ОАО «РЖД»

Иркутский государственный университет

Путей сообщения

Ю.Л. Ломухин, Н.Н. Климов.

Линии автоматики телемеханики и

связи на железнодорожном транспорте.

Учебное пособие по дисциплине

«Линии автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте»

Иркутск

1

2005 Оглавление Введение……………………………………………………………………………………………..5 Глава I. Основы электродинамики направляющих систем……………………………………....8 1.1. Типы направляющих систем и их пропускная способность……………………..8 1.2. Основные уравнения электромагнитного поля. Волновые уравнения………...13 1.3. Волновые процессы в свободном изотропном пространстве. Плоские волны.. 1.4. Распространение волн в диэлектрических и проводящих средах……………... 1.5. Баланс электромагнитной среды…………………………………………………. 1.6. Электромагнитные волны в линиях передачи…………………………………... 1.7. Режимы передачи сигналов по направляющим системам……………………… 1.8. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах……… 1.9. Полное внутреннее сопротивление одиночного провода……………………… 1.10. Уравнения двухпроводной линии ……………………………………………….. 1.11. Первичные параметры цепей воздушных линий……………………………….. 1.12. Первичные параметры цепей симметричных кабелей…………………………. 1.13. Волновые параметры симметричных цепей воздушных и кабельных линий… 1.14. Волны в коаксиальной линии ……………………………………………………. 1.15. Передача сигналов по волноводной линии……………………………………… 1.16. Контрольные вопросы к главе №1………………………………………………. Глава II. Волоконно-оптические линии связи…………………………………………………... 2.1. Структурная схема волоконно-оптической системы связи…………………….. 2.2. Волокно со ступенчатым профилем. Лучевой метод…………………………... 2.3. Электродинамический (волновой) подход………………………………………. 2.4. Групповая и фазовая скорости волн в оптическом волокне………………….... 2.5. Распространение волн в градиентном волокне. Лучевой подход……………... 2.6. Параметры передачи волоконных световодов…………………………………... 2.7. Контрольные вопросы к главе №2………………………………………………. Глава III Конструкции и свойства линий автоматики телемеханики и связи………………… 3.1. Воздушные линии связи и высоковольтные линии автоблокировки ………… 3.2. Высоковольтно-сигнальные линии автоблокировки…………………………… 3.3. Линий ДПР и ПР…………………………………………………………………... 3.4. кабельные линии АТС…………………………………………………………….. 3.5. Кабели связи……………………………………………………………………….. 3.6. Элементы конструкции электрических кабелей связи…………………………. 3.7. Скрутки жил симметричных кабелей в группы………………………………… 3.8. Кабели связи, применяемые на ж/д транспорте………………………………… 3.9. Низкочастотные кабели многоканальной связи………………………………… 3.10. Кабели местной связи…………………………………………………………….. 3.11. Коаксиальные кабели……………………………………………………………... 3.12. Оптические кабели связи…………………………………………………………. 3.13. Волоконно-оптические кабели связи для ж/д дорог России………………….. 3.14. Сигнально-блокировочные кабели……………………………………………... 3.15. Кабели для сигнализации и блокировки с гидрофобным заполнением……… 3.16. Силовые и контрольные кабели………………………………………………… Глава IV. Кабельные линии, магистрали и сети ………………………………………………. 4.1. Виды кабельных линий………………………………………………………….. 4.2. Кабельные магистрали связи……………………………………………………. 4.3. Кабельные сети связи на станциях……………………………………………... 4.4. Кабельные сети напольных устройств автоматики и телемеханики на станциях……………………………………………………………………………………….. 4.5. Кабельные линии централизованной автоблокировки на перегонах………… 4.6. Контрольные вопросы к главе №3 и №4……………………………………… Глава V. Электромагнитная совместимость в линиях АТС…………………………………... 5.1. Электрическое и магнитное влияние…………………………………………… 5.2. Влияющие цепи………………………………………………………………….. 5.3. Особенности внешнего влияния на однопроводные и двухпроводные цепи.. 5.4. Методика определения индуцированных напряжений и токов при взаимном влиянии…………………………………………………………………………………… 5.5. Коэффициенты электромагнитной связи между двухпроводными цепями при взаимном влиянии……………………………………………………………………….. 5.6. Параметры взаимной связи между однопроводными воздушными линиями с учетом земли……………………………………………………………………………... 5.7. Внешнее влияние на цепи АТС. Меры защиты……………………………….. 5.8. Предельно-допустимые значения опасных и мешающих влияний…………... 5.9. Меры защиты от опасных и мешающих внешних влияний…………………... 5.10. Взаимное влияние между цепями на воздушных и кабельных линиях……… 5.11. Переходное затухание и защищенность………………………………………... 5.12. Зависимость переходного затухания от длины линии и частоты тока при непосредственном влиянии…………………………………………………………………... 5.13. Косвенное влияние………………………………………………………………. 5.14. Влияние между коаксиальными цепями……………………………………….. 5.15. Меры защиты от взаимных влияний. Скрещивание цепей воздушных линий………………………………………………………………………………...…… 5.16. Переходное затухание между скрещенными цепями…………………………. 5.17. Скрутка кабельных жил…………………………………………………………. 5.18. Переходное затухание между цепями в кабельных линиях…………………... 5.19. Симметрирование кабельных линий………………………………………….... 5.20. Меры защиты подземных кабелей от коррозии……………………………….. 5.21. Защита от атмосферного электричества………………………………………... 5.22. Контрольные вопросы к главе №5……………………………………………… Глава VI. Структурированные кабельные системы (СКС)…………………………………… 6.1. Общие сведения о СКС………………………………………………………...…… 6.2. Структура СКС. Топология СКС…………………………………………………... 6.3. Понятие классов и категорий и их связь с длинами кабельных трасс…………... 6.4. Электрические компоненты СКС………………………………………………….. 6.5. Передача электрических сигналов по витым парам……………………………… 6.6. Первичные электрические параметры витой пары. …………………………….... 6.7. Вторичные параметры кабелей из витых пар. ……………………………………. 6.8. Контрольные вопросы к главе №6…………………………………………………. Глава VII. Основы проектирования ВОЛС……………………………………………………. 7.1. Содержание технического задания………………………………………………… 7.2. Процесс проектирования. …………………………………………………………. 7.3. Выбор оптического кабеля…………………………………………………………. 7.4. Методика инженерного расчета параметров оптического линейного тракта (ОЛТ) цифровой волоконно-оптической линии связи – ЦВОЛС…………………………………….. 7.5. Расчет длины регенерационного участка (РУ)……………………………………. 7.6. Расчет быстродействия ВОЛС……………………………………………………... 7.7. Определения минимального допустимого уровня приема-порога чувствительности……………………………………………………………………………………………….... 7.8. Определение уровня передачи источника оптического излучения……………… 7.9. Пример расчета оптического линейного тракта…………………………………... 7.10. Контрольные вопросы к главе №7……………………………………………....... Характеристика сетей АТС на железнодорожном транспорте.

Для обеспечения большой пропускной способности ж/д участков при одновременном повышении безопасности движения необходима сложная разветвленная сеть связи.

Впервые подземный кабель связи с изоляцией из гуттоперчи был проложен П.Л.

Шиллингом (русский ученый) в 1851 г. вдоль ж/д дороги Петербург-Москва.

В 1854 подземный кабель был заменен воздушной телеграфной линией. Позже на ж/д стали применять и телеграфную связь, как по воздушным, так и кабельным линиям.

В настоящее время все шире применяются волоконно-оптические кабели для цифровых систем передачи информации.

Внедрение на транспорте систем перегонного регулирования движения поездов приводит к необходимости увеличения числа цепей для устройств автоматики и телемеханики.

Внедрение и распространение электрической централизации стрелок и сигналов на станциях обусловило использование весьма разветвленных кабельных станционных сетей:

- кабельных линий светофоров;

- кабельных линий стрелок;

- кабельных линий рельсовых цепей а) линии питающих трансформаторов, б) кабельная сеть релейных трансформаторов.

Следует также отметить, что электроснабжение перегонных устройств автоматики и телемеханики и других линейных потребителей на перегонах и малых станциях осуществляется с помощью специальных высоковольтных линий. К данным линиям относятся:

- высоковольтно-сигнальные линии автоблокировки;

- высоковольтные линии продольного электроснабжения потребителей;

- тяговая цепь 3,3 Кв постоянного тока и 27,5 Кв переменного тока.

Перечисленные линии, включая кабельные и воздушные линии связи и автоматики, располагаются в пределах отведенной полосы 100 м в окрестности ж/д полотна.

Укажем коротко назначение и устройство линий ж/д.

Сеть связи МПС включает в себя первичную сеть линий и узлов связи, а также вторичные сети связи.

Первичная сеть линий и узлов связи дает возможность связи МПС со всеми управлениями дорог, а через них – с отделениями и важнейшими ж.д. станциями.

Ко вторичным сетям относят сети многоканальной телефонной и телеграфной связи, сети оперативно-технологической связи, сети передачи данных автоматической системы управления железнодорожным транспортом (АСУЖТ).

Вторичные сети связи делятся на магистральные (от МПС до управления дорог и последних между собой), дорожные (от управлений дорог до подчиненных и последних между собой) и отделенческие, соединяющие отделения дорог с входящими в них станциями и станции между собой.

В систему оперативно-технологической связи входят:

- поездная диспетчерская (ПДС) – связь, в которую включены телефоны дежурных по станциям и в депо на участках в 100-200 км;

- поездная межстанционная (МЖС), связывающая дежурных по двум соседним - постанционная (ПС), используемая работниками станции для переговоров;

- линейно-путевая (ЛПС), служащая для переговоров линейных работников дистанции пути между собой и с руководством дистанции;

- перегонная (ПГС), обеспечивающая возможность включения в нее переносного телефонного аппарата для связи бригады остановившегося на перегоне поезда или ремонтных путевых бригад.

По каналам телемеханики передаются сигналы диспетчерской централизации, диспетчерского контроля и других систем автоматики и телемеханики.

На воздушных линиях используют полосу частот от 0 до 150 кГц (16 телефонных каналов тональной частоты по одной паре проводов (1 канал 4,5 кГц)), на симметричных кабелях используют полосу от 0 до 34 МГц (480 каналов по двум парам жил, находящимся в разных кабелях). Коаксиальные кабели уплотняют в диапазоне до 60 МГц (10 800 тел. каналов по двум коаксиальным парам в одном кабеле).

При использовании оптического диапазона возможна организация сотен тысяч телефонных или сотен телевизионных каналов (1 телев. канал 6 МГц).

Увеличение объема информации, передаваемой по линиям на ж.д., особенно цифровой, требует непрерывного усовершенствования линий автоматики, телемеханики и связи.

Эти линии должны удовлетворять не только потребности телефонной связи, но и потребности в передаче данных для вычислительных центров, кодов управления и контроля устройств автоматики и телемеханики.

При строительстве и эксплуатации линий связи на ж/д приходится решать ряд проблем. Поскольку, как уже отмечалось, линейные сооружения расположены на ограниченной территории, то возникает необходимость разрабатывать мероприятия по уменьшению взаимного влияния. По этой причине целесообразно переходить на кабельные линии, к тому же, кабельные линии обладают большей пропускной способностью, чем воздушные и они более надежны при эксплуатации.

Линейные сооружения – это дорогие устройства. Поэтому при проектировании необходимо сочетание экономической целесообразности с практической потребностью.

1.1 Типы направляющих систем и их пропускная способность Направляющими системами называют устройства, канализирующие электромагнитную энергию в заданном направлении.

Электромагнитная энергия – это энергия, связанная с электромагнитным полем, которое определяется как особый вид материи, обладающей массой (при движении), импульсом и проявляющееся в силовом воздействии на заряды и электрические токи.

Направляющими системами, канализирующими электромагнитное поле, несущего информацию в виде сигналов (модулированных по частоте, амплитуде и т.д.) являются цепи воздушных и кабельных проводных линий, металлические и диэлектрические волноводы (открытые и закрытые), направляющие поверхности и т.д.

Направляющие системы можно разделить на две группы:

1. Направляющие системы, в которых процесс распространения сигналов подчиняется телеграфным уравнениям. Эти системы называют цепями. В данных системах выполняется условие >>D, где – длина волны колебаний тока или напряжения, D – характерный размер системы – чаще всего поперечный размер.

2. Направляющие системы, в которых имеет место условие D.

Рассмотрим кратко каждую группу:

Общий признак систем первой группы – это наличие не менее чем двух проводов.

Симметричная двухпроводная цепь (рис. 1.1). Эта система распространена на воздушных и кабельных линиях.

Несимметричная цепь (рис. 1.2). Вторым проводом здесь часто служит земля.

Искусственные (фантомные) или наложенные цепи (рис. 1.3. а, б).

На рис. 1.3 (а,б) цепи 1 и 2 – это основные цепи, цепь 3 – искусственная, образованная двумя проводами, роль которых играют цепи 1 и 2. На рис. 1.3 (б) цепь 1 – основная, 2 – искусственная двухпроводная цепь в качестве проводов используется цепь 1 и земля.

Несимметричная полосковая линия (рис. 1.4 (а)) и симметричная полосковая линия (рис. 1.4 (б)).

Ширина внешних полос должна быть не менее, чем в 2,5-3 раза больше внутренней, поскольку, только в этом случае поле будет сосредоточено внутри структуры.

Коаксиальная линия (рис. 1.5). Эта линия может быть получена из симметричной полосковой (рис. 1.4 (б)), если замкнуть внешние полоски.

Трехфазные цепи, воздушные и кабельные (рис. 1.6).

Эти устройства часто используются, как линии электропередач.

Вторая группа – это направляющие системы, характерным отличием которых является наличие одного направляющего элемента.

Металлические волноводы (рис. 1.7 (а, б)). Эти системы представляют из себя полые трубы различного поперечного сечения.

Диэлектрические волноводы (рис. 1.8).

Эти устройства, представляющие из себя длинные стержни, выполненные из диэлектрика с а>0, а – диэлектрическая проницаемость.

Линии поверхностной волны (рис. 1.9).

Данная система представляет из себя металлический провод, покрытый слоем диэлектрика, она носит название линии Губо.

Оптические волноводы или световоды (рис. 1.10).

Оптические волноводы (ОВ) представляют из себя конструкцию, состоящую из двух диэлектриков, часто цилиндрической формы с различными диэлектрическими проницаемостями. На рис. 1.9 центральный цилиндр – сердцевина, имеет а1, внешний цилиндр – оболочка, имеет а2, при этом обязательно выполняется условие а1>а2.

Двухпроводные цепи широко используются на воздушных и кабельных линиях АТС.

Однопроводная несимметричная цепь – это тяговая линия.

Полосковые линии используются в радиотехнических СВЧ-устройствах: печатные платы, плоские кабели и др.

Коаксиальные цепи позволяют создать большие пучки каналов и применяются в магистральных кабелях.

Волноводы чаще всего используются в радиотехнических системах (радиолокационных установках, радиорелейных линиях и др.) Световоды предназначены для передачи больших объемов информации на большие расстояния. Укажем диапазоны частот, в которых направляющие системы работают наиболее эффективно (рис. 1.11).

Передача информации по направляющим системам осуществляется с помощью электромагнитных колебаний, возбужденных в данных системах. Электромагнитные колебания представляют из себя изменяющиеся во времени и пространстве значения тока и напряжения в проводниковых структурах или колебания электромагнитного поля в волноводах и диэлектрических направляющих структурах.

Источником возбуждается электромагнитное поле в направляющей структуре. В зависимости от вида направляющей структуры формируются определенные типы электромагнитных волн, распространяющихся вдоль структуры.

Все электромагнитные процессы в природе, в том числе, и распространение электромагнитных колебаний в направляющих системах подчиняются основным уравнениям, которые являются теоретической основой электродинамики, имеющим вид (система СИ).

Уравнения (1.1) и (1.2) – это основные уравнения Максвелла. Уравнения (1.3), (1.4), (1.5) являются следствием основных (1.1) - (1.2).

Уравнение (1.3) указывает на непрерывность магнитного поля, т.е. его силовые линии являются замкнутыми петлями или оно выражает факт отсутствия в природе магнитных зарядов. Уравнение (1.4) – это теорема Гаусса. Соотношение (1.5) носит название уравнения непрерывности и отражает закон сохранения заряда. Из уравнения (1.4) следует, что силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на электрических зарядах. В (1.1)В H - напряженность магнитного поля, E - напряженность электрического поля, В - индукция магнитного поля 2, D - индукция (смещение) электрического поля м 2, j - объемная плотность тока проводимости 3, – объемная плотность свободных зарядов 3.

Уравнения (1.1) и (1.2) являются неполными. Поэтому к ним добавляются, так называемые, материальные соотношения, связывающие D с E, H с В и j с E. Для изотропных сред имеем Здесь a - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, ; µ a - абсолютная Параметры a = 0 r, µ a = µ 0 µ r, где r, µ r - относительные диэлектрические и магнитные проницаемости, На ряду с уравнениями (1.1) - (1.5) в дифференциальной форме часто используются уравнения в интегральной форме:

Здесь dS = dSn, n - нормаль к поверхности. В левой части уравнений (1.9) и (1.10) записаны циркуляции соответственно векторов H и E по замкнутым контурам, в правой – потоки соответственно векторов полного тока и магнитного поля через поверхности, опирающиеся на данные контуры. В левой части уравнений (1.11) и (1.12) стоят потоки векторов В и D через замкнутую поверхность, q – полный заряд в пространстве, окруженном поверхностью S, jdS - поток вектора j через замкнутую поверхность.

При решении системы (1.1)-(1.5) должны быть учтены граничные и предельные условия. В частности, если имеется граница раздела между двумя средами, то Здесь Dn, Bn – нормальные составляющие векторов В и D к границе, Etg и Htg – касательные составляющие векторов H и E к границе раздела. пов и Jпов –соответственно поверхностная плотность заряда и тока на границе.

Уравнения Максвелла для изотропных среды (=const, µ=const) и для гармонических колебаний ( E = E 0 e it, H = H 0 e it, - круговая частота, t – время) имеют вид:

где k = a i - комплексная диэлектрическая проницаемость среды, Если от уравнения (1.15) взять r0t и учесть (1.16), то получим или учитывая, что divH = 0, получим Если на обе части уравнения (1.16) подействовать оператором rot, подставить в (1.15) и учесть, что а=const, получим здесь – оператор Лапласа.

Уравнения (1.19) и (1.21) носят название волновых.

1.3. Волновые процессы в свободном изотропном пространстве.

В качестве примера применения волновых уравнений рассмотрим простейший волновой процесс в свободном однородном изотропном пространстве.

В этом случае решение уравнений (1.19) и (1.21) можно искать в виде Здесь z – координата вдоль которой наблюдаем электромагнитный процесс, H 1 - неизвестная функция-амплитуда, также неизвестный параметр – коэффициент распространения. Подставляя (1.22) в (1.19) и (1.21), получим или где k дается выражением (1.20).

Представим и подставим в (1.22), получим Соотношения (1.24) – это плоские неоднородные волны, распространяющиеся в двух противоположных направлениях.

Рассмотрим основные свойства и характеристики волнового процесса в виде (1.24).

Многие из них являются общими для других направляющих систем и волн, распространяющихся в них.

Из (1.24) видно, что действительная часть (1.23) – связана с ослаблением волн. Этот параметр носит название коэффициента ослабления.

Мнимая часть k в (1.23) называется коэффициентом фазы и характеризует пространственный масштаб изменения электромагнитного поля.

В (1.24) множитель e-z указывает на то, что в средах, в общем случае, волны затухают по экспоненциальному закону. Выражение называется фазой волны. Найдем поверхность, на которой фаза постоянна, т.е.

Отсюда следует, что это будет плоскость. Поэтому волны (1.24) называются плоскими. Из (1.25) также следует, что плоскости с определенным значением фазы двигаются вдоль оси z с определенной скоростью, которую найдем, если продифференцируем (1.25) по времени:

Отсюда Скорость Vф называется фазовой скоростью волны в среде. Характеристики среды входят в параметр.

Для передачи информации применяются сложные сигналы – колебания со сложной временной зависимостью. Эти колебания можно представить, как суперпозицию гармонических плоских волн с различными частотами. В результате реальный сигнал несущий информацию, представляет собой группу волн и поэтому характеризуется групповой скоростью:

Имеет место соотношение где – длина волны электромагнитных колебаний.

Известно, что количество информации, переданное по каналу связи (в данном случае в свободном пространстве) пропорционально частоте электромагнитных колебаний.

Из (1.24) видно, что пропускная способность свободного пространства определяется параметром. Его явное выражение имеет вид Если учесть, что µ а а, могут зависеть от частоты колебаний, то сложным образом зависит от частоты. Во всяком случае при =0, =0, т.е. среда будет прозрачной. С ростом ослабление увеличивается. При конечных чаще всего растет с увеличением частоты.

1.4. Распространение волн в диэлектрических и проводящих средах Как мы уже видели, направляющие системы могут быть металлическими (одно и многопроводные линии и т.д.) и диэлектрическими (диэлектрические волноводы, световоды и т.д.). Поэтому коротко рассмотрим особенности распространения волн в диэлектрических и проводящих средах.

Прежде всего уточним понятие диэлектрических и проводящих сред. Обратимся к выражению (1.20) для k, в которое входят параметры среды.

Если >>а, то среда считается проводящей, если кр волны в системе будут затухать, при j см. Это действительно, когда >а. Таким образом, уравнения Максвелла имеют вид:

Этот режим справедлив в том случае, когда >D, где – длина волны, D – поперечный размер направляющей системы Условие >D и >а хорошо реализуются в случае проводных систем (воздушные линии, симметричные коаксиальные кабели) в диапазоне частот до 109Гц.

4. Волновой и квазиоптический режимы. Эти режимы характерны для процессов в диэлектрике и свободном пространстве, когда токи смещения доминируют над токами проводимости ( j см >>. пр и а>>). Этот режим охватывает диапазон частот до 1012 и выше. В этом случае выполняется условие >, поэтому можно положить ем уравнение Целесообразно рассмотреть два случая:

1. Сильный скин-эффект (высокие частоты).

При этом поле сосредоточено вблизи поверхности. Поэтому в (1.39) можно пренебE z Решением этого уравнения являются функции:

Поскольку поле в проводнике концентрируется у поверхности, то в (1.41) положим А2=0, тогда Определим А1. Положим E z (а ) = A1e kа, отсюда A1 = E z (а )e kа. Теперь Учитывая, что j = E, можем написать Отсюда при r=a, j(а)=j(a), при r=0, j(0)=j(a)e-kaj(a)[1-ka+…]30 кГц, в соответствии, например, с таблицей [1].

Приведем зависимость активного сопротивления от частоты (рис. 1.23, 1.24).

Индуктивность кабельной пары:

– коэффициент укрутки. Т.Е. это такая же формула, что и для воздушной линии. При диаметре повива D=3080 мм, то =[1,011,07]. Покажем зависимость L от частоты (рис. 1.25).

Емкость кабельной цепи с учетом влияния соседних жил:

Здесь – коэффициент укрутки, – коэффициент учитывающий увеличение емкости за счет сближения жил [1]. р – результирующая диэлектрическая проницаемость для комбинированных изоляций пар:

r1 – относительная диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков, r2 – относительная диэлектрическая проницаемость воздуха, V1 – объем диэлектрика, V2 – объем воздуха. –зависит от d1/d, d1 – диаметр изолированной жилы и d – диаметр голой жилы.

Проводимость изоляции в кабельных линиях во много раз меньше, чем у воздуха и она определяется как С – емкость цепи, tgp – тангенс угла потерь комбинированной изоляции:

1.13. Волновые параметры симметричных цепей воздушных и кабельных линий Волновыми или вторичными параметрами линий, как известно, являются волновое сопротивление Zв и коэффициент распространения. Выпишем явный вид этих параметров для двухпроводных цепей, входящих в кабельные и воздушные направляющие системы [1, 2, 3, 4].

Пусть имеем двухпроводную линию из медных проводов (токоведущих жил). Тогда волновое сопротивление есть где r0 – радиус проводов, а – расстояние между проводами.

Коэффициент затухания линии из медных проводов Групповая и фазовая скорости волн в линии В общем виде коэффициент затухания для двухпроводной линии с малыми потерями, в соответствии с (1.56) можно написать Определим оптимальное соотношение между первичными параметрами, при котором – минимальное. Для этого напишем уравнение Откуда оптимальное соотношение есть Однако в реальных цепях всегда включения катушек индуктивности через определенные расстояния (способ пупинизации).

В коаксиальной линии возможно существование ТЕМ, Н и Е волн.

Электромагнитное поле в форме ТЕМ волн будет возбуждаться, скорее всег в коаксиальной линии, в том случае, если потери в проводниках весьма незначительны. Действительно, в этом случае отсутствует поток энергии в проводник, следовательно, будет равен нулю соответствующий вектор Пойтинга. Если ось z направить вдоль линии (рис. 1.26) то должно выполняться условие Нz=0, Е=0, Нr=0. Кроме того, естественно допустить азимуи = 0. Тогда из уравнений Максвелла имеем для тальную симметрию поля, т.е.

волн типа ТЕМ Из (1.57) и (1.58) получим (положив Решение этого волнового уравнения будем искать в виде Подставляя в (1.57) и (1.59), получим F (r ) = A, A - некоторая постоянная, Из (1.56) находим связь между Er и H Определим ток во внутреннем проводнике (он будет равен току в оплетке):

Найдем напряжение в линии:

Таким образом, мы нашли вторичные параметры Zв и.

Первичные параметры определим из соотношений Если возникает необходимость исследования Н или Е волн, то необходимо воспользоваться общими соотношениями типа (1.35), (1.36) и соответствующими граничными условиями. Особенностью Н или Е волн в коаксиальной паре является то, что в данном случае будут существовать критические частоты, ниже которых соответствующие волны будут затухать. Поэтому рабочие частоты должны лежать вне критических диапазонов.

Приведем явный вид первичных параметров, в случае учета потерь и конкретно для медных проводников [3].

Сопротивление коаксиальной пары а– радиус внутреннего проводника, в – внутренний радиус внешнего проводника.

Индуктивность коаксиальной пары Проводимость изоляции определяется, как Емкость коаксиального кабеля:

Приведем вторичные параметры коаксиальной пары. Волновое сопротивление Z0 = = 376 ом, D - внутренний диаметр внешнего проводника, d – диаметр внутреннего проводника.

Коэффициент затухания для медных проводников групповая и фазовая скорости Затухание зависит в основном от D/d. Существует оптимальное значение D/d. Так для случая медных проводников D/d3,6.

Как видно групповая и фазовая скорости не зависят от частоты, поэтому искажение сигнала в коаксиальных парах будет минимально.

Для ориентации в количественных значениях определим первичные и вторичные параметры коаксиальной пары 2,6/9,4 с медными проводниками и шайбовой полиэтиленовой изоляцией при =1 МГц.

1. Активное сопротивление 2. Индуктивность 4. Проводимость изоляции 5. Волновое сопротивление 6. Коэффициент затухания 7. Коэффициент фазы 8. Скорость распространения 9. Время распространения один км за 3,5·10-6сек.

Рассмотрим электрические и магнитные волны в круглом волноводе (рис. 1.27) [26, 28, 29].

Это один из типов волноводов, их может быть много. Имеем цилиндрическую систему координат, тогда компоненты Еz и Нz, как это мы уже видели, удовлетворяют уравнениям:

Под Ф будем понимать либо Еz, либо Нz, предположим, что Ф=Фе-z, решая уравнение (1.61) методом разделения переменных приходим к следующей функции где m – любое целое число. Jm – функция Бесселя порядка m.

Для получения Н волны, необходимо наложить граничные условия Ф=0, r=а(Ez=0).

Тогда имеем дисперсные уравнения Если обозначить через Vmn n-ый корень функции Бесcеля, то возможные значения величины g будут Таким образом, мы будем иметь структуру Н волн, определяемую из функции:

Для получения Е-волн, нужно использовать граничные условия:

Поэтому поперечное волновое число для магнитных волн будет удовлетворять уравнению Если обозначить µmn – n-ый корень (положительный) данного уравнения, то имеем Такое волновое число соответствует структуре волн типа E. Заметим, что числа Vm1, Vm2…..Vmn и µm1, µm2…..µmn – образуют возрастающую последовательность. Для нас наибольший интерес представляют числа Vm1, µm1 – соответствующие наибольшим значениям g, а следовательно наибольшим значениям критических длин волн кр. Приведем таблицу значений кр для наиболее важных волн в круглом волноводе:

Отсюда видно, что наиболее длинная критическая волна соответствует магнитной волне Н11. Функция Ф для нее определяется формулой:

Структура поля показана на рис. 1.28.

Волновому числу g также соответствует функция которая дает ту же структуру поля, только повернутую на 90. Таким образом, собственному числу g соответствует две функции, две структуры поля. Говорят, что собственное число g двукратно выражденное. Это поляризационное или поворотное вырождение.

Поскольку магнитные волны имеют Нz0, то при такой структуре в стенках волновода могут существовать поверхностные поперечные токи. Для электрических волн Нz=0, поэтому в данном случае существуют азимутальные и продольные токи.

В круглом волноводе существует симметричная магнитная волна Н01, несущая только поперечные токи. Благодаря этому свойству затухание этой волны падает с ростом частоты и поэтому она способна переносить электромагнитную энергию на большие расстояния.

Функция Ф для данной волны:

Структура данной волны показана на рис. 1.29.

К сожалению данная волна весьма неустойчива.

Волноводный механизм играет важную роль при радиосвязи через тоннели, мосты и др.

1. Что такое направляющие системы?

2. Типы направляющих систем и их рабочий диапазон частот?

3. Какие законы обобщены в основных уравнениях электродинамики?

4. Какое решение имеет волновое уравнение в свободном пространстве, что такое плоская неоднородная волна?

5. Какие особенности распространения плоских волн наблюдается в диэлектрических и проводящих средах?

6. Какие моды возбуждаются в двухпроводных линиях, в волноводах, в оптических волноводах.?

7. Как зависит от частоты омическое сопротивление и индуктивность одиночного провода.

8. Что описывает уравнение двухпроводной линии?

9. Что такое первичные и вторичные параметры линий, как они зависят от частоты, геометрических и физических параметров линии?

Разработка световодных систем на ж.д. началась с 80-х годов. В этих системах сигналы, несущие информацию, передают по оптическим световодам – по тонким нитям специальной конструкции из диэлектрического материала, прозрачного для оптического излучения. Волоконные световоды из кварцевого стекла называют оптическими волокнами и составляют основу оптических кабелей связи.

Перспективность ВОЛС обуславливается:

- большой пропускной способностью, - защищенностью от внешних электромагнитных полей, - высокой помехо-защищенностью цифровых линейных трактов, - малой металлоемкостью, - малым затуханием в широкой полосе частот.

2.1. Структурная схема волоконно-оптической системы связи Волоконно-оптические системы передачи информации на ж/д транспорте состоят из типового оборудования каналообразования и группообразования, единого для всех цифровых систем, а также оборудования цифрового волоконно-оптического линейного тракта, обеспечивающего передачу цифровых сигналов от одной оконечной станции к другой.

Оборудование каналообразования и группообразования обеспечивает формирование группового потока, соответствующего тридцати каналам (со скоростью передачи 2, Мбит/сек); вторичного потока, соответствующего 120 телефонным каналам (скорость передачи8,448 Мбит/сек); третичного группового потока, соответствующего 480 телефонным каналам (34,368 Мбит/сек); четвертичного группового потока, соответствующего 1920 телефонным каналам (139,264 Мбит/сек). В настоящее время используются системы синхронной цифровой иерархии на следующие скорости передачи: 155 Мбит/сек, 622 Мбит/сек, Мбит/сек и т.д.

Упрощенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи показана на рис. 2.1.

ЭОП ЭОП

ПЛ АВ ФД

ИКМ ИКМ ИКМ

Основу системы составляет оптический кабель (ОК). В качестве электроннооптического преобразователя (ЭОП) наибольшее распространение получили поляризованный лазер (ПЛ) и светоизлучающий диод (ФД). Кроме того, для преобразования кода и согласования элементов схемы применяются кодирующие устройства (ПК), а также согласующие оптические устройства (СУ).

Электрический предварительный сигнал ИКМ через ПК поступает в ЭОП. Здесь Электрические импульсы сигнала ИКМ лазеры или светодиоды трансформируются в оптические и через передающее согласующее устройство поступает в оптический кабель. На приеме оптический сигнал через приемное согласующее устройство поступает в фотодиод, где он преобразуется в электрический сигнал и через преобразователь тока ПК поступает в приемники ИКМ.

Особенностью систем передачи на ж/д транспорте является необходимость организации выделения каналов из группового потока на промежуточных станциях. Для этого применяется аппаратура выделения (АВ), с помощью которой производится выделение, поворот и транзит цифровых сигналов. Здесь же производится регенерация сигналов (Р).

Для организации магистральной связи используется аппаратура уплотнения типа ИКМ-100Т, STM-системы, SDH-технологии и т.д.

Оперативно-технологическая связь осуществляется, например, аппаратурой уплотнения типа ДСС, ОТГ-Е и др.[ 21, 25в].

Оптическое волокно представляет из себя волновод (диэлектрический), где канализирующее действие обеспечивается скачкообразным или непрерывным изменением диэлектрической проницаемости в поперечном сечении волновода. r (или n = r ).

Наиболее широкое применение имеют два типа оптических волокон, отличающихся профилем распределения коэффициента преломления n = r.

Ступенчатый профиль (рис. 2.2).

Градиентный профиль (рис. 2.3).

Возможны волокна и с более сложным профилем распределения коэффициента преломления по объему.

Процесс распространения светового излучения в световодах можно описывать двумя