Файл: Конспект лекций по учебной дисциплине направляющие системы связи По специальности (направлению подготовки) 11. 03. 02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи.pdf

а)
б)

Рис. 2.19. Примеры конструкций ОК: а – модульная конструкция; б – с профилированным сердечником
Отдельно следует сказать об оптических кабелях ленточной конструкции
(рис. 2.20). В таких кабелях 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. 2.20, а), или адгезивного слоя и наложенных поверх синтетических лент (рис.2.20, б).
Рис. 2.20. Примеры конструкций ленточного оптического модуля: а) с полимерным защитным материалом; б) с дополнительным защитным покрытием из адгезивного слоя и синтетических лент: 1 – ОВ в защитном покрытии; 2 – полимерный материал; 3 – адгезивный слой; 4 – синтетическая лента
Из линейных элементов (лент) может создаваться матрица (единичный блок) с определенным числом ОВ, который затем размещается либо в центральной модульной трубке из полимера (рис. 2.21, а), либо в нескольких модульных трубках (2.21, б), либо в пазах спиралеобразного профилированного сердечника (рис. 2.19, б). а) б)
Рис. 2.21. Примеры ОК ленточных конструкций: а – с центральным модулем; б – с повивом модулей.

Различают оптические кабели с волокном со свободной укладкой и в буферном покрытии (рис. 2.22). ОК с волокном со свободной укладкой - это кабели модульной конструкции, рассмотренные выше (рис. 2.18, 2.19 а), в которых ОВ свободно уложено в модульной трубке. Такие кабели обычно применяются для наружной прокладки.
Кабели с волокнами в плотном буферном покрытии, как правило, применяются для прокладки внутри зданий. Плотный буферный слой увеличивает сопротивляемость ОВ к сжатию и изгибам. Но при этом, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) буферного покрытия и ОВ - различны. При понижении температуры окружающей среды буферное покрытие сжимается сильнее, чем ОВ и это может приводить к увеличению затухания ОВ. Общеизвестно, что кабели наружной прокладки испытывают температурные воздействия в большем диапазоне, чем кабели, прокладываемые в здании. Поэтому, ОК с волокнами в буферном покрытии часто используются в качестве распределительных ОК, например, в сетях FTTH
PON, т.е. там, где на них не будет воздействия значительных отрицательных температур.
Гидрофобные заполнители. В качестве гидрофобных заполнителей, защищающих ОК от распространения влаги, преимущественно применяют гидрофобные гелеобразные компаунды (гидрофобные гели). Гидрофобным гелем заполняется свободное пространство как в модулях с ОВ, так и межмодульное пространство в оптическом сердечнике кабеля.
Однако в некоторых конструкциях ОК вместо гидрофобного геля в сердечнике ОК могут применяться водоблокирующие нити и ленты. Такие конструкции называют ОК с «сухим» сердечником (рис. 2.23).
Водоблокирующие нити и ленты выполняются на основе порошкообразных материалов (в основном, на основе распушенной целлюлозы, разбухающей при контакте с водой и образующей «пробку» для дальнейшего ее распространения). Достоинством подобных конструкций ОК является сокращение времени разделки кабеля при монтаже. При разделке ОК водоблокирующие ленты и нити просто срезаются, в то время как очистка модулей от гидрофоба производится с применением специальной жидкости
(например D-Gel) и занимает намного больше времени, поскольку требуется тщательная протирка каждого модуля. Тем не менее, конструкции ОК с
«сухим» сердечником применяются намного реже, чем ОК с гидрофобом.

Рис. 2.23. Пример оптических кабелей с «сухой» конструкцией сердечника
Гидрофобные гели, используемые в модулях, помимо задачи защиты ОВ от воздействия влаги выполняют также функцию амортизатора для ОВ при механических воздействиях на ОК, и функцию смазки, уменьшающей трение между ОВ и стенкой оптического модуля.
Гидрофобные гели, применяемые для заполнения модулей и гидрофобные гели, применяемые для заполнения сердечника ОК, несколько отличаются по характеристикам (диапазоном рабочих температур, вязкость и т.д.). Внутримодульные заполнители характеризуются значительно более высоким предъявляемыми к ним требованиями и имеют меньшую 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 геля.
Лекция №3
Основы электродинамики направляющих систем электросвязи
3.1 Исходные положения электродинамики. Основные характеристики сред распространения электромагнитного поля.
Существуют две основных разновидности объектов материального мира:
Вещество
Электромагнитное поле.
Объектом изучения электродинамики является электромагнитное поле. Оно проявляет себя силовым воздействием на частицы, обладающие зарядом. Так же, как и вещество, электромагнитное поле обладает массой, энергией и скоростью. Оно характеризуется распределением в окружающем пространстве и обнаруживает дискретность структуры. С целью упрощения исследования единое электромагнитное поле разделяют на две составляющих: электрическое и магнитное поле. Если неподвижные заряды создают только электрическое поле, то движущиеся заряды создают и электрическое и магнитное поля. Если наблюдатель будет двигаться с той же скоростью, что и электрический заряд, то для него будет создаваться только электрическое поле. А для неподвижного наблюдателя будет создаваться и электрическое и магнитное поля, то есть введение данных понятий относительно. Электрические и магнитные свойства любой среды полностью характеризуются тремя параметрами:
Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды:

0
a
r


 
Где:
9 0
10 36
Ô
ì

 

 
 


– это диэлектрическая проницаемость среды в вакууме.
r

– относительная диэлектрическая проницаемость среды. Это величина безразмерная. Она показывает, во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницаемость среды больше, чем диэлектрическая постоянная.
Абсолютная магнитная проницаемость среды:
0
a
r

 

Где
7 0
4 10
Ãí
ì












это магнитная проницаемость вакуума, или магнитная постоянная:
r


относительная магнитная проницаемость среды. Она показывает во сколько раз магнитная проницаемость среды больше магнитной постоянной.
Для всех цветных металлов и диэлектриков
0
,
1.
a
r

 


Удельная электрическая проводимость:
1
, =
Ñì
Î ì
ì
ì















Электромагнитное поле в каждый произвольный момент времени в любой среде полностью характеризуется четырьмя величинами:
E, D,B, H.
E -
напряженность электрического поля, действующая на неподвижный точечный положительный заряд q.
D -
вектор электрической индукции, связывающий параметры электромагнитного поля с электрическими свойствами среды.
Измеряется в Кл/м
2

B -
магнитная индукция. Определяется как сила, с которой действует магнитное поле на единичный положительный точечный заряд, движущийся с единичной скоростью в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля.
a
Âá
ì








B
H
H -
напряженность электромагнитного поля.
Характеризует интенсивность магнитного поля.
Любые материалы по параметрам
,
,
a
a
  
делятся на однородные, линейные,
изотропные, анизотропные.
Однородная среда:
Материальная среда является однородной, если в пределах некоторого объема, занимаемого данной средой, параметры
,
,
a
a
  
не зависят от координаты в пределах данного объема, то есть












, ,
, ,
, ,
, ,
, ,
, ,
a
a
f x y z
f z r
f x y z
f z r
f x y z
f z r












Линейная среда:
Если параметры
,
,
a
a
  
не зависят от величины приложенного воздействия, то среда линейная, а если зависят, то среда нелинейная.
Изотропная среда:
,
,
a
a
  
являются скалярными величинами.
Анизотропная среда:
Среда будет анизотропной, если хотя бы одна из величин
,
,
a
a
  
– вектор
(тензор).
Все реальные среды по электрическим свойствам делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Для проводников преобладающим током является ток проводимости
Для диэлектриков преобладает ток смещения.
Для полупроводников выполняется условие сопоставимости токов проводимости и смещения.
Деление материальных сред на проводники, полупроводники и диэлектрики условно и носит относительный характер, так как в значительной степени зависит от скорости изменения электрического поля, то есть от частоты.
Частотную зависимость среды можно охарактеризовать произведением
a

Магнитные свойства среды можно охарактеризовать произведением
a

Таким образом, можно охарактеризовать любую среду в зависимости от частоты электромагнитного поля.
В материальных средах существует два вида поля:
Потенциальное поле. Его силовые линии имеют начало и конец. Они тесно связаны со своим источником, то есть чисто потенциальным полем является электрическое поле, силовые линии которого начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
Вихревое поле. Его силовые линии всегда непрерывны. Они не имеют ни начала, ни окончания, и представляют собой замкнутую петлю.
Магнитное поле является полностью вихревым.
3.2 Основные уравнения электродинамики в интегральной и дифференциальной форме
Первое уравнение Максвелла:
Линейный интеграл напряжённости магнитного поля по любому замкнутому контуру равен полному току, проходящему через поверхность, ограниченную этим контуром.
пр
см
dl
I
I


H

Второе уравнение Максвелла:
ЭДС контура при изменении магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную контуром, равна скорости изменения этого потока со знаком минус.

Г

i пр i
см

,
a
d
dl
S
dt



Ф
E
Ф
H
На практике для НСЭ чаще требуется определять электромагнитное поле не в пределах некоторого контура или объёма, а в конкретной точке пространства.
Для этого используют запись уравнений в дифференциальной форме:
a
a
ï ð
a
ñì
rot
i
rot
i
i







 


H
E
E
E
H
E
i
E
i
Данная запись предполагает, что электромагнитное поле имеет гармоническую форму или представляется в виде набора гармоник. При этом: max
,
,
i t
d
d
e
i
i
dt
dt






E
H
E
E
E
H
Электрическое поле любой формы может быть представлено в виде набора гармонических составляющих, для которых справедлива данная запись уравнений Максвелла в дифференциальной форме. Понятие ротора значит,
что соответствующее поле является вихревым, то есть силовые линии
поля действуют по замкнутым контурам. Соответственно для первого уравнения Максвелла можно сказать, что вокруг вектора любого тока образуется вихревое магнитное поле, направление действия которого подчиняется правилу «буравчика».
Второе уравнение Максвелла показывает, что если магнитное поле является переменным, то вокруг вектора напряжённости магнитного поля образуется вихревое электрическое поле, связанное с магнитным. В свою очередь электрическое поле вызывает в пространстве магнитное поле и так далее.

i
пр i
см
H
E
Таким образом, система уравнений
Максвелла показывает, что электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде взаимосвязанных магнитных и электрических вихревых полей.
Кроме первого и второго уравнений Максвелла существуют два вспомогательных уравнения:
div


D
,
–
определяет плотность заряда (измеряется в Кл/м
3
).
Фактически это уравнение есть закон Кулона, который показывает, что силовые линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах, образующих данное поле. То есть силовые линии электрического поля могут иметь начало и окончание
0
div

B
где второе вспомогательное уравнение есть закон непрерывности силовых линий магнитного поля и показывает, что магнитных зарядов в природе не существует, и соловые линии вихревого магнитного поля не имеют ни начала, ни окончания.
В зависимости от вида среды преобладают токи проводимости или токи смещения, что изменяет запись уравнений Максвелла.
Для металлических проводников, где действуют только токи проводимости, система уравнений Максвелла записывается:
,
a
rot
rot
i






 

H
E
E
H
Для диэлектриков, где действуют только токи смещения, система уравнений
Максвелла записывается:
,
a
a
i
rot
rot
i






 


H
E
E
H

Для направляющих систем электросвязи принята цилиндрическая система координат


, ,
z r

, причём ось направляющей системы всегда совмещается с координатой z, r – радиус направляющей системы, координата  – смещение точки по границе раздела двух сред. z
r

Соответственно векторы напряжённости электрического и магнитного полей будут представлены в виде трёх составляющих по соответствующим координатам. Таким образом система из двух основных уравнений максвелла будет представлена в цилиндрической системе координат в виде шести уравнений по соответствующим координатам.
3.3 Система уравнений Максвелла в цилиндрических координатах для проводников:
1 1
1
z
a
r
z
a
r
z
dE
i
H
r d
dE
i
H
dr
dH
H
H
E
dr
r
r d









 












После дифференцирования H
r по  и H
 по r и подстановки полученных значений в исходную систему уравнений можно из трёх дифференциальных уравнений первого порядка получить одно дифференциальное уравнение второго порядка для соответствующей составляющей электрического поля.
Получим волновое уравнение (уравнение ГЕЛЬМГОЛЬЦА):

2 2
2 2
2 2
1 1
z
z
z
z
d E
dE
d E
ik E
dr
r d
r
d





Где k – волновое число среды, которое определяется выражением:
2 2
,
a
a
k
  

причём
a

может быть комплексным числом.
Если нам необходимо найти составляющую магнитного поля H
z
, то запись дифференциального уравнения второго порядка полностью аналогична при замене E
z на H
z
. Дифференциальное уравнение второго порядка получило название волнового уравнения. Оно определяет действие составляющих поля по координате z. Действие поля по координате  можно определить из исходной системы уравнений:
1
z
a
dE
dH
i
dr





 






Зная действие составляющих поля в соответствующих точках пространства, мы можем однозначно решить любую электродинамическую задачу.
3.4 Граничные условия для векторов электромагнитного поля.
При решении электродинамических задач в системах электросвязи необходимо располагать сведениями о поведении электромагнитного поляна границе раздела сред. Это граница металл – диэлектрик в электрических кабелях связи или граница диэлектрик – диэлектрик для волоконных световодов. Если параметры на границе раздела сред изменяются скачкообразно, то в общем случае компоненты векторов электрического поля также претерпевают разрыв в точках границы. Состояние электрических полей на границах раздела сред формируются в виде граничных условий.
Получение решений электродинамической задачи связано с наложением граничных условий.
Рассмотрим действие вектора электромагнитного поля на границе раздела двух сред.
Первое граничное условие:
1 1
1
a
a
  
2 2
2
a
a
  
E

E
n
E
1 2



E
E
Таким образом, на границе раздела двух сред тангенциальные составляющие электрического поля равны между собой.

Второе граничное условие:
1 2
n
n

D
D
На границе раздела двух сред нормальные составляющие векторов электрической индукции равны между собой.
Соответствующие условия выполняются для H и B:
1 2
1 2
n
n









1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11