Взаємні та зовнішні впливи між кабельними колами Природа та параметри взаємного впливу

В кабелі зазвичай знаходиться велика кількість кіл, і по кожному кабельному колу передається інформація, тобто протікає якійсь струм; навколо кабельного кола є магнітне та електричне поле. Ці поля впливають на сусідні кабельні кола, частина енергії переходить на сусідні кола, і ці енергія є енергією, що перешкоджає передачі інформації (розмовам) по сусіднім колам.

Природа взаємного впливу між колами симетричного кабелю полягає в тому, що струм впливу у колі, що зазнає впливу, виникає завдяки асиметричному розташуванню цих кіл. На рис. 29 показане виникнення струму впливу в колі, що зазнає впливу, завдяки наявності електричної складової поля кола, що впливає. В якийсь момент часу на проводах 1,2 кола, що впливає, є однакові за величиною, але різні за знаками заряди. Показані дві лінії електричного поля, що мають різне значення напруженості завдяки різної довжині самих ліній. Провідники 3 та 4 кола, що зазнає впливу, перетинаються лініями електричного поля різної напруженості, тому в цих проводах індукуються заряди різної величини. Завдяки різним зарядам в колі, що створене провідниками 3 та 4, виникає зрівняльний струм, який і є струмом впливу. Якщо провідники розташувати симетрично, як показане на рис. 30, то провідники кола, що зазнає впливу, перетинаються електричними силовими лініями рівної напруженості, на них виникають рівні заряди, і зрівняльний струм відсутній.

Рисунок 29 – Пояснення природи електричного впливу

Рисунок 30 – Симетричне розташування проводів двох симетричних кабельних кіл

На рис.31 показане виникнення електрорушійної сили (ЕРС) впливу в колі, що зазнає впливу, завдяки магнітній складовій поля кола, що впливає. Магнітна силова лінія, що створена провідником 2 (показана пунктиром), перетинає контур, що створений провідниками 3 та 4. В цьому контурі виникає ЕРС індукції, яка і є ЕРС впливу. Якщо провідники обох кіл розташовані симетрично, як на рис. 30, то магнітні силові лінії не перетинають контур іншого кола, а проходять паралельно йому, і ЕРС індукції на виникає.

Рисунок 31 – Пояснення природи магнітного впливу

Первинні параметри впливу

Взаємний вплив між колами в симетричних кабелях зв'язку повністю описується ємнісними і магнітними зв'язками та асиметрією часткової ємності між провідниками кола та землею. Ці параметри мають назву первинних параметрів впливу між двома колами. Первинні параметри впливу показують структуру кола, тобто показують, через які елементи струм з одного кола переходить на інше.

Розглянемо ємнісний вплив між симетричними кабельними колами. Магнітний вплив може бути розглянутий наступним чином. На рис. 32 показані часткові ємності між провідниками, що створюють два кола: те, що впливає, та те, що зазнає впливу. На цьому рисунку чотири кола, що позначені цифрами, символізують поперечний переріз дротів, з яких створені два електричних кола: 1,2 – коло, що впливає, в це коло підключений генератор; 3,4 – коло, що зазнає впливу, замкнене на опір навантаження R_нав..

Рисунок 32 – Пояснення взаємного ємнісного впливу

При роботі генератора у першому колі (колі, що впливає), завдяки наявності часткових ємностей між усіма провідниками, у другому колі, що зазнає впливу, виникають два струми впливу, що направлені у протилежних напрямках. Один струм проходить крізь ємності С₁₃, С₂₄, а інший крізь ємності С₁₄, С₂₃. Результуючій струм впливу дорівнює різниці цих двох струмів. Можна показати, що результуючій струм є пропорційним величині (5):

(С₁₃+С₂₄) – ( С₁₄+С₂₃). (5)

Ємнісний зв'язок між двома кабельними колами визначається як відношення струму в колі, що піддане впливу, до напруги в колі, що впливає (6):

. (6)

Ємнісна асиметрія характеризує нерівність струмів, що перетікають із першого та другого провідників кабельного кола на землю, і дорівнює різниці відповідних ємностей, бо струм із проводів на землю перетікає крізь ємності. Для другого кола (рис. 32) ємнісна асиметрія дорівнює (7):

(7)

З курсу фізики відомо, що сталий струм не може проходити повз конденсатор, а змінний струм проходить, та чим вище частота, тим більше струм, що проходить крізь конденсатор. Зверніть увагу на те, що струм впливу з одного кабельного кола симетричної лінії переходить на інше кабельне коло саме через ємність, що має місце між провідниками, тому чим більше частота струму, що проходить по проводах, тим більшим стає струм впливу в сусідніх кабельних колах симетричного кабелю. Саме з цієї причини симетричні кабельні кола застосовуються тільки на відносно низьких частотах. Звичайні системи передачі, що працюють по симетричних кабельних колах, мають спектр частот не вище 500 кГц. Для підключення комп’ютерів до цифрових мереж використовують спеціальні симетричні кабелі так званих високих категорій, які можуть працювати на частотах до 100 МГц, але на невеликі відстані (декілька сотень метрів). Ці кабелі зазвичай мають екрани, що екранують кожну розмовну пару окремо, а не всі разом, як це робиться в звичайних телефонних кабелях.

Д ля зменшення впливу всі симетричні кола в кабелі скручуються, причому треба певним чином підібрати кроки скручування. Підбір кроків скручування є досить складною процедурою. Виконуючи цей підбір, треба зробити так, щоб ті зв’язки, що виникли на певній довжині кабелю, компенсувалися зв’язками, що виникають на іншій довжині (тобто значення коефіцієнтів зв’язку цих довжин кабелю були однакові за величиною та протилежні за знаком). На рис. 33 показано як може бути виконана ця компенсація в найпростішому випадку при відношенні кроків скрутки 1:2. На довжині, що відповідає одному кроку скрутки кола з провідниками 1 та 2, розміщується півкроку кола з провідниками 3,4. Таким чином, на однієї половині цієї довжини провід 1 буде розташований ближче до кола з провідниками 3 та 4, ніж провід 2, а на іншій половині буде навпаки. Тому струм впливу, що буде виникати на першій половині, буде мати протилежний напрямок та буде компенсувати струм впливу, що виникає на другій половині.

Рисунок 33 – Скрутка проводів двох кабельних кіл (цифрами позначені номер проводів)

В коаксіальному кабельному колі на високих частотах завдяки ефекту близькості густина струму збільшується на зовнішньої поверхні внутрішнього провідника та на внутрішньої поверхні зовнішнього (рис.25, 26). Тому струм на зовнішньої поверхні трубки (що є зовнішнім провідником) зменшується з ростом частоти. Таким чином, вплив між сусідніми коаксіальними кабельними колами із зростанням частоти зменшується, тому що вплив здійснюється саме через зовнішню поверхню трубки. Це явище іноді називають ефектом самоекранування коаксіального кабельного кола. Саме завдяки цьому ефекту коаксіальні кабельні кола застосовуються на високих частотах, наприклад, для передачі телевізійного сигналу від антени до приймача, або в кабельному телебаченні від передавача чи підсилювача до приймача.

Очевидно, що первинні параметри впливу між симетричними колами не підходять для характеристики впливу між коаксіальними колами. Первинним параметром впливу між коаксіальними колами є опір зв’язку коаксіальної пари. Це відношення повздовжньої складової напруженості електричного поля на зовнішній поверхні трубки до струму в проводах кабельного кола. Завдяки ефекту самоекранування коаксіального кабельного кола опір зв’язку зменшується зі зростанням частоти.