Экранирование кабелей связи

Экранирование кабелей связи является наиболее эффективным средством защиты симметричных и коаксиальных цепей от взаимных влияний. Различают экраны, защищающие кабели от внешних воздействий и внутренних (взаимных влияний). Функции внешних экранов выполняют с разной степенью эффективности внешние металлические оболочки кабеля: алюминиевые, стальные, свинцовые. Они, как правило, имеют сплошную цилиндрическую конструкцию.

Экраны, защищающие от взаимных влияний, являются основным элементом кабельного сердечника. Экранируются коаксиальные пары, в симметричных кабелях могут экранироваться четвёрки, пары и даже отдельные проводники. Экраны коаксиальных пар имеют обычно ленточную конструкцию: две ленты накладываются одна на другую с коэффициентами перекрытия 1,2 – 1,5. Ленты могут выполняться из разных металлов (сталь, медь). Эффективность экранирования определяется общей толщиной экрана и его материалом. В одночетверочных кабелях типа ЗК применяются экраны в виде оплётки. Экранирование четвёрок и пар в симметричных кабелях применяются только в специальных кабелях, экран в этом случае выполняется в виде оплётки.

Режимы экранирования. В реальных условиях на кабель действуют как электрические, так и магнитные поля. В отдельных случаях может преобладать та или иная компонента. При воздействии внешних полей поле на расстоянии пяти – шести длин волн от источника имеет вид плоской волны, в этом случае его энергия распределена между электрической и магнитной составляющими поровну. Этот фактор необходимо учитывать при экранировании кабелей от внешних воздействий. Различают следующие режимы экранирования:

- электромагнитостатический;

- электромагнитный;

- волновой.

Электромагнитостатический режим характеризует стационарные и статические поля в диапазоне частот до 4 кГц. В этой области экраны действуют по принципу замыкания силовых линий соответствующих полей вследствие повышенной электро- и магнитопроводимости металлов в этом частотном диапазоне.

Для экранов в этом режиме справедливы уравнения Максвелла ; .

Электростатическое и магнитостатическое экранирование имеют принципиальные различия.

Электростатическое экранирование состоит в замыкании силовых линий поля на металлической поверхности экрана (рис. 8.20). При этом электрические заряды стекают на корпус или землю.

а) б)

 

Рис. 8.20 – Электростатическое экранирование: а) экран не заземлён; б) экран заземлён

 

При заземлении экрана, помещённого между проводом а, создающим помехи у провода б, подверженном влиянию, и самим проводом б заряды с экрана стекают на землю и влияния на провод б не происходит.

Любой металлический экран (медный, стальной, алюминиевый, свинцовый) в одинаковой степени локализуют поле помех. Экран может быть как сплошным, так и в виде оплётки, сетки и др. С ростом частоты эффективность электростатического экранирования уменьшается.

Магнитостатическое экранирование основано на поглощении магнитного поля материалом экрана (рис. 8.21) вследствие его высокой магнитопроводимости. Магнитный поток, создаваемый проводом а активной цепи, замыкается в толще экрана и лишь частично проникает во внешнее пространство. Эффективность экранирования в этом режиме определяется магнитной проницаемостью его материала, это магнитные металлы (сталь) с , чем больше относительная магнитная проницаемость, тем эффективнее экранирование. Магнитостатические экраны эффективны лишь при постоянном токе и в диапазоне низких частот. С увеличением частоты увеличиваются потери на вихревые токи, магнитное поле вытесняется на поверхность проводника, его магнитопроводность уменьшается.

 

 

Рис. 8.21 – Магнитостатическое экранирование

 

Электромагнитное экранирование применяется в области высоких частот. Принцип действия этих экранов (рис. 8.21) основан на поглощении электромагнитной энергии толщей металла и отражении электромагнитной волны от границы раздела сред с различными волновыми сопротивлениями (воздух – металл, медь – сталь и др.)

 

 

Рис. 8.22 – Принцип электромагнитного экранирования

 

Электромагнитная энергия W, достигнув экрана, частично отражается на первой границе раздела (диэлектрик - экран), образуя отражённый поток . Прошедшая через экран энергия частично затухает в толще экрана. На второй границе раздела (экран - диэлектрик) энергия вторично отражается – , оставшаяся часть проникает за пределы экрана. Таким образом, энергия уменьшается от W до . Эта модель экрана упрощённая, т.к. в действительности в экране возникают многократные отражения энергии от границ раздела сред диэлектрик – экран – диэлектрик. Электромагнитное экранирование эффективно широком диапазоне частот от до Гц.

Параметры экранирования Эффективность экранирования определяется коэффициентами экранирования:

- экранирование отражения ;

- экранирование поглощения ;

- коэффициент экранирования .

Для практических расчётов часто используются параметры:

 

- затухание отражения ;

- затухание поглощения ;

- затухание экранирования .

Параметры экранирования определяются выражением:

, (8.24)

где - волновое сопротивление диэлектрика; - волновое сопротивление материала экрана; - коэффициент вихревых токов; - толщина экрана.

Первое слагаемое в (8.24) соответствует поглощению в экране, а второе – отражению на границе раздела сред. Эффект экранирования возрастает с увеличением толщины экрана. Стальные экраны с более эффективны, чем медные.

Волновой режим экранирования распространяется на диапазон частот выше Гц. Пределом разграничения электромагнитного и волнового режимов является соизмеримость длины волны с диаметром экрана D. Волновому режиму соответствует . В этом режиме кроме токов проводимости необходимо учитывать и токи смещения. Особенностью этого режима является колебательный характер изменения экранного затухания от частоты, что связано с резонансными явлениями в НС в этом режиме.

Многослойные экраны применяются в тех случаях, когда необходимо высокое экранирующее действие экрана. Эти экраны состоят из последовательных чередующихся слоёв немагнитных (медь, алюминий) и магнитных (сталь) металлов. Особенностью таких экранов является их высокая экранирующая эффективность и малые потери энергии. Экранирующий эффект определяется совместным действием экранирования отражения и экранирования поглощения (рис. 8.22). Эффект отражения обусловлен различием волновых сопротивлений различных слоёв экрана. Поэтому слои экрана с различными волновыми сопротивлениями должны чередоваться, толщина каждого слоя экрана должна быть не меньше глубины проникновения.

 

 

Рис. 8.22 – Отражение в многослойном экране.

 

Рис. 8.23 – Частотные зависимости параметров экранирования ().

Следует отметить особенности экранирования магнитных и немагнитных экранов (рис. 8.23) в электромагнитном режиме. Немагнитные металлы имеют малое поглощение и большое отражение, магнитные экраны имеют большое поглощение и небольшое отражение. Максимальный эффект достигается при сочетании медь – сталь – медь и алюминий – сталь – алюминий.

 

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какое назначение экранов в кабелях связи?

2. Назовите основные конструкции экранов.

3. Назовите режимы экранирования.

4. Охарактеризуйте электро- и магнитостатический режимы экранирования.

5. Охарактеризуйте электромагнитный режим экранирования.

6. Какие особенности волнового режима экранирования?

7. Назовите параметры экранирования.

8. Чем определяется эффективность экранирования?

9. Объясните принцип действия многослойных экранов.

10. Объясните особенности экранирования магнитных и немагнитных металлов.