц, ~Э> 1). Немагнитные металлы (медь,
алюминий, свинец) не способны концентрировать магнитные силовые
линии и не могут играть роль магнитостатического экрана.
Магнитостатические экраны эффективны лишь при постоянном
токе и в диапазоне низких частот. С увеличением частоты возрас-
тает роль вихревых токов в экране, происходит вытеснение магнит-
ного поля из толщи экрана и его повышенная магнитопроводность
теряет свое значение.
В области высоких частот магнитный (стальной) экран меняет
режим своей работы с магнитостатического на электромагнитный,
действующий по принципу возникновения вихревых токов в толще
экрана. Немагнитный (медный) экран во всем диапазоне частот от

Защита сооружений связи
393
нуля действует в электромагнитном режиме, поэтому его эффектив-
ность в области низких частот весьма мала.
10.3.4. Электромагнитное экранирование
Рассмотренные выше электростатические и магнитостатические
экраны, действующие по принципу замыкания соответствующих по-
лей вследствие повышенной электро- и магнитопроводности их мате-
риалов эффективны лишь в области низких частот. Действие элек-
тромагнитных экранов может быть представлено как многократное
отражение электромагнитных волн от поверхности экрана и затуха-
ние высокочастотной энергии в металлической толще экрана. Зату-
хание энергии в экране обусловлено тепловыми потерями на вихре-
вые токи в металле. Отражение энергии связано с несоответствием
волновых характеристик диэлектрика и металла, из которого изго-
товлен экран. Чем больше отличаются между собой волновые со-
противления диэлектрика и металла, тем сильнее эффект экранного
затухания за счет отражения. Это объяснение соответствует физи-
ческой сущности рассматриваемого процесса экранирования.
Прохождение электромагнит-
ной энергии через экран представле-
но на рис. 10.35. Электромагнитная
энергия W, достигнув экрана, ча-
стично проходит через него, затухая
при этом в толще экрана, и частич-
но отражается от него (W0i, первая
граница «диэлектрик - экран»). На
второй границе «экран - диэлек-
трик» энергия вторично отражается
(Wfo) и лишь оставшаяся часть про-
никает в экранированное простран-
ство. Следовательно, энергия при
прохождении через экран уменьша-
ется от W до \УЭ. Нужно иметь в
виду, что в данном примере явление
отражения представлению несколь-
ко упрощенно. В действительности будет иметь место процесс мно-
гократного отражения энергии от границ «диэлектрик - экран - ди-
электрик».
Электромагнитное экранирование может осуществляться с по-
мощью немагнитных и магнитных оболочек, но из-за потерь, вноси-
мых экраном в цепь передачи, немагнитным металлам (медь, алюми-
Рис. 10.35. Прохождение
электромагнитной энергии че-
рез экран: W — поле помех;
Woi и Wq2 — отраженные по-
ля; W3 — поле за экраном

394
Глава 10
ний) отдается предпочтение. В определенной области частот наилуч-
ший эффект дают многослойные комбинированные экраны, состо-
ящие из последовательно чередующихся слоев магнитных и немаг-
нитных металлов.
Электромагнитное экранирование охватывает частотный диапа-
зон от 103...104 до 108...109 Гц. Для этой частотной области справед-
ливы уравнения Максвелла в квазистационарном режиме (без учета
токов смещения): rotH = aE и rot£* = —iujfi^H.
10.3.5. Волновой режим экранирования
Волновой режим экранирования распространяется на диапазон
сверхвысоких частот: от 109...1010 Гц и выше, охватывая область де-
циметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.
Пределом разграничения электромагнитного и волнового режи-
мов является соизмеримость длины волны А с диаметром экрана
Пэ. При А < Дэ наступает волновой режим экранирования. В этом
случае наряду с токами проводимости надлежит учитывать также
токи смещения и исходить из полных уравнений электродинамики:
xotE = —iujfiaH и rot Я = aE + iue&E.
Если при рассмотрении электромагнитных экранов надлежит
оперировать основной волной Т, то для экранов в волновом режиме
необходимо учитывать волны высшего порядка Е и Н. Особенно-
стью волнового режима является колебательный волновой характер
изменения экранного затухания от частоты. Это связано с природой
электромагнитного поля сверхвысоких частот, когда X < D9.
Расчет экранов в волновом режиме относительно электрических
и магнитных полей производится по полной формуле Аэ = Ап + А0.
В этой формуле экранное затухание поглощения одинаково для элек-
трического и магнитного полей. Экранное затухание отражения Д,
за счет разницы в значениях и различно для электрического и маг-
нитного полей.
Изменения затуханий экранирования Аэ и отражения А0 в диа-
пазоне свыше 109 Гц носят колебательный характер. Физически дан-
ное явление связано с резонансными явлениями при А < Иэ и сви-
детельствует о волновой природе электромагнитного поля на СВЧ.
Математически это обусловлено наличием в формулах расчета Аэ
(СВЧ) цилиндрических функций первого (J\) и третьего (Н\) родов.
Они придают затуханию колебательный характер. При этом в опре-
деленных точках, соответствующих нулевым координатам функции
3\, провалы характеристики достигают минус бесконечности.

Защита сооружений связи
395
10.3.6. Принцип действия магнитных и немагнитных
экранов
Магнитные экраны при постоянном токе и в области низких ча-
стот действуют как магнитостатические по принципу замыкания маг-
нитного поля в толще экрана вследствие повышенной магнитопро-
водности последнего (/х = 100 и выше). С ростом частоты возрастает
роль вихревых токов, магнитное поле вытесняется из толщи экрана
и его повышенная магнитопроводность теряет свое значение. Экран
переходит в электромагнитный режим работы и действует так же,
как немагнитный экран, — за счет вихревых токов в толще экра-
на. Немагнитные экраны во всем частотном спектре действуют как
электромагнитные, т.е. по принципу возникновения в них вихревых
токов. При постоянном токе они не обладают электромагнитными
экранирующими свойствами. С ростом частоты экранирующий эф-
фект возрастает.
График частотной зависимости экранного затухания магнитного
и немагнитного экранов приведен на рис. 10.36.
На графике видны три характерные частотные зоны. В первой
зоне от 0 до /i = 3...10 кГц магнитный экран работает в магнитоста-
тическом режиме и обладает лучшими экранирующими свойствами,
чем немагнитный экран. Во второй и третьей зонах оба экрана на-
ходятся в электромагнитном
режиме. Но во второй зоне
от /i до /2 « 106 Гц немаг-
нитный экран имеет больший
экранирующий эффект, чем
магнитный, а в третьей зоне
от /2 > 106 Гц и выше из гра-
фика явно видно превосход-
ство стального экрана. Это
обусловлено тем, что магнит-
Рис. 10.36. Эффективность экра-
нирования немагнитных (1) и маг-
нитных (2) экранов
Аг, дБ Нп
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 / МГц
Рис. 10.37. Экранное затухание поглоще-
ния Ап и отражения А0 медного и стального

396
Глава 10
ные экраны хорошо поглощают энергию и очень плохо отражают ее
(Ап > Л0). У немагнитных материалов, наоборот, А0 > Ап. Частота
0,8...1 МГц является частотой раздела, ниже которой преобладает за-
тухание отражения над затуханием поглощения (А0 > Ап), а выше —
наоборот (Ап > А0). Поэтому в нижней области частот, где экрани-
рующий эффект определяется затуханием отражения, медный экран
заметно эффективнее стального. В области высоких частот (0,8... 1
МГц и выше), где начинает преобладать затухание поглощения, луч-
ше применять стальной экран. Это положение наглядно иллюстриру-
ется рис. 10.37, где приведен расчет значений Ап, А0, Аэ для медного
и стального экранов толщиной 0,1 мм.
10.3.7. Экранирующий эффект с учетом
продольных токов
Выше рассматривалось действие экранов относительно попереч-
ных электромагнитных полей и создаваемых ими вихревых токов в
толще экрана. Учитывался суммарный эффект от поглощения энер-
гии в толще экрана и отражения на границах «металл— диэлектрик»
(Аэ = Ап + А0). В реальных условиях использования кабелей связи
необходимо учитывать также действие продольных токов, обуслов-
ленных наличием третьей цепи (рис. 10.38): «экран (оболочка) —
земля» (Апр).
Отличие процесса экранирования
\к у ° при непосредственном влиянии от вли-
^ \^г яния через третьи цепи заключается в
ВР ~7Г?\ следующем: в первом случае в экране
происходят микропроцессы — наведе-
ние вихревых токов, поэтому несуще-
-^ —n | ственны условия нагрузки и заземле-
~ ния экрана; во втором случае в экране
Рис. 10.38. Составляющие происходят макропроцессы — наведе-
экранирования с учетом ние продольных токов в цепях «экран
продольных токов (А„р) (оболочка) — земля», поэтому здесь
весьма существенны параметры цепей, их нагрузки и условия за-
земления.
Следует различать эффективность экранов, предусмотренных
для защиты от внешних источников помех и от взаимных влияний
между цепями, расположенными в общем кабеле. При защите от
внешних помех существенное значение играют третьи цепи («оболоч-
ка — земля»). Здесь велика роль составляющей продольных токов
и надо учитывать действие как вихревых (А,), так и продольных

Защита сооружений связи
397
(Апр) токов. Для цепей, расположенных в общем кабеле, превали-
рует эффект вихревых токов, и в первом приближении он и опреде-
ляет защитное действие экрана.
В общем случае к третьим цепям относятся не только экраны и
оболочки, но и тросы, рельсы, соседние проводники и другие протя-
женные металлические устройства. Схематично принцип действия
третьих цепей состоит в следующем. Ток помех Д, протекающий
в первой цепи, индуцирует во второй цепи ток Ь ив третьей це-
пи ток Дз- Последний в свою очередь индуцирует во второй цепи
ток обратного направления /32 • В результате во второй цепи будет
действовать разностный ток 1\2 — /32? который меньше, чем ток без
третьей цепи (/12)-
Следует иметь в виду, что в общем случае третьи цепи могут
как уменьшать, так и увеличивать мешающее влияние. Это зави-
сит от соотношения фазовых параметров, с которыми складываются
токи в цепи, подверженной влиянию (Ji2 и /32)- Как правило, по-
ложительный эффект экранирования третьих цепей для защиты от
внешних помех достигается при их хорошем заземлении, малом элек-
трическом сопротивлении и наличии хорошей взаимной индуктив-
ности между цепями. Установлено, что кабельные оболочки всегда
улучшают экранирующий эффект и тем больше, чем меньше вели-
чина сопротивления связи Z\2 и чем лучше выполнено заземление
оболочки по длине.
Таким образом, результирующее экранное затухание ^4рез опре-
деляется экранированием от вихревых (Аэ) и продольных (Апр) то-
ков, протекающих в оболочке кабеля. Формулы расчета Аэ приведе-
ны выше. Величина Апр, дБ, может быть рассчитана по формуле
Anp = 201g|l + tu;LBm/2'o6|,
где LBU1 — внешняя индуктивность цепи «оболочка — земля», рав-
ная примерно 2 • 10~6 Гн/м; Zqc = ZM/(2nr)thkA — сопротивление
оболочки, Ом/м; ZM = y/iu^/cr; r —радиус оболочки; к = у/гйцш\
А — толщина оболочки.
Для низких частот сопротивление оболочки равно сопротивле-
нию постоянного тока Z0e = l/(2nraA). Эта формула справедли-
ва для немагнитных экранов примерно до 10 кГц, а для магнит-
ных — до 1 кГц.
На рис. 10.39 приведены расчетные значения экранного затуха-
ния продольных токов Апр. Здесь же для сравнения даны значения
Аъ для медного экрана. Из рисунка видно, что с увеличением часто-
ты величины Арез и Аэ возрастают, а Аир медленно уменьшается и
по абсолютной величине составляет 16..20 дБ.

398
Глава 10
Л, дБ
60
50
40
30
20
10
0
Расчеты показывают, что при-
мерно до частот 15...20 кГц превали-
рует затухание за счет продольных
токов Апру выше этого диапазона —
вихревых токов Аэ.
Учитывая, что защита от внеш-
них помех определяется результи-
рующим экранирующим эффектом
2Q 40 60 уГкГц А>ез = Лэ - AiP, а при защите от
^"^
<+Ач\
А, 1
hJ
взаимных помех достаточно в пер-
вом приближении учитывать лишь
АЭу можно признать, что экраниру-
ющая оболочка в режиме защиты от
внешних помех эффективнее, чем в режиме защиты от взаимных
помех.
Рис. 10.39. Экранирую-
щее действие поперечных
Аь и продольных А„р токов
10.3.8. Экранирующие характеристики
многослойных экранов
Электромагнитные экраны комбинированной многослойной кон-
струкции применяются в том случае, когда необходимо высокое экра-
нирующее действие. Они состоят преимущественно из последова-
тельно чередующихся немагнитных (медь, алюминий) и магнитных
(сталь, пермаллой) слоев. Особенностью таких экранов являются
высокая экранирующая эффективность и сравнительно малые поте-
ри энергии в экране. Эти преимущества объясняются следующим.
При рассмотрении электромагнитного действия однородных экранов
было установлено, что экранирующий эффект определяется совмест-
ным действием экранирования поглощения Ап и экранирования отра-
жения А0 на границах диэлектрик - металл — диэлектрик. Эффект
отражения обусловлен несоответствием волновых характеристик со-
прягаемых сред (ZA и ZM), и чем больше это несоответствие, тем боль-
ше экранирующее действие. В данном случае энергия помех, встре-
чая на своем пути такое электрическое несоответствие (Z^ ф ZM),
частично отражается и лишь частично проходит в экранированное
пространство. Это явление послужило исходным моментом для кон-
струирования и применения многослойных комбинированных экра-
нов. В многослойном экране, составленном из металлов с различны-
ми волновыми сопротивлениями ZM, действует целая система таких
многократных отражений от границ электрических несоответствий
(ZM\ ф Zm2 Ф ZMs и т.д.). Поэтому экран, состоящий из нескольких
тонких слоев различных металлов, будет обладать большей эффек-
тивностью экранирования по сравнению с однородным экраном эк-

Защита сооружений связи
399
Рис. 10.40. Частотная зависимость
экранного затухания трехслойных
экранов: 1 — медь - сталь - медь
(/х = 200); 2 — медь - сталь -
медь (jj, = 100); 3 — аллюминий -
сталь - алюминий; 4 — медь - сви-
нец - медь; 5 — медь - алюминий ~
медь; 6 — свинец - сталь - свинец
ЛЭ,ДБ
69,5
52,1
34,7
17,4
ЬНп
Г 8
Г 6
г4
V 2
А
У
Л
г
у
^
^>
4*>~~
^
1^
^
Ч
\\
^5
^б
eZ J
J20 40 60 80 100 120/кГц
вивалентной толщины. Как видно из рис. 10.40, трехслойный экран
обладает высокой эффективностью экранирования.
Существенным является порядок расположения слоев, их элек-
трическое сочетание, соотношение толщин слоев, а также место по
отношению к влияющей цепи. Так, сочетание сталь - медь - алю-
миний дает заметно меньший эффект, чем медь - сталь - алюминий.
Если внешние слои многослойного экрана выполнены из немагнит-
ных материалов, то потери в нем сравнительно невелики.
Частотные зависимости экранного затухания трехслойных экра-
нов, представленные на рис. 10.40 для различных сочетаний метал-
лов (меди, стали, алюминия, свинца) толщиной 1 мм, показывают,
что лучшие результаты имеют сочетания медь - сталь - медь, за-
тем алюминий - сталь - алюминий и на последнем месте свинец -
сталь - свинец.
10.4. Коррозия кабельных оболочек и меры
защиты
10.4.1. Виды коррозии
Коррозия — процесс разрушения металлических оболочек ка-
белей (свинцовых, стальных, алюминиевых), а также защитных и
экранирующих покровов (стальной брони, медных и алюминиевых
экранов) вследствие химического, механического и электрического
воздействий окружающей среды. Различают следующие виды корро-
зии: почвенную (электрохимическую), межкристаллитную (механи-
ческую) и электрокоррозию (коррозию блуждающими токами).

400
Глава 10
Коррозия оболочек приводит к потере герметичности кабелей
связи, ухудшению их электрических свойств и в ряде случаев выво-
дит кабель из строя. Разрушающее действие коррозии характеризу-
ется следующими данными: 1 А блуждающего в земле тока приводит
к потере в течение года 12 кг стали, 36 кг свинца, 100 кг алюминия.
В зависимости от характера взаимодействия оболочки кабеля и
почвы, в которой он находится, а также от прохождения блужда-
ющего тока, вдоль кабеля образуются анодные, катодные или зна-
копеременные зоны.
Анодной зоной называется участок кабеля, па котором он имеет
положительный электрический потенциал по отношению к окружа-
ющей среде. В этой зоне токи стекают с оболочки, унося частицы
металла и разрушая ее.
Катодной зоной называется участок, на котором он имеет отри-
цательный электрический потенциал по отношению к окружающей
среде. В этой зоне ток втекает в оболочку, не создавая опасности
ее разрушения.
Знакопеременной зоной называется участок, на котором имеет
место чередование положительных и отрицательных потенциалов по
отношению к земле.
Скорость коррозии зависит от тока, протекающего между анодом
и катодом, и природы процессов. Ее можно определить по формуле
v^ к uK~ua
Sa R
где UK и f/a — катодный и анодный потенциалы; Sa — площадь анод-
ного участка; R — внутреннее сопротивление цепи; к — коэффици-
ент, определяемый числом Фарадея.
10.4.2. Почвенная коррозия
Почвенной коррозией называется процесс разрушения металли-
ческой оболочки кабеля, вызванный электрохимическим взаимодей-
ствием металла с окружающей его почвой. Основные причины, вызы-
вающие почвенную коррозию: содержание в почве влаги, органиче-
ских веществ, солей, кислот, щелочей, неоднородность оболочки ка-
беля, неоднородность химического состава грунта, соприкасающегося
с оболочкой кабеля, неравномерное проникание кислорода воздуха к
оболочке кабеля. В результате на поверхности металла образуются
гальванические пары, что сопровождается циркуляцией тока между
металлом и окружающей средой (рис. 10.41). В местах выхода токов
из оболочки кабеля в грунт образуются анодные зоны, в которых и
происходит разрушение оболочки.

Защита сооружений связи
401
\2 / s 1 ш ! nil
Рис. 10.41. Почвенная коррозия: ^
ф — анодная зона; 0 — катодная зо- Рис. 10.42. Интенсивность коррозии
на; 1 — оболочка кабеля; 2 — токи при разных удельных сопротивлениях
коррозии грунтов
Известна также биологическая коррозия, обусловленная воздей-
ствием микроорганизмов (бактерий), которые, изменяя химический
состав почвы, ускоряют процесс коррозии.
Интенсивность коррозии зависит от степени агрессивности сре-
ды, которая характеризуется двумя параметрами: удельным сопро-
тивлением грунта р и химической характеристикой грунта по кислот-
ному содержанию рН (рН — это кислотное число, характеризующее
число ионов водорода в единице объема грунта).
По удельному сопротивлению грунты подразделяются на три ка-
тегории (рис. 10.42):
• низкоагрессивные (песчаные, глинистые, каменистые);
• среднеагрессивные (суглинистые, лесные, слабый чернозем);
• высокоагрессивные (торф, известь, чернозем, перегной, мусор).
Третья категория грунтов весьма опасна для металлических обо-
лочек в коррозионном отношении.
По химическому содержанию (кислотному числу рН) грунты
также делятся на три категории (рис. 10.43):
• рН = 5 — кислотные грунты, содержащие растворы серной, азот-
ной, соляной кислот (торф, перегной, чернозем, отходы произ-
водства и др.);
• рН = 5... 10 — нейтральные грунты (песок, глина, скала);
• рН = 10... 15— щелочные грунты, содержащие растворы кальция,
натрия, калия, фосфора и др. (известь, удобрения, зола и т.д.).
На рис. 10.44 показана агрессивность грунтов различных кате-
горий. Следует иметь в виду, что различные металлы по-разному
ведут себя в различных грунтах.
Свинец разрушается главным образом в щелочных средах, а так-
же в кислотных средах при потенциале выше 1,5 В.
Алюминий подвержен весьма интенсивной коррозии в обеих сре-
дах. На сталь весьма агрессивно действует кислотная среда и мень-
ше влияет щелочная.

402
Глава 10
Рис 10.43. Интенсивность коррозии Рис. 10.44. Подверженность коррозии
в зависимости от химического содержа- различных металлов: I — кислотных;
ния грунтов: I — кислотные; II — ней- II — нейтральных; III — щелочных
тральные; III — щелочные
10.4.3. Межкристаллитная коррозия
Межкристаллитная коррозия возникает вследствие вибрации ка-
беля при его транспортировке на значительные расстояния, проклад-
ке кабеля вблизи железных дорог с большим грузовым движением,
на мостах автомобильных и железных дорог, а также при подвес-
ке на опорах воздушных линий. В свинцовой оболочке кабеля при
межкристаллитной коррозии появляются мелкие трещины, которые,
увеличиваясь за счет продуктов коррозии, приводят к дальнейшему
разрушению металла и распаду некоторых участков оболочки.
10.4.4. Электрическая коррозия
Электрокоррозия — это процесс разрушения металлической обо-
лочки кабеля из-за блуждающих токов в земле. Источниками блуж-
дающих токов могут быть рельсовые пути трамвая, электрифициро-
ванных железных дорог, метрополитена, установок дистанционного
питания, использующих в качестве обратного провода землю.
На ЭЖД и трамвайных сетях питающий ток, возвращаясь по
рельсам к питающей подстанции, частично ответвляется в землю.
Проходя по земле и встречал на своем пути металлическую оболочку
кабеля, ток распространяется по этой оболочке (рис. 10.45), а затем
сходит с оболочки в землю и к рельсу, чтобы возвратиться к другому
полюсу генератора. Участки кабеля, на которых блуждающие токи
входят из земли в кабель, образуют катодную зону; участки кабеля,
на которых блуждающие токи выходят из кабеля в землю, образуют
анодную зону, где и происходит разрушение оболочки кабеля.
На междугородных кабельных линиях может применяться ди-
станционное питание усилительных пунктов по системе «провод -
земля». При этом ток, стекающий с заземлителя, частично попада-
ет на оболочку кабеля, образуя катодную зону, а затем на некотором
удалении этот ток стекает с оболочки в землю, образуя анодную зону.

Защита сооружений связи
403
Рис. 10.45. Схема прохождения блуждающих токов: 1 — контакт-
ный провод; 2 — питающая подстанция; 3 — рельсы; 4 — кабель
a v' .7? 2
"X
етз/ t(?+ ета*
ч\\
^ „\>\ ///^,
Анодная зона (постоянная) Анодная зона (переменная)
а) б)
Рис. 10.46. Варианты заземления источников питания: о — за-
земление отрицательного электрода: б — заземление положитель-
ного электрода; 1 — контактный провод; 2 — рельс; 3 — кабель
Интенсивность электрокоррозии металлической оболочки зави-
сит от тока и напряжения в ней. По действующим нормам на-
пряжение и плотность тока не должны превышать: UK < —0,9 В;
1К < 0,15 мА/дм2. При больших значениях UK и JK требуется за-
щита кабеля от коррозии.
На электрифицированном транспорте возможны два варианта
заземления источников питания (рис. 10.46): заземление отрицатель-
ного электрода (трамвай, метрополитен, ЭЖД); заземление положи-
тельного электрода (пригородная железная дорога).
В первом случае однозначно известна анодная зона — зона раз-
рушения кабеля и можно осуществлять его защиту. Во втором случае
анодная зона перемещается вдоль кабеля вместе с движением элек-
тропоезда. Кабель подвержен опасности разрушения на всем пути,
и трудно реализовать защитные меры. Поэтому необходимо иметь
заземление отрицательного электрода источников питания.
10.4.5. Расчет потенциалов и токов, возникающих
на кабельной оболочке за счет блуждающих токов
Расчет потенциалов и токов на металлической оболочке подзем-
ного кабеля обычно производят с целью оценки опасности коррозии

404
Глава 10
блуждающими токами. Оценив опасность электрокоррозии, можно
предварительно наметить мероприятия по защите. Однако вслед-
ствие целого ряда причин точно расчитать искомые величины, ха-
рактеризующие опасность электрокоррозии, практически невозмож-
но. Сложность расчета объясняется тем, что ряд величин, входящих
в расчетные формулы, не поддается точному учету. К таким вели-
чинам относятся, в первую очередь, удельное сопротивление земли и
переходное сопротивление между подземным сооружением и землей.
Для определения потенциала оболочки кабеля эквивалентный
рельсовый цилиндр и оболочку кабеля представляют в виде беско-
нечно большой суммы бесконечно малых отрезков, каждый из ко-
торых эквивалентен точечному заземлителю. Если с каждого тако-
го заземлителя стекает ток, то потенциал любой точки среды бу-
дет равен сумме потенциалов, создаваемых каждым заземлителем
в отдельности.
Потенциал любой точки оболочки кабеля будет равен сумме трех
потенциалов: {/о, создаваемого элементарным точечным заземлите-
лем на рельсах при х = 0, в который входит ток /о; ^ь создава-
емого токами утечки с рельсов; U^ создаваемого токами утечки с
оболочек кабеля. Решая данную задачу, можно получить прибли-
женное выражение для определения потенциала оболочки кабеля в
любой точке, В/м.
Определив потенциал оболоч-
ки UK(x) в различных участках ка-
беля по длине, рассчитывают ток
утечки на этих участках 1к{х) =
= UK{x)/RoK, где Док — переходное
сопротивление участка «оболочка
кабеля - земля».
По результатам расчета стро-
ят диаграмму потенциалов и по-
верхностных плотностей тока в раз-
личных участках длины кабеля
(рис. 10.47). Участки кабеля, в ко-
торых нарушается норма коррози-
онной опасности (UK ^ —0,9 Ви/К ^ 0,15 мА/дм2), подлежат спе-
циальной защите от коррозии.
Опасная зона
0,15
Рис. 10.47. Распределение потен-
циалов и токов на оболочке кабеля
10.4.6. Меры защиты от коррозии
Защитные меры от коррозии оболочек кабелей связи произво-
дятся как на установках электрифицированного транспорта, так и

Защита сооружений связи
405
на сооружениях связи. На электрифицированном транспорте осу-
ществляют следующие меры защиты:
• уменьшают сопротивление рельсов путем качественной сварки
стыков;
• улучшают изоляцию рельсов от земли (полотно из гравия, щеб-
ня, песка);
• переполюсовывают источники питания так, чтобы заземлялся
минусовой электрод.
10.4.7. Электрический дренаж
Электрический дренаж — это отвод блуждающих токов с защи-
щаемого кабеля посредством проводника. Дренаж подключается к
кабелю в середине анодной зоны, т.е. там, где кабель имеет наи-
больший положительный потенциал по отношению к земле. Блуж-
дающие токи по дренажному кабелю отводятся из оболочки защи-
щаемого кабеля к рельсам или минусовой шине, питающей подстан-
ции. В результате анодная зона на кабеле превращается в катод-
ную (рис. 10.48,а).
При необходимости устанавливают несколько дренажей с тем,
чтобы на всем сближении кабелей связи с ЭЖД оболочка имела от-
рицательный потенциал. Такие дренажи называют прямыми элек-
трическими. Прямой электрический дренаж имеет наибольший по-
ложительный потенциал по отношению к земле только в устойчи-
вых анодных зонах, например при защите междугородного кабеля от
блуждающих токов дистанционного питания.
В зонах, где наблюдается изменение знака потенциала оболоч-
ки относительно земли, применяют дренажи односторонней прово-
димости, так называемые поляризованные дренажи. В дренажную
цепь включается вентиль, диод или поляризованное реле, обладаю-
щее односторонней проводимостью. В результате ток течет только
от оболочки кабеля к питающей подстанции ЭЖД.
(Г
2
\
/I м I I К
^"П МП^
к
ML
\г
С дренажом
а)
Рис. 10.48. Электрический дренаж: а — принцип действия; б— потенциал
на кабеле; 1 — контактный провод; 2 — рельс; 3 — кабель; 4 — дренаж

406
Глава 10
Рис. 10.49. Схема поляризо-
ванного дренажа ПГД: Д — ди-
од; А — амперметр; R — рези-
стор; К — ключ; СУ — сигналь-
ное устройство; 1 — кабель; 2 —
рельс
Для кабелей связи применяются поляризованные дренажи. Про-
мышленностью выпускается до 20 типов поляризованных дренажей.
На рис. 10.49 показана схема поляризованного дренажа ПГД.
10.4.8. Катодные станции
Принцип действия катодной защиты состоит в том, что к обо-
лочке кабеля, имеющей положительный потенциал по отношению к
земле (анодная зона), присоединяют отрицательный полюс от посто-
роннего источника тока, тем самым придавая оболочке отрицатель-
ный потенциал. Таким образом, напряжение источника тока пере-
водит анодную зону на оболочке кабеля в катодную. Положитель-
ный полюс источника тока заземляют. Принцип работы катодной
защиты показан на рис. 10.50.
Для катодной защиты применяются катодные станции, представ-
ляющие собой выпрямительное устройство с селеновыми выпрямите-
лями или германиевыми диодами. Выпускаются катодные станции с
встроенными выпрямителями, имеющими плавную или ступенчатую
регулировку выпрямительного напряжения.
Эффективным мероприятием по защите от коррозии кабельных
оболочек является применение автоматических катодных станций
(например, АСКЗ-1200), обеспечивающих автоматическое поддержа-
ли
Без катодной
станции
С катодной
©\ станцией
б)
Рис. 10.50. Катодная установка: а—принцип действия;
б — потенциал на кабеле
~ 127/220 В
9 <?
Рис. 10.51. Прин-
ципиальная схема ка-
тодной станции: 1 —
кабель; 2 — рельс

Защита сооружений связи
407
ние защитного потенциала в заданном диапазоне. Принципиальная
схема КС-400 показана на рис, 10.51.
Вследствие сравнительно больших эксплуатационных расходов
катодные станции используются преимущественно для совместной
защиты нескольких подземных сооружений и главным образом для
защиты от коррозии блуждающими токами.
10.4.9. Протекторные установки
Протекторная защита по существу аналогична катодной защите,
только в данном случае для создания отрицательного потенциала
на оболочке кабеля используется не посторонний источник тока, а
ток, появляющийся за счет разности электрохимических потенциа-
лов при соединении различных металлов (меди — 0,377; свинца —
0,126; стали — 0,44; алюминия — 1,66; магния — 2,37). Этот ток
направлен от более высокого потенциала к более низкому. В ре-
зультате его действия разрушению подвергается металл с более низ-
ким потенциалом. Обычно для протекторных электродов (протек-
торов) используются магниевые сплавы МЛ, состоящие из магния,
алюминия и цинка. Электрод представляет собой цилиндр дли-
ной 600...900 мм, диаметром 150...240 мм с контактным стальным
стержнем (рис. 10.52). Применяются три типа протекторов: ПМ-5У,
ПМ-10У и ПМ-20У. Принцип протекторной защиты состоит в том, что
катодная зона на оболочке кабеля создается в результате ее соеди-
нения изолированным проводом с заземленным протекторным элек-
тродом, имеющим более низкий электрохимический потенциал, чем
о Места припайки к металли-
ческой оболочке кабелей
I
О
о
Тт
100...120
Рис. 10.52. Устройство электродной защиты: 1 — соединитель-
ный проводник; 2 — гидроизоляция; 3 — свинец; 4 — заполни-
тель; 5 — электрод; 6 — контактный стержень; 7 — кабель связи

408
Глава 10
потенциал заземляемой оболочки. Такой электрод является анодом,
и ток с него будет стекать в землю.
Оболочка кабеля при этом становится катодом и, следователь-
но, защищена от коррозии. Например, разность потенциалов кабе-
ля со свинцовой оболочкой и магниевого электрода составит U =
= -2,37 - (-0,126) = -2,24 В.
Протекторные электроды применяются главным образом для за-
щиты от почвенной коррозии и устанавливаются по два—три на уси-
лительный участок, расстояние между ними и кабелем должно быть
при этом не менее 2...6 м, глубина закопки 0,6...1,8 м. Протектор
включается через контрольно-измерительные пункты (КИП).
10.4.10. Устройства пассивной защиты
Изолирующие муфты (рис. 10.53), устанавливаемые на кабеле,
разрывают металлическую оболочку и тем самым уменьшают силу
блуждающего тока. Рессорную подвеску кабеля (рис. 10.54) приме-
няют для уменьшения вредного действия вибрации при прокладке
кабеля по мостам, вблизи автомобильных и железных дорог. Кро-
ме того, при подвеске кабелей по опорам используют резиновые или
пластмассовые гасители в местах крепления кабеля.
Рис. 10.53. Изолирующая муфта: 1
сердечник кабеля; 2 — оболочка; 3
изолирующая муфта
— Рис. 10.54. Рессорная подвеска кабе-
— ля: 1 — труба; 2 — кабель; 3 — рес-
сора
10.4.11. Измерения потенциалов на оболочке кабеля
и устройство контрольно-измерительных пунктов
Для выявления опасных анодных зон и осуществления защиты
кабелей от коррозии производится комплекс измерений: потенциа-
лов и токов на оболочке кабеля; удельного сопротивления грунта по
трассе кабеля; переходного сопротивления «кабель— земля» и плот-
ности тока, стекающего с кабеля; разности потенциалов «кабель—
рельс». Важной характеристикой является создаваемая блуждаю-
щими и почвенными токами величина потенциалов на оболочке ка-
беля по отношению к земле. Измерение этой величины производится

Защита сооружений связи
409
и, в
1,0
0,5
0
-0,5
-1,0
-1.5
Анодная зона .
ч JrfflllW
А
Л
- У
к:
iftrni
inn
mil
urn
mil
шиь
mil
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Номера колодцев
Рис. 10.55. Диаграмма распределения потенциалов на кабеле вдоль трассы
с помощью металлических электродов-заземлителей на бронирован-
ных кабелях в местах установки КИП, а на голых — в кабельных
колодцах. По данным измерений строят диаграммы распределения
потенциалов вдоль трассы кабеля, выявляют анодные зоны и опре-
деляют участки, требующие защиты от коррозии (рис. 10.55).
Контрольно-измерительные пункты оборудуют на подземных ка-
белях для осуществления электрических измерений потенциалов
блуждающих и почвенных токов, а также для контроля за состоя-
нием изолирующих покровов кабеля без специальных раскопок кот-
лованов и вскрытия защитных покровов. Установку КИП в зави-
симости от типа кабеля и условий прокладки производят на раз-
личном расстоянии друг от друга (0,6...7,0 км) обычно в местах
устройства соединительных муфт. Расстояние между КИП зави-
сит от типа оболочки и защитного покрова, агрессивности грунта
и наличия источников блуждающих токов. На кабелях в свинцо-
вых оболочках с броней и наружным джутовым покровом (кабе-
ли типов МКСБ, КМБ и др.) КИП устраиваются через 0,6...2 км,
на кабелях с алюминиевыми оболочками в полиэтиленовых защит-
ных шлангах — через 6...7 км. Кроме того, КИП устанавливают-
ся в местах оборудования заземлений или перемычек между обо-
лочкой и броней, предусмотренных для защиты от влияния ЛЭП,
ЭЖД переменного тока и ударов молнии, а также в местах уста-
новки устройств защиты от коррозии. При передаче дистанци-
онного питания по системе «провод - земля» КИП-1 оборудуют-
ся на расстояниях 75... 100 и 250...300 м в обе стороны от каждого
НУП. Применяются два типа КИП: для установки на бронирован-
ных кабелях в металлических оболочках без изолирующих покро-
вов КИП-1 и на бронированных и небронированных кабелях в ме-
таллических оболочках с пластмассовыми покрытиями КИП-2. Схе-
мы монтажа КРШ-1 и КИП-2 показаны на рис. 10.56,а, б соответст-
венно.

410
Г л о в о 10
а) б)
Рис. 10.56. Контрольно-измерительные пункты: а — КИП-1; б— КИП-2
Контрольно-измерительный пункт представляет собой железо-
бетонный столбик прямоугольного сечения с внутренней продольной
трубой, через которую проходят соединительные провода. В верх-
ней части столбика укрепляется коробка (ниша) с наружной двер-
кой. Внутри коробки крепится щиток из изоляционного материала с
клеммами, к которым подключаются соединительные провода от обо-
лочки и заземления. Нижняя часть столбика заканчивается двухсто-
ронним выступом, препятствующим выдергиванию столбика из зем-
ли. КИП-1 имеет щиток с двумя клеммами, а КИП-2 — с пятью.
Контрольные вопросы
1. Сравните источники электромагнитных влияний на линии связи.
2. Какие влияния называются опасными и какие мешающими?
3. Атмосферное электричество и воздействие его на сооружения связи.
4. Влияние высоковольтных линий (ЛЭП и ЭЖД) на сооружения
связи.
5. Характер влияния радиостанций на линии связи.
6. Нормы опасных и мешающих влияний.
7. Расчет электрических и магнитных влияний.
8. Какие способы защиты от опасных и мешающих влияний приме-
няются на сооружениях связи?
9. Какие способы защиты от молнии применяются на подземных ка-
бельных линиях связи?
10. Какие типы разрядников применяются для защиты сооружений
связи от атмосферного электричества и высоковольтных линий?
11. Объясните назначение и принцип действия редукционных транс-
форматоров.

Защита сооружений связи
411
12. Основы теории экранирования.
13. В чем физическая сущность экранирования?
14. Сравните экранирующий эффект немагнитных (медь, алюминий)
и магнитных (сталь) экранов.
15. В чем отличие коэффициента защитного действия от коэффици-
ента экранирования?
16. Виды коррозии и их агрессивное действие.
17. Особенности защиты от коррозии алюминиевых и стальных обо-
лочек.
18. Какие применяются способы защиты кабелей связи от коррозии?

Литература
1. Федеральный закон «О связи» № 126-ФЗ, 2003.
2. Москвитин В.Д. От Взаимоувязанной сети связи к Единой сети элек-
тросвязи России // Вестник связи. 2003. JV* 8.
3. Шварцман В.О. Выбор технологий передачи и коммутации в мульти-
сервисных сетях на основе оптических кабелей // Электросвязь. 2003. № 8.
4. Аджемов А.С, Гуркин Д.В., Кочнева Т.А. и др. Принципы по-
строения сети ОКС № 7 на ЕСЭ Российской Федерации. — М.: ЦНИИС,
2003. — 246 с.
5. Воронцов А.С., Турин О.И., Мифтяхетдинов С.Х. и др. Оптические
кабели связи российского производства. Справочник. — М.: Эко-Тренз,
2003. — 288 с.
6. Портнов Э.Л. Оптические кабели связи. — М.: Горячая линия —
Телеком, 2002. — 232 с.
7. Иоргачев Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели и
линии связи. — М.: Эко-Тренз, 2002. — 282 с.
8. Технические требования к оптическим кабелям связи, предназна-
ченных для применения на Взаимоувязанной сети Российской Федера-
ции. — М.: Минсвязи России, 1998.
9. Воронцов А.С. Оптические кабели на телекоммуникационных се-
тях России: состояние, проблемы, стратегия и перспективы внедрения //
Электросвязь. 2003. № 1.
10. Вырыпаев А.С., Андреев В.А., Попов Б.В. Система управления
качеством волоконно-оптических кабелей ЗАО «СОКК» // Электросвязь.
2000. № 6.
11. Никольский К.К. Волоконно-оптические кабели связи в России //
Электросвязь. 1999. № 2.
12. Портнов Э.Л. Патент РФ. Грозозащитный трос с оптическими во-
локнами. RU21114473 С16 Р01И11.22, 1998.
13. Гроднев И.И., Верник СМ., Кочановский Л.Н. Линии связи. —
М.: Радио и связь, 1995. — 488 с.
14. Пименов Ю.В, Вольман В.В., Муравцов А.Д. Техническая элек-
тродинамика. — М.: Радио и связь, 2000. — 536 с.

Литература
413
15. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радио-
волн. — М.: Наука, 1973. — 151 с.
16. Бронштейн Н.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для
инженеров и учащихся втузов. — М.: Наука, 1986. — 544 с.
17. Гроднев И.И., Фролов П.А. Коаксиальные кабели связи. — М.:
Радио и связь, 1983. — 196 с.
18. Каден Г. Электромагнитные экраны в высокочастотной технике и
электросвязи. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1957. — 326 с.
19. Зевеке Г.В., Ионкин П.Л. и др. Основы теории цепей. — М.: Энер-
гия, 1988. — 750 с.
20. Андреев В.А. Временные характеристики кабельных линий свя-
зи. — М.: Радио и связь, 1986. — 105 с.
21. Андреев В.А. Теория электромагнитных влияний между цепями
связи. — М.: Радио и связь, 1999. — 319 с.
22. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей. —
М.: Радио и связь, 2000. — 587 с.
23. Даткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и опе-
рационные исчисления. — М.: Наука, 1974. — 542 с.
24. Ефимов Н.Е., Шермина Г.А. Волноводные линии передачи. — М.:
Связь, 1979. — 232 с.
25. Гальперович Д.Я. Сверхпроводящие кабели связи. — М.: Радио
и связь, 1986. — 82 с.
26. Цым А.Ю. Симметрирование кабелей связи. — М.: Радио и связь,
1982. — 143 с.
27. Ионов А.Д., Попов Б.В. Линии связи. — М: Радио и связь, 1990. —
168 с.
28. Цым А.Ю., Камалягин В.И. Междугородные симметричные кабели
для цифровых систем передачи. — М.: Радио и связь, 1984. — 159 с.
29. Парфенов Ю.А., Мирошников Д.Г. Цифровые сети доступа. — М.:
Натекс-Экотрендз, 2005. — 288 с.
30. Семенов А.Б., Стрижаков С.К., Сунгелей И.Р. Структурные ка-
бельные системы. — М.: Компьютер Пресс, 1999. — 482 с.
31. Optical fiber telecommunications. IVA / Ed. LP. Kaminow, T. Li. —
Academic Press, Elsevier Science, USA, 2002. — 876 p.
32. Optical fiber telecommunications. IVB / Ed. LP. Kaminow, T. Li. —
Academic Press, Elsevier Science, 2002. — 1022 p.
33. Волоконные оптические линии связи. Справочник / Под ред.
СВ. Свечникова, Л.М. Андрушко. — Киев: Тэхника, 1988. — 239 с.
34. ГауэрДж. Оптические системы связи. — М.: Радио и связь, 1989. —
504 с.
35. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи. 2-е изд., перераб.
и доп. — М.: Радио и связь, 1990. — 224 с.
36. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник /
Под ред. И.И. Гроднева. — М.: Радио и связь, 1993. — 264 с.

414
Литература
37. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна
для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — 288 с.
38. Андреев В.А., Бурдин В.А. Оптические волокна для оптических
сетей связи // Электросвязь. 2003. JY* 11.
39. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. — М.: Ра-
дио и связь, 1987. — 656 с.
40. Адаме М. Введение в теорию оптических волноводов. — М.: Мир,
1984. — 512 с.
41. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. —
М.: Мир, 1980. — 656 с.
42. Okamoto К. Fundamental of optical waveguides. — Academic Press,
2000. — 428 p.
43. Бурдин В.А. Основы моделирования кусочно-регулярных воло-
конно-оптических линий передачи сетей связи. — М.: Радио и связь,
2002. — 312 с.
44. Андреев В.А., Бурдин А.В. Многомодовые оптические волокна.
Теория и приложения на высокоскоростных сетях связи. — М.: Радио и
связь, 2004. — 248 с.
45. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. — СПб.: Лань, 2006. — 480 с..
46. Ахманов С.А., Никишин С.Ю. Физическая оптика. — М.: Нау-
ка, 2004. — 656 с.
47. Стафеев С.К., Боярский К.К., Башнина Г.Л. Основы оптики: Учеб-
ное пособие. — СПб.: Питер, 2006. — 336 с.
48. Мандель Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оп-
тика. — М.: Наука; Физматлит, 2000. — 896 с.
49. ITU-T Recommendations G.652 Characteristics of a single-mode
optical fiber and cable.
50. ITU-T Recommendations G.653 Characteristics of a dispersion-shifted
single-mode optical fiber and cable.
51. ITU-T Recommendations G.655 Characteristics of a non-zero disper-
sion-shifted single-mode optical fiber and cable.
52. ITU-T Recommendations G.656 Characteristics of a fibre and cable
with non zero disper-sion for wideband optical transport.
53. ITU-T Series G Supplement 40 (04/2004) Optical fiber and cable
recommendations and an-dards guideline.
54. ITU-T Recommendations G.662 Generic characteristics of optical fibre
amplifier devices and sub-systems.
55. Agrawal G.R Application of nonlinear fiber optics. — Academic press,
2001. — 458 p.
56. Андреев В.А., Бурдин В.А., Попов Б.В., Польников А.И. Строи-
тельство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий свя-
зи. — М.: Радио и связь, 1996. — 200 с.
57. Derickson D. Fiber optic test and measurement. — Prentice Hall PTR,
1998. — 643 p.

Литература
415
58. Мальке Г., Гессинг П. Волоконно-оптические кабели. — Corning
Cable Systems, 2001. — 345 с.
59. Anderson D.R., Johnson L., Bell F.G. Troubleshooting optical-fiber
networks. Understanding and using your optical time-domain reflectometer. —
Elseiver Academic press, 2004. — 437 p.
60. Семенов С.Л. Долговечность оптического волокна // Фотон-
Экспресс. 2003. JV* 5 (31). С. 28-29.
61. Semjonov S.L. Concept of reliability of optical fibers // Proceed, of
SPIE. 2002. V. 4639. P. 1-10.
62. Matthewson M.J. Environmental effects on fatigue and lifetime pre-
dictions for silica optical fibers // Proceed, of SPIE. 2002. V. 4940. P. 80-92.
63. Конструкции, прокладка, соединение и защита оптических кабелей
связи. — Женева: МСЭ-Т, 1994.
64. Minimum Optical Fiber Bend Radius // Corning AEN 21 (revi-
sion 4). — 2002. — 3 p.
65. ITU-T Recommendations G.650 definition and test methods for the
relevant parameters of single-mode fibers.
66. ГОСТ 26814 Кабели оптические. Методы измерения параметров.
67. ОСТ 45.190-2001 Системы передачи волоконно-оптические. Сты-
ки оптические. Термины и определения. Издание официальное. — М.:
ЦНТИ «Информсвязь», 2002. — 14 с.
68. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных
сетей связи. — М.: Радио и связь, 2000. — 468 с.
69. Kartalopoulos S.V. Introduction to DWDM technology. Data in a
Rainbow. — SPIE optical engeneering press, IEEE press, 2000. — 252 p.
70. Скляров O.K. Современные волоконно-оптические системы пере-
дачи, аппаратура и элементы. — М.: СОЛОН-Р, 2001. — 237 с.
71. Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические сети. — М.: Эко-Трендз,
1998.
72. Алексеев Е.Б. Проектирование и техническая эксплуатация цифро-
вых волоконно-оптических систем передачи: Учебное пособие. — М.: ИПК
при МТУСИ, 2007. — 217 с.
73. Нормы приемо-сдаточных измерений элементарных кабельных
участков магистральных и внутризоновых подземных волоконно-оптиче-
ских линий передачи сети общего пользования. Утверждены приказом Гос-
комсвязи России 97 от 17.12.97.
74. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. — М.: Техно-
сфера, 2003. — 440 с.
75. Семенов А.Б. Волоконно-оптические подсистемы современных
СКС. — М.: Академия АйТи; ДМК Пресс, 2007. — 632 с.
76. Компоненты DWDM-систем и их характеристики // Lightwave RE.
2005. № 2. С. 50-56.
77. Рекомендации МСЭ-Т (Rec. ITU-T 6.671, Раздел 3.2).
78. Портнов Э.Л. Оптические кабели и пассивные компоненты воло-
конно-оптических линий связи. — М.: Горячая линия-Телеком, 2007. —
464 с.

416
Литература
79. Гриффьен В. Прокладка оптических кабелей в трубках. — Plumet-
taz SA, 1993. — 138 с.
80. Стерлинг Д.Д. Техническое руководство по волоконной оптике. —
М.: ЛОРИ, 1998. — 288 с.
81. Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика. Теория и практика. — М.:
Кудиц-образ, 2006. — 320 с.
82. Андреев В.А., Бурдин В.А., Попов Б.В., Попов В.Б. Технология
строительства ВОЛП. — Самара: СРТТЦ ПГАТИ, 2006. — 274 с.
83. Андреев В.А., Бурдин В.А., Воронков А.А., Есин СР., Лиман-
ский Н.С. Основы технической эксплуатации ВОЛП. — Самара: СРТТЦ
ПГАТИ, 2003. — 198 с.
84. РД 45.156-2000. Состав исполнительной документации на закон-
ченные строительством линейные сооружения магистральных и внутри-
зоновых ВОЛП.

Оглавление
Предисловие 3
Глава 1. Современная электрическая связь 5
1.1. Краткий обзор развития направляющих систем электро-
связи 5
1.2. Виды направляющих систем электросвязи и их основные
свойства 7
1.3. Системы многоканальной передачи по НСЭ 12
1.4. Направляющие системы передачи 15
1.5. Принципы организации междугородной высокочастотной
связи по кабельным линиям 19
1.6. Основные требования к направляющим системам электро-
связи 23
Контрольные вопросы 24
Глава 2. Принципы построения и перспективы развития се-
ти электросвязи Российской Федерации 25
2.1. Общие положения 25
2.2. Цель и задачи развития ЕСЭ России 26
2.3. Принципы построения и функционирования ЕСЭ 27
2.4. Классификация сетей электросвязи 28
2.5. Стратегия развития сети общего пользования 32
2.6. Принципы построения сети связи общего пользования 34
2.6.1. Принципы построения национального сегмента между-
народного уровня сети связи ОП 35
2.6.2. Принципы построения междугородного уровня сети
связи ОП 37
2.6.3. Зоновые телефонные сети 38
Контрольные вопросы 42
Глава 3. Конструкции и характеристики направляющих си-
стем связи 44
3.1. Общие положения 44
3.2. Электрические кабели связи 44
3.2.1. Классификация электрических кабелей связи 44

418 Оглавление
3.2.2. Конструктивные элементы симметричных кабелей
связи 45
3.2.3. Конструктивные элементы коаксиальных кабелей
связи 51
3.2.4. Маркировка и типы электрических кабелей связи ... 52
3.2.5. Электрические кабели для цифровых абонентских
линий 54
3.2.6. Классификация оптических кабелей связи 55
3.2.7. Типы оптических волокон 57
3.2.8. Основные конструктивные элементы ОК и материалы
для их изготовления 59
3.2.9. Технические требования, предъявляемые к ОК 65
3.2.10. Основные производители и номенклатура ОК 68
3.2.11. О маркировке оптических кабелей связи 71
3.2.12. Оптические кабели для прокладки в грунт 73
3.2.13. Оптические кабели для пневмозадувки в защитные
пластмассовые трубы 75
3.2.14. Оптические кабеля для прокладки в кабельной кана-
лизации 76
3.2.15. Подвесные оптические кабели 77
3.2.16. Подводные оптические кабели связи 82
Контрольные вопросы 85
Глава 4. Основы электродинамики направляющих систем ... 87
4.1. Общие сведения 87
4.2. Характеристики электромагнитного поля и электрофизиче-
ские параметры сред 89
4.3. Основные положения теории электромагнитного поля 92
4.4. Граничные условия и краевые задачи электродинамики ... 99
4.5. Энергетические соотношения в электродинамике 100
4.6. Электромагнитное поле волнового характера 103
4.7. Электромагнитные параметры материальных сред 105
4.8. Краевые задачи электродинамики для направляющих си-
стем 106
4.9. Параметры направляемых волн в линиях передачи 109
4.10. Направляемые волны в прямоугольном металлическом вол-
новоде 112
4.11. Ослабление волн при распространении в волноводе 116
4.12. Направляемые волны в круглом металлическом волноводе 118
4.13. Линии передачи с Т-волной 120
4.14. Общие подходы к расчету направляющих систем передачи 124
Контрольные вопросы 126
Глава 5. Теория передачи по проводным направляющим си-
стемам связи 128

Оглавление 419
5.1. Уравнения передачи однородных двухпроводных направля-
ющих систем связи 128
5.2. Вторичные параметры передачи 132
5.3. Параметры передачи согласованной направляющей сис-
темы 135
5.4. Параметры передачи направляющей системы с несогласо-
ванными нагрузками по концам 137
5.5. Направляющие системы, неоднородные по длине 142
5.6. Временные характеристики передачи 145
5.6.1. Временные характеристики 148
5.6.2. Временные характеристики с учетом потерь в диэлек-
трике 153
5.6.3. Искажения импульсов 155
5.6.4. Искажение импульсов на участке «кабель + коррек-
тор» ЦСП 157
Контрольные вопросы 159
Глава 6. Параметры передачи проводных направляющих си-
стем электросвязи 160
6.1. Коаксиальные кабели 160
6.1.1. Электрические процессы в коаксиальных цепях 160
6.1.2. Электромагнитное поле коаксиальной цепи 164
6.1.3. Передача энергии по идеальной коаксиальной цепи .. 165
6.1.4. Передача энергии по коаксиальной цепи с учетом по-
терь в проводниках 168
6.1.5. Емкость и проводимость изоляции коаксиальных
цепей 174
6.1.6. Вторичные параметры передачи коаксиальных цепей 176
6.1.7. Оптимальные соотношения диаметров проводников ко-
аксиальной цепи 179
6.1.8. Конструктивные неоднородности в коаксиальных ка-
белях 181
6.2. Симметричные кабели 184
6.2.1. Электрические процессы в симметричных цепях 184
6.2.2. Передача энергии по идеальной симметричной цепи . 186
6.2.3. Передача энергии по симметричной цепи с учетом
потерь 188
6.2.4. Емкость и проводимость изоляции симметричной цепи
192
6.2.5. Основные зависимости первичных параметров симмет-
ричных цепей 194
6.2.6. Вторичные параметры симметричных цепей 195
6.3. Волноводы 196
6.3.1. Физические процессы, происходящие в волноводах ... 196
6.3.2. Особенности волны Hoi в цилиндрическом волноводе 197

Оглавление
6.3.3. Электрический расчет цилиндрических волноводов .. 199
6.3.4. Спиральные волноводы, их достоинства и недостатки 201
6.4. Сверхпроводящие кабели 203
6.4.1. Сверхпроводники и диэлектрики при криогенных тем-
пературах 203
6.4.2. Электрический расчет сверхпроводящих кабелей 206
6.4.3. Конструктивные и электрические характеристики
сверхпроводящих кабельных линий 208
Контрольные вопросы 210
Глава 7. Параметры передачи оптических направляющих
систем 212
7.1. Физические процессы в оптических волокнах 212
7.2. Волны и лучи в ОВ 216
7.3. Волновая теория ОВ 218
7.4. Типы волн в ОВ 220
7.5. Одномодовый и многомодовый режимы передачи по ОВ ... 221
7.6. Основные параметры ОВ 225
7.6.1. Конструктивные параметры ОВ 226
7.6.2. Потери в оптических волокнах 227
7.6.3. Дисперсия и пропускная способность ОВ 232
7.6.4. Модовая дисперсия ОВ 234
7.6.5. Хроматическая дисперсия 236
7.6.6. Нелинейные искажения оптических сигналов в ОВ .. 241
7.6.7. Неоднородности волоконно-оптической линии 247
7.6.8. Эксплуатационные характеристики ОВ 248
7.7. Классификация ОВ 252
7.8. Измерение параметров ОВ 254
7.8.1. Методы измерения затухания 254
7.8.2. Измерения хроматической дисперсии 256
7.8.3. Измерения ПМД 258
7.8.4. Измерения методом обратного рассеяния 259
Контрольные вопросы 265
Глава 8. Волоконно-оптические линии передачи 267
8.1. Основы передачи информации по ВОЛП 267
8.2. Структура и компоненты линейного тракта ВОСП 272
8.3. Характеристики оптических компонентов ВОСП 274
8.4. Соединения ОВ и ОК 277
8.4.1. Способы соединения ОВ 277
8.4.2. Неразъемные соединения ОВ 278
8.4.3. Муфты ОК 280
8.4.4. Оптические разъемы 283
8.4.5. Оборудование систем распределения оптических
волокон 288
8.5. Оптические разветвители и оптические циркуляторы 289

Оглавление 421
8.6. Оптические фильтры 291
8.7. Оптические переключатели (коммутаторы) 294
8.8. Оптические изоляторы 297
8.9. Оптические аттенюаторы 298
8.10. Оптические усилители 299
8.11. Измерение параметров волп и паспортизация кабельных
участков 305
Контрольные вопросы 307
Глава 9. Электромагнитные влияния между проводными це-
пями связи и методы их уменьшения 309
9.1. Проблема электромагнитной совместимости в направляю-
щих системах 309
9.2. Основные понятия о влиянии между симметричными цепя-
ми • 311
9.3. Первичные параметры взаимного влияния 312
9.4. Вторичные параметры взаимного влияния 316
9.5. Основные уравнения взаимного влияния 319
9.6. Частотные характеристики взаимного влияния 322
9.7. Временные характеристики взаимного влияния 331
9.8. Взаимные влияния в коаксиальных кабелях связи 337
9.9. Нормы на параметры взаимных влияний 342
9.10. Меры повышения защищенности симметричных цепей от
взаимных влияний 344
9.11. Симметрирование кабелей связи 344
Контрольные вопросы 352
Глава 10. Защита сооружений связи от внешних электромаг-
нитных влияний и коррозии 353
10.1. Теория электромагнитного влияния 353
10.1.1. Физическая сущность и источники электромагнитного
влияния на цепи связи 353
10.1.2. Влияние атмосферного электричества 357
10.1.3. Влияние линий электропередачи 361
10.1.4. Влияние электрифицированных железных дорог 362
10.1.5. Особенности влияния на воздушные и кабельные на-
правляющие системы электросвязи 364
10.1.6. Нормы опасных и мешающих влияний на электриче-
ские кабели связи 364
10.1.7. Расчет опасного электрического влияния на направля-
ющие системы электросвязи 367
10.1.8. Расчет опасного магнитного влияния на направляю-
щие системы электросвязи 368
10.1.9. Расчет мешающих влияний на направляющие системы
электросвязи 372
10.1.10. Влияние радиостанций на направляющие системы элек-
тросвязи 374

Оглавление
10.2. Защита сооружений связи 376
10.2.1. Меры защиты сооружений связи от внешних влияний 376
10.2.2. Схемы защиты, разрядники и предохранители 377
10.2.3. Каскадная защита и молниеотводы 380
10.2.4. Защита от грозы кабельных линий 381
10.2.5. Экранирующие тросы 383
10.2.6. Редукционные трансформаторы 384
10.2.7. Отсасывающие трансформаторы и контуры 385
10.2.8. Устройство заземлений 386
10.3. Экранирование электрических кабелей связи 388
10.3.1. Применение экранов различных конструкций 388
10.3.2. Принципы экранирования в широком диапазоне
частот 389
10.3.3. Электромагнитостатическое экранирование 391
10.3.4. Электромагнитное экранирование 393
10.3.5. Волновой режим экранирования 394
10.3.6. Принцип действия магнитных и немагнитных
экранов 395
10.3.7. Экранирующий эффект с учетом продольных токов . 396
10.3.8. Экранирующие характеристики многослойных
экранов 398
10.4. Коррозия кабельных оболочек и меры защиты 399
10.4.1. Виды коррозии 399
10.4.2. Почвенная коррозия 400
10.4.3. Межкристаллитная коррозия 402
10.4.4. Электрическая коррозия 402
10.4.5. Расчет потенциалов и токов, возникающих на кабель-
ной оболочке за счет блуждающих токов 403
10.4.6. Меры защиты от коррозии 404
10.4.7. Электрический дренаж 405
10.4.8. Катодные станции 406
10.4.9. Протекторные установки 407
10.4.10. Устройства пассивной защиты 408
10.4.11. Измерения потенциалов на оболочке кабеля и устрой-
ство контрольно-измерительных пунктов 408
Контрольные вопросы 410
Литература 412

Вышли в свет и имеются в продаже:
Направляющие системы электросвязи: Задачник / С. Н. Ксенофон-
тов, Э. Л. Портнов. — 2-е изд., стереотип. — М.: Горячая линия—Телеком,
2009. — 267 с: ил., ISBN 5-93517-138-4.
Учебное пособие содержит задачи и примеры их решения, а также необхо-
димый справочный материал (краткие теоретические сведения, расчетные фор-
мулы, методические указания к решению задач) по курсу «Направляющие систе-
мы электросвязи». Цель книги — помочь приобрести навыки решения практи-
ческих задач по данному курсу.
Для студентов, обучающихся по направлению «Телекоммуникации» по спе-
циальностям «Сети связи и системы коммутации», «Многоканальные телеком-
муникационные системы», «Физика и техника оптической связи» и «Защищен-
ные системы связи».
Организация производства на предприятиях электросвязи: Учеб-
ное пособие для вузов / С. Г. Ситников, Т. А. Солодова. — М: Горячая
линия—Телеком, 2006. — 239 с: ил., ISBN 5-93517-254-2.
Рассмотрены основные закономерности и тенденции развития электросвязи.
Приведены необходимые теоретические сведения о структуре и системе управ-
ления единой сети электросвязи Российской Федерации и составляющих ее ком-
понентах. Рассмотрены вопросы организации производства и технико-экономиче-
ского анализа деятельности в различных подразделениях современных предпри-
ятий электросвязи. Приведены контрольные вопросы, практические задания и
необходимый справочный материал.
Для студентов вузов связи, обучающихся по специальности 080502 — «Эко-
номика и управления на предприятии (связи)», будет полезно студентам техни-
ческих специальностей направления 210400 — «Телекоммуникации» при изуче-
нии дисциплины «Менеджмент на предприятиях электросвязи», специальности
080109 — «Бухгалтерский учет, анализ и аудит» при изучении дисциплины «Про-
изводственный менеджмент на предприятиях электросвязи». Может быть исполь-
зовано для повышения квалификации специалистами предприятий связи.
Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах.
Том 1 — Современные технологии / Б. И. Крук, В. Н. Попан-
тонопуло, В. П. Шувалов; под ред. профессора В. П. Шувалова. —
Изд. 3-е, испр. и доп. — М.: Горячая линия—Телеком, 2005. — 647 с: ил.,
ISBN 5-93517-088-4.
В первом томе трехтомного пособия с единых позиций рассматриваются ос-
новные понятия теории передачи сигналов, первичные и вторичные сети элек-
тросвязи.
Основное внимание уделяется современным направлениям развития теле-
коммуникационных сетей и систем: цифровым методам передачи, цифровым се-
тям интегрального обслуживания, интеллектуальным сетям, сетям данных, те-
лематическим службам, системам управления электросвязью.
Для студентов вузов связи и колледжей. Книга может быть использована
для повышения квалификации работниками предприятий электросвязи.

Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах.
Том 2 — Радиосвязь, радиовещание, телевидение / Г. П. Катунин,
Г. В. Мамчев, В. Н. Попантонопуло, В. П. Шувалов; под ред. профессора
В. П. Шувалова. — Изд. 2-е, испр. и доп. — М.: Горячая линия—Телеком,
2005. — 672 с: ил., ISBN 5-93517-089-2.
Во втором томе трехтомного учебного пособия рассматриваются системы
радиосвязи, радиовещания и телевидения.
Основное внимание уделяется перспективным направлениям развития бес-
проводной связи: спутниковая связь, связь с подвижными объектами.
Для студентов вузов связи и колледжей. Книга может быть использована
для повышения квалификации работниками предприятий связи.
Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах.
Том 3. — Мультисервисные сети / В. В. Величко, Е. А. Субботин,
В. П. Шувалов, А. Ф. Ярославцев; под ред. про4)ессора В. П. Шувалова. —
М.: Горячая линия—Телеком, 2005. — 592 с: ил., ISBN 5-93517-257-7.
В третьем томе учебного пособия рассмотрены вопросы построения муль-
тисервисных сетей связи (МСС). В компактном виде представлен материал по
сетям доступа, транспортным сетям и сетям управления. Приведено описание
таких технологий как Softswitch и MPLS и даны примеры построения сетей на
их основе. Пособие содержит раздел по моделированию МСС с использованием
аппарата сетей систем массового обслуживания.
Для студентов вузов связи и колледжей, может быть использовано для по-
вышения квалификации работниками предприятий связи.
Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные
линии связи. Учебное пособие для вузов / Э. Л. Портнов. — М.: Горячая
линия—Телеком, 2009. — 544 с; ил., ISBN 978-5-9912-0071-4.
Систематизированы сведения о первичных сетях связи, принципах проекти-
рования, строительства, измерений и эксплуатации, месте волоконно-оптических
линий в этих сетях. Рассмотрены конструктивные особенности и технические ха-
рактеристики существующих типов оптических волокон (ОВ) и оптических ка-
белей (ОК) применяемых на взаимоувязанной сети связи Российской Федерации
(ВСС РФ), теоретические и практические вопросы, связанные с использованием
ОК на различных линиях сети с применением оптических усилителей и регене-
раторов. Описаны основные передаточные характеристики ОВ и нелинейные эф-
фекты, возникающие в ОВ при передаче сигналов по линии с учетом различных
элементов, без которых данная линия не может функционировать. Рассмотрены
основные принципы измерений, проектирования, строительства и эксплуатации
кабельных оптических линий.
Для студентов, обучающихся по направлению 210400 — «Телекоммуника-
ции», будет полезна для повышения квалификации работникам предприятий свя-
зи, сотрудникам проектных отделов и техническим специалистам
Справки по телефону: (495) 737-39-27, WWW.TECHBOOK.RU