Розділ 7. Електричні кола з розподіленими параметрами. Довгі лінії

7.1. ДЕЯКІ ВІДОМОСТІ ПРО КОНСТРУКЦІЇ ДОВГИХ ЛІНІЙ

Як показано в розд. 6, передача електромагнітної енергії чиниться за до­помогою електромагнітних хвиль, які поширюються або у вільному просторі, або вздовж напрямних систем. Як напрямні системи часто застосовуються довгі лінії, які в найпростішому випадку можна зобразити як два паралель­них близько розміщених і розділених діелектриком провідника.

Лінія називається довгою, якщо її геометрична довжина значно перевищує довжину хвилі електромагнітних коливань, що передаються нею, тому "довга" лінія є поняттям відносним. Залежно від довжини хвилі лінія завдовжки кілька кілометрів може бути короткою, а декілька сантиметрів - довгою. Довгі лінії коротко будемо називати просто лініями. За конструктивним виконанням лінії розподіляються на повітряні, симетричні, кабельні, коаксіальні кабельні, хвильоводні. Нині почали використовуватись стрічкові лінії, світловодні кабелі.

Повітряні лінії (рис. 8.1, а). Як провідники повітряних ліній в основному ви­користовуються або стальний дріт діаметрами 5; 4; 2,5 та 1,5 мм, або біметале­вий сталемідний дріт діаметрами 4; 3; 2; 1,6 та 1,2 мм. Останній складається зі стальної серцевини, яка покрита мідною оболонкою завтовшки 0,04-0,2 мм. З метою економії міді застосовують також біметалевий сталеалюмінієвий дріт. Дріт за допомогою ізоляторів закріплюється на опорах. Таким чином, діелект­риком є повітря. Звичайно на одній опорі розміщується декілька пар дротів.

Симетричні кабельні лінії (рис. 8.1, б). Як провідники симетричних кабелів використовуються в основному мідні дроти (струмопровідні жили) діаметрами 1,4; 1,3; 1,2; 1,1; 1,0; 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 та 0,32 мм. Застосовуються також алюмінієві жили. Дроти ізольовані діелектриками. Види ізоляційних матеріалів та способи утворення ізолюючого шару дуже різноманітні. Основні з ізоляційних матеріалів: папір, полістирол (стірофлекс), суцільний та пористий поліетилен. Ізольовані дроти скручуються разом і є при цьому основою кабе­лю. Сучасні кабелі вміщують сотні пар струмопровідних жил.

Коаксіальні кабельні лінії (рис. 8.1, в). коаксіальна пара (від французького coaxiale – співвісний) має несиметричну конструкцію – вона складається з двох провідників у формі циліндрів, один з яких розміщений у центрі друго­го. Зовнішній циліндр порожнистий, а внутрішній - суцільний. Провідники розділені діелектриком. Для магістрального зв'язку найбільше поширення дістали два типи коаксіальних пар - малогабаритні з жилами діаметрами 1,2/4,6 мм (1,2 мм - діаметр внутрішнього провідника, 4,6 мм - внутрішній діаметр зовнішнього провідника) та середнього типу з жилами діаметрами 2,6/9,5 мм. Існують спеціальні радіочастотні коаксіальні кабелі, які викорис­товуються як лінії з'єднання між приймачем чи передавачем і антеною; такі лінії називаються фідерами.

7.2. СХЕМА ЗАМІЩЕННЯ ТА ПЕРВИННІ ПАРАМЕТРИ ЛІНІЙ

Схема заміщення лінії. Основною задачею дослідження лінії є розра­хунок напруги і струму в будь-якому перерізі лінії. Цю задачу можна розв'язати методами електродинаміки, але розв'язання досить складне. Тому було знайдене більш просте розв'язання, яке засноване на застосуванні законів Кірхгофа та Ома в комплексній формі. Його головна ідея полягає в побудові схеми заміщення лінії, під якою розуміють схему з певним спосо­бом сполучених індуктивностей, ємностей та опорів (провідностей).

Схема заміщення лінії будується на основі фізичних уявлень про те, що лі­нія одночасно може: 1) запасати енергію в електричному (два паралельні проводи і діелектрик між ними утворюють конденсатор) та магнітному полях (будь-який провідник має індуктивність); 2) розсіювати енергію (будь-який провідник має опір, а діелектрик - провідність). Зі сказаного випливає, що лінія має індуктивність , ємність , опір і провідність . Для кожної конструкції лінії параметри , , і залежать від довжини. Щоб порівнювати між собою лінії різних конструкцій, їх параметри визначають на одиницю довжини. Параметри , , і ліній одиничної довжини називають первинними пара­метрами і позначають: ; ; ; . Натурально використовуються і похідні від даних одиниць. Так, первинні параметри ліній магістрального зв'язку визначаються на 1 км довжини.