Волновое сопротивление линии. Волновое сопротивление кабеля. Максимальная рабочая частота коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель. Что это?

Наверное, вы не раз слышали такие словосочетания как витая пара , экранированный провод и высокочастотный сигнал? Так вот, коаксиальный кабель — эта разновидность витой пары , но с гораздо большей помехозащищенностью, наиболее подходящий проводник для ВЧ сигнала.

Состоит из центральной жилы (проводника), экранированного слоя (экрана) и двух изолирующих слоев.

Внутренний изолятор служит для изоляции центральной жилы коаксиального кабеля от экрана, внешний — для защиты кабеля от механических повреждений и электрической изоляции.

Защита от помех коаксиальным кабелем. Причина возникновения помех

Что представляют из себя помехи в не коаксиальном кабеле

Стоит сразу разобраться с вопросом защиты от помех. Разберем общие принципы природы их возникновения и влияния помех на передачу информации.

Итак, все мы знаем, что существуют некие помехи в линиях электропередач . Они представляют из себя всплески и, наоборот, пропадания номинального (того, которое должно быть) напряжения в кабеле (в проводе). На графике (зависимости напряжения в кабеле от времени) помехи выглядят так:

Причина возникновения помех — электромагнитные поля от других сигналов и кабелей. Как мы знаем из курса школьной физики, у электричества есть две составляющие — электрическая и магнитная. Первая представляет собой течение тока по проводнику, а вторая — электромагнитное поле, которое создает ток.

Электромагнитное поле распространяется в среде в форме сферы в бесконечность. Проходя через незащищенный от помех (не коаксиальный) кабель, электромагнитный сигнал влияет на магнитную составляющую электрического сигнала в кабеле и вызывает в нем помехи, отклоняя напряжение сигнала от номинального.

Представьте себе, что мы обрабатываем (считываем) сигнал напряжением 10 В с определенной тактовой частотой, например в 1Гц. Это значит, что мы мгновенно списываем показания напряжения в линии каждую секунду. Что произойдет, если именно в момент считывания помеха сильно отклонит напряжение, например с 10 вольт до 7,4 вольт? Правильно, ошибка, мы считаем ложную информацию! Проиллюстрируем этот момент:

Но мы должны помнить о том, что напряжение у нас мерится от корпуса (или от минуса). И фишка в том, что в радиоэлектронике (в электронике высокочастотных сигналов) большую отрицательную роль играют именно высокочастотные помехи , и вот она, собственно говоря, истина: в момент, когда помеха действует на центральную жилу коаксиального кабеля , та же самая помеха действует и на экран коаксиального кабеля , а напряжение мерится от корпуса (который соединен с экраном), поэтому разность потенциалов между экранной частью коаксиального кабеля и его центральной жилой остается неизменной.

Поэтому основная задача в защите от помех при передачи сигнала — держать экранный слой или провод как можно ближе к центральному и всегда на одном и том же расстоянии.

Что лучше защищает от электромагнитных помех — витая пара или коаксиальный кабель?

Сразу ответим на вопрос. Коаксиальный кабель защищает от помех лучше, чем витая пара .

В витой паре два провода свиты между собой и заизолированы друг от друга. Плюсовой провод при сгибах может на доли миллиметра отдаляться от минусового, что отдаляет, собственно, плюс от корпуса. Кроме того, сами жилы плюсового и минусового провода за счет изоляции уже имеют между собой определенный зазор. Помеха может проскочить, но вероятность достаточно мала.

В Коаксиальном кабеле экранный слой по кругу, полностью обволакивает центральную жилу. Помеха никак не может пройти через центральную жилу, минуя экран коаксиала. Кроме того, качество материала, из которого изготавливается коаксиальный кабель, по требованиям государственного стандарта превосходит качество материалов для витых пар . Точка.

Волновое сопротивление коаксиальных кабелей.

Волновое сопротивление

Основная характеристика коаксиального кабеля — волновое сопротивление . Это величина, в общем говоря, характеризующая затухание амплитуды сигнала в коаксиальном кабеле на 1 погонный метр.

Получается она из выражения частного от напряжения сигнала, передаваемого по коаксиальному кабелю , деленного на ток при этом напряжении в коаксиальном кабеле , мерится в Омах.

Но главное, запомните что она характеризует — затухание передаваемого сигнала. Это сама суть волнового сопротивления коаксиальных кабелей. Уменьшение амплитуды напряжения и тока — есть затухание сигнала.

Для того, чтобы окунуться в волновое сопротивление коаксиальных кабелей глубже, нужно знать много разных понятий о теории электромагнитных волн, таких как амплитуда без учета затухания, активное погонное сопротивление, коэффициент затухания электромагнитных волн в коаксиальном волноводе , несколько постоянных электрических величин, затем построить пару интегральных волновых графиков и понять, что все-таки, 77 Ом — идеально подходит для советского телевидения, 30 Ом — идеально подходит для всего кроме советского телевидения, ну а 50 Ом — золотая середина между советским телевидением, коаксиальным кабелем и всем остальным!

Но лучше — запомните суть, а остальному — поверьте на слово)

Стандарты волновых сопротивлений коаксиальных кабелей:

50 Ом. Самый распространенный стандарт коаксиального кабеля . Оптимальные характеристики по передаваемой мощности сигнала, электрической изоляции (плюса от минуса), минимальные потери сигнала при передаче радиосигнала.

75 Ом. Был широко распространен в СССР в части передачи телевизионного и видеосигнала и, что примечательно, оптимально подходит именно для этих целей.

100 Ом, 150 Ом, 200 Ом. Применяются крайне редко, в узкоспециализированных задачах.

Также, немаловажными характеристиками являются:

• упругость;
• жесткость;
• диаметр внутренней изоляции;
• тип экрана;
• металл проводника;
• степень экранировки.

Остались вопросы? Напишите в комментарии) Мы ответим!

Одним их параметров любой токопроводящей линии является волновое сопротивление. Особенную актуальность оно приобретает в высокочастотной радиопередающей технике, где малейшее рассогласование работы контура приводит к существенным искажениям на выходе. С другой стороны, каждый владелец компьютера, связанного с другими в локальную сеть, ежедневно сталкивается с понятием «волновое сопротивление». Стоит отметить, что появление сетей Ethernet на основе витой пары позволило конечному пользователю особо не задумываться о коннекторах, заземлениях, терминаторах и качестве разъемов, как это имело место при коаксиальных кабельных линиях на 10 мегабит (и меньше). Однако даже в отношении витой пары применим термин «волновое сопротивление». Вообще, на особенностях эксплуатации компьютерных сетей остановимся чуть позже.

Итак, что же такое волновое сопротивление? Как уже указывалось, это одна их характеристик токопроводящей линии на основе металлических проводников. Последняя оговорка необходима, чтобы не смешивать современные оптические линии передачи данных и классические медные провода, где носителями энергии выступают не заряженные частицы, а свет - там действуют другие законы. Эта величина указывает, какое значение сопротивления линия оказывает генератору (источнику модулированных электрических колебаний). Не следует путать которое можно измерить обычным мультиметром, и волновое сопротивление среды, так как это совершенно разные вещи. Последнее не зависит от длины проводника (уже этого достаточно, чтобы сделать выводы о «сходстве» сопротивлений). Физически оно равняется из отношения индуктивности (Генри) к емкости (Фарады). Небольшая ремарка: несмотря на то, что в расчетах используются реактивные составляющие линии, волновое сопротивление контура всегда в расчетах считается активным.

Лучше всего рассмотреть все на примере. Представим себе простейшую цепь, состоящую из источника энергии (генератора, R1), проводников, обладающих волновым сопротивлением (R2), и потребителя (нагрузки, R3). При равенстве всех трех сопротивлений вся переданная энергия достигает потребителя и там выполняет полезную работу. Если же на каком-либо участке это равенство не соблюдается, то возникает несогласованный режим работы. В точке, где нарушается соответствие, появляется отраженная волна, и часть электромагнитной энергии возвращается назад - к генератору. Соответственно, приходится повышать его мощность, чтобы компенсировать величину отраженной энергии. Другими словами, часть энергии затрачивается «впустую», а это означает потери и неоптимальный режим работы. Кроме того, в некоторых случаях рассогласование вообще нарушает функционирование всей линии.

Теперь вернемся к компьютерным сетям, где волновое сопротивление играет важную роль. Для линий на основе (50 Ом) важно соблюдение условия: сопротивления и проводника между ними должны быть равны. Только в этом случае работает система терминаторов и заземлений. Если же какой-либо участок кабельной линии физически немного растянуть (подвесить на проводнике груз), то из-за изменения диаметра проводников в этом месте изменится волновое сопротивление, возникнет отраженная волна, нарушающая работу системы. При этом замеренное активное сопротивление линии может практически не измениться (бюджетные приборы вообще не зарегистрируют увеличение сопротивления). Попытки восстановить линию путем пайки проводников на поврежденном участке еще больше усугубят ситуацию, так как появится не просто переходное сопротивление, а смесь различных сред (олово, медь), в которых волны распространяются по-разному.

При решении различного рода прикладных задач акустики, важное значение приобретают величины различных акустических сопротивлений - акустического, удельного акустического и механического.

Все эти сопротивления имеют активную и реактивную (управляемую гибкостью или массой)·составляющие.

Акустическое сопротивление

, (1)

где Ρ - звуковое давление;

- колебательная скорость в системе;

S - площадь, для которой определяют сопротивление.

Акустическое сопротивление используют при исследовании вопросов распространения звуковых волн в звукопроводах переменного сечения с поперечными размерами меньше длины волны. В этом случае сопротивление остается постоянным, так как давление вдоль канала не изменяется, а колебательная скорость изменяется обратно пропорционально площади поперечного сечения.

Удельное акустическое сопротивление, называемое иногда также волновым, определяется отношением величины звукового давления в определенной точке среды к величине колебательной скорости в этой же точке:

. (2)

Удельное акустическое сопротивление безграничной среды определяется произведением плотности на величину скорости распространения звука в среде:

. (3)

Таким образом, измерение удельного акустического сопротивления для безграничной однородной среды (практически это соответствует случаю, когда размеры образцов исследуемого материала значительно превышают длину звуковой волны) сводится κ измерению плотности среды и скорости распространения в ней звука.

Для малых размеров вещества по сравнению с длиной волны, неоднородных, имеющих сложную форму, удельное акустическое сопротивление по формуле (3) определить нельзя, кроме того, оно имеет комплексный характер, что обусловлено наличием угла сдвига фаз между звуковым давлением и колебательной скоростью.

Механическое сопротивление

численно равно отношению силы F, действующей на входе колебательной системы, к вызываемой ею колебательной скорости: . (4)

Пусть плоская волна

падает нормально на плоскую границу z=0 между двумя однородными средами. В первой среде возникает отраженная волна , а во второй - прошедшая .

Мы увидим сейчас, непосредственно произведя расчет, что отражение и прохождение всегда правильные. Отраженную и прошедшую волны можно записать в виде

, , и определяются свойствами сред и не зависят от формы волны. Для гармонических волн падающую, отраженную и прошедшую волны можно записать в виде , , .

Величины коэффициента отражения

и коэффициента прохождения нужно подобрать так, чтобы были удовлетворены граничные условия. Граничных условий два: равенство давлений и равенство скоростей частиц по обе стороны границы. Со стороны первой среды берется суммарное поле падающей и отраженной волны, со стороны второй - поле прошедшей волны.

Условие равенства давлений по обе стороны границы, или, что то же, непрерывность давления при переходе через границу, реально выполняется всегда. Нарушение этого условия вызвало бы бесконечное ускорение границы, так как сколь угодно тонкий слой сколь угодно малой массы, включающий внутри себя границу, находился бы тогда под действием конечной разности давлений по обеим сторонам слоя. В результате разность давлений выровнялась бы мгновенно.

Условие равенства скоростей выражает неразрывность среды на границе: среды не должны отдаляться друг от друга или проникать взаимно друг в друга. Это требование может на практике оказаться нарушенным, например, при кавитации, когда внутри жидкости образуются разрывы (разрывы возникают легче на границе двух сред, чем внутри одной среды). Будем считать, что нарушения граничных условий не происходит. В противном случае нижеследующий расчет неприменим, а отражение и прохождение окажутся неправильными.

Скорости частиц в падающей, отраженной и прошедшей волнах даются формулами

, , .

Граничные условия можно написать так:

, , .

Подставляя сюда соответственные выражения для давлений и скоростей частиц, найдем, сокращая на p(t):

, (5)

Число граничных условий равно числу возникающих (помимо падающей) волн - отраженной и прошедшей, так что, подбирая соответственным образом оставшиеся пока неопределенными множители

и , всегда можно удовлетворить обоим граничным условиям, причем единственным образом. И это правило общее. В других акустических задачах число граничных условий может оказаться другим. Тогда возникнет и другое число волн, но оно снова равно числу граничных условий.

В исключительных случаях удается удовлетворить граничным условиям меньшим числом волн (например, коэффициент отражения может обратиться в нуль), но никогда не бывает, чтобы при данном числе граничных условий падающая волна вызывала бы возникновение большего числа различных волн: так как равным числом волн уже можно удовлетворять граничным условиям, то получилось бы, что при одной и той же падающей волне и одних тех же препятствиях могут возникнуть различные волновые поля, а это противоречит принципу причинности.

Система (5) имеет единственное решение:

, . (6)

Это - так называемые формулы Френеля (для нормального падения). Мы видим, что коэффициенты отражения и прохождения зависят только от волновых сопротивлений сред, и если эти сопротивления равны для обеих сред, то для нормального падения плоской волны среды акустически неразличимы: отражение от границы отсутствует и волна проходит во вторую среду целиком, как если бы все пространство было заполнено только первой средой. Для такого полного прохождения вовсе не требуется, чтобы плотности обеих сред и скорости звука в них равнялись друг другу в отдельности, т. е. чтобы совпадали механические свойства сред: достаточно равенства произведений плотности на скорость звука.

В вопросах статики более жесткой средой естественно называть среду с меньшей сжимаемостью. Поведение таких сред ближе к поведению абсолютно жесткого тела, чем поведение сред с большей сжимаемостью. В акустике сжимаемость еще не определяет того, ведет ли себя данная среда по отношению к падающей на нее волне как податливая или как жесткая граница. В акустике следует сравнивать волновые сопротивления сред, т. е. отношения плотности к сжимаемости: та из двух сред жестче, для которой это ношение больше. Это обстоятельство снова подчеркивает своеобразие волновых задач сравнительно с задачами механики тел.

Меняя местами рс и р"с", найдем коэффициенты отражения и прохождения и для волны, падающей из второй среды на границу с первой: абсолютная величина коэффициента отражения будет та же, что и при падении из первой среды, но знак его изменится на обратный. Коэффициент прохождения изменится в отношении волновых сопротивлений сред. По абсолютной величине коэффициент отражения всегда меньше единицы (что следует и прямо из закона сохранения энергии); он положителен, если волна падает из среды с меньшим волновым сопротивлением, и отрицателен в обратном случае. Коэффициент прохождения всегда положителен и не превосходит 2.

Таким образом, отраженная и прошедшая волны равны:

, .

Волновое сопротивление

Зная комплексные амплитуды электрического и магнитного полей в коаксиальной линии передачи, можно вычислить мощность электромагнитного поля, переносимую вдоль оси :

Подставляя сюда выражения для комплексных амплитуд поля и проводя интегрирование, получаем

, Вт

Эту формулу можно рассматривать как выражение для мощности, выделяемой на некотором резисторе при подаче на него синусоидального напряжения . Поскольку , можно записать

.

Величина носит название волнового сопротивления коаксиальной линии передачи и имеет большое значение при решении вопросов ее реализации. Это объясняется тем, что часто используют последовательное включение линий передачи, обладающих различающимися параметрами, например, диаметрами проводников. Естественным требованием, предъявляемым к стыку двух линий, является согласование, т. е. отсутствие отражений от данной сосредоточенной неоднородности. Поскольку в плоскости стыка напряжение есть непрерывная функция координаты , мощность может быть целиком передана из одной линии в другую лишь при условии согласования:

Данная формула во многих случаях служит критерием согласования с достаточной для инженерных целей точностью. Приближенность ее заключается в том, что здесь не учитывается изменения структуры поля в непосредственной близости от плоскости скачка геометрических размеров, происходящее за счет возбуждения нераспространяющихся колебаний высших типов.

Возможность использования понятия волнового сопротивления для линий передачи с волнами ТЕМ объясняется тем, что здесь напряжение , в отличие от волноводов, может быть введено однозначным образом. Поэтому волновое сопротивление полностью характеризуется геометрическими параметрами поперечного сечения, а также диэлектрической проницаемостью использованного материала.

Отметим также, что волновое сопротивление линии можно выразить через ее погонную емкость. В случае ТЕМ-волны в любой однородной идеальной линии текут только продольные поверхностные токи. Их плотность связана с плотностью поверхностных зарядов уравнением непрерывности

,

которое можно записать в виде

.

Интегрируя последнее равенство по контуру поперечного сечения проводника, по которому течет рассматриваемый ток, получим

где − комплексная амплитуда заряда на единицу длины проводника. Учитывая общее выражение для волнового сопротивления и определение понятия емкости конденсатора , получим

,

где − погонная емкость линии. В случае коаксиальной линии определяется выражением для емкости цилиндрического конденсатора, которое получается при рассмотрении задач электростатики в курсе общей физики.

Рассмотрим обтекание профиля при числах Маха . В этом диапазоне чисел возникают зоны местных сверхзвуковых скоростей, замыкающиеся скачками уплотнения, необратимые потери механической энергии в которых вызывают дополнительное волновое сопротивление.

Физическая природа волнового сопротивления. Рассмотрим схему обтекания профиля закритическим потоком (рис. 8.8). На верхней поверхности симметричного профиля при нулевом угле атаки приведена схема течения, а на нижней – соответствующая ей эпюра давления.

В передней критической точке скорость течения , а давление . При удалении от передней критической точки давление уменьшается, а скорость течения увеличивается. В точке А профиля и . Далее вниз по потоку скорость течения становится сверхзвуковой и продолжает расти, а давление уменьшается. Непосредственно перед скачком и . За скачком уплотнения скорость течения становится дозвуковой, давление , и при приближении к задней кромке скорость течения продолжает изоэнтропически уменьшаться до нуля, а давление возрастает до давления заторможенного за скачком уплотнения потока.

Если бы в рассмотренном диапазоне скоростей было возможно только изоэнтропическое обтекание (без скачков), то давление в кормовой части профиля было бы выше и равно . Скачок уплотнения приводит к понижению давления в кормовой части, что и обусловливает появление дополнительного, так называемого волнового, сопротивления.

Волновое сопротивление тем больше, чем больше потери полного давления в скачке. Величина коэффициента волнового сопротивления зависит от числа Маха перед скачком уплотнения. Чем больше , тем меньше коэффициент восстановления полного давления , т. е. больше потери и больше коэффициент волнового сопротивления.

Приближенный метод определения волнового сопротивления. Рассмотрим профиль со скачком на верхней поверхности (рис. 8.9). Выделим элементарную струйку, проходящую через скачок уплотнения. Проведем на расстоянии, достаточно удаленном от профиля, две контрольные поверхности I–I и II–II.

Параметры течения на поверхности I–I – , а на II–II – .

Из условия постоянства расхода следует: = , где dy – элемент длины вдоль контрольной поверхности. Применяя теорему о количестве движения к массе газа, заключенной между контрольными поверхностями, получаем следующее:

где – волновое сопротивление. С учетом уравнения неразрывности и принимая во внимание, что , выражение для запишем как

Во всех струйках, не пересекающих скачок уплотнения, и . Тогда для определения величины силы сопротивления интегрирование можно производить только по длине скачка. Считая , получаем: . Но так как , а также учитывая, что и , получаем . Поскольку , то , и при уменьшении величины коэффициента восстановления полного давления (с увеличением числа Маха и интенсивности скачка) сила волнового сопротивления возрастает.

После некоторых преобразований можно получить выражение для коэффициента волнового сопротивления профиля:

(8.2)

где А – постоянный коэффициент, который в общем случае зависит от формы профиля (для большинства современных профилей А ).

Формулой (8.2) можно пользоваться до . Из нее следует, что при заданном уменьшение возможно путем увеличения .

Особенности обтекания крыла конечного размаха

дозвуковым потоком

Аэродинамические характеристики крыла конечного размаха зависят как от формы сечения (профиля), так и от формы крыла в плане.

Рассмотрим крыло конечного размаха. Заметим, что характеристики сечений крыла различны из-за влияния перетекания воздуха через боковые кромки крыла. Профиль, а значит и крыло, создает подъемную силу только тогда, когда циркуляция вектора скорости вокруг профиля . То есть, по своему действию можно заменить систему профилей, составляющих крыло, присоединенным вихрем. Заменим крыло простейшей вихревой системой – одним П-об-разным присоединенным вихрем (рис. 8.10).

Циркуляцию скорости Г присоединенного вихря в данной задаче определим исходя из условия равенства подъемной силы крыла силе, создаваемой П-образным вихрем: , т. е.

где – расстояние между свободными полубесконечными вихрями, сбегающими с концов крыла. Это расстояние больше размаха крыла на некоторую величину: . Можно принять, что .

Каждый свободный концевой вихрь индуцирует вокруг себя поле скоростей. Профили скорости для левого и правого концевых вихрей, а также эпюра суммарной скорости приведены на рис. 8.10. При начале координат в центре крыла величина скорости, индуцируемой обоими вихрями и направленной вниз, может быть определена по формуле Био–Савара для полубесконечного вихря как

. (8.4)

Средняя по размаху крыла скорость или с учетом выражения (8.4) после интегрирования получим

. (8.5)

Подставив значение циркуляции из уравнения (8.3), учтем, что , и проведем замену (удлинение крыла). Тогда при получим , и из формулы (8.5) следует, что

Анализ формулы (8.6) показывает, что за появление индуцированной скорости ответственны подъемная сила и конечность крыла (для реального крыла ). Индуктивная скорость изменяет действительный угол атаки крыла (рис. 8.11), поскольку вблизи поверхности крыла скорость течения .

Скорость перпендикулярна вектору , и ее называют скоростью скоса потока . Действительный вектор скорости отклоняется от вектора скорости набегающего потока на угол скоса .

Ввиду малости угла скоса, . С учетом формулы (8.6)

Допустим, что крыло установлено под углом к вектору скорости набегающего потока (установочный угол атаки). Вследствие скоса потока истинный угол атаки крыла равен . Чем больше удлинение крыла , тем меньше скос потока и меньше различие между истинным и установочным углами атаки.

Создаваемая крылом подъемная сила , перпендикулярная вектору местной скорости , дает составляющую на направление скорости набегающего потока. Поскольку появление этой составляющей спровоцировано скосом потока за счет индуцированных концевыми вихрями скоростей, то ее принято называть силой индуктивного сопротивления . В соответствии с рис. 8.11 можно записать выражения для коэффициентов подъемной силы и индуктивного сопротивления: .

Ввиду малости и . С учетом выражения (8.7) для угла скоса потока, получим

Формула (8.8) показывает, что индуктивное сопротивление обязано своим появлением подъемной силе – главной цели создания крыльев – и конечности размаха крыла. Индуктивное сопротивление и коэффициент индуктивного сопротивления равны нулю при нулевой подъемной силе () или при .

Линеаризованная теория обтекания плоской пластинки

сверхзвуковым потоком

Рассмотренная ранее схема линеаризации течений разрежения и уплотнения (см. гл. 5) позволяет просто решить задачу обтекания плоской пластинки при малых углах атаки a.

Рассмотрим обтекание плоской пластинки, расположенной под малым углом атаки к вектору скорости набегающего потока (жидкость идеальная). В сверхзвуковом потоке малые возмущения против вектора скорости не распространяются, поэтому на плоскую пластинку набегает невозмущенный поток и обтекание ее верхней и нижней поверхностей можно рассматривать независимо друг от друга (рис. 8.12).

Линия тока, направленная вдоль верхней поверхности, испытывает в носовой части возмущение в виде разрежения , а в кормовой части – в виде сжатия . Для нижней поверхности порядок следования возмущений противоположный .

Так как между передней и задней кромками обеих поверхностей нет источников возмущения, то скорости потока и давления на этих поверхностях постоянны и равны и . Для нахождения давлений и коэффициентов давлений воспользуемся полученными ранее формулами (5.10) и (5.10а) для линеаризованного течения, подставляя в них и учитывая, что для верхней поверхности , а для нижней . Тогда