КАБЕЛЬ−news / № 6-7 / июнь-июль 2009
93
Производство
Развитие систем связи и кабелей связи, как ком-
плектующих изделий для этих систем, характе-
ризуется сегодня скачкообразным увеличением
скоростей передачи цифровой информации.
Для наглядности рассмотрим историю развития
систем связи для локальных сетей. Первый стандарт
Ethernet для локальных сетей появился в начале 80-х
годов прошлого века. За ним последовали стандар-
ты: Fast Ethernet — в 1995 году, Gigabit Ethernet — в
1998 году, 10G Ethernet — в 2002 году. Перечислен-
ным стандартам соответствует следующая иерархия
скоростей передачи информации: 10 Мбит/с —
100 Мбит/с — 1000 Мбит/с — 10 Гбит/с [1].
Несмотря на давние заявления, полной замены
кабелей связи с медными токопроводящими жила-
ми на волоконнооптические кабели не произошла
и, по-видимому, в ближайшие годы не осущест-
вится.
Очевидно, это обусловлено тем, что схема по-
строения волоконнооптических сетей связи FTTB
или FTTC (оптическое волокно до здания или до не-
которого центра) экономически в ряде случаев бо-
лее выгодна, чем схема FTTH (оптическое волокно
до дома или квартиры, для многоэтажных домов). В
этом случае абонентская часть линии прокладыва-
ется кабелями с медными токопроводящими жила-
ми: кабелями симметричными парной скрутки или
коаксиального типа.
К этому следует добавить организацию систем
широкополосной связи на базе технологий xDSL
по существующим распределительным сетям на
базе кабелей типа ТПП или с прокладкой кабелей
широкополосного абонентского доступа новых
конструкций.
Многозначность вариантов построения сетей
связи в текущий период определяется как эконо-
мическими причинами, несовершенством пред-
лагаемого контента, так и неопределенностью
выбора решений конкретными операторами и раз-
нообразием самих операторов.
Однозначно можно утверждать одно: если будут
применяться кабели связи с медными токопрово-
дящими жилами парной скрутки, то максимальная
частота диапазона их применения будет предполо-
жительно расти.
Согласно [2], существует градация частотных
диапазонов. Последовательность диапазонов в
порядке возрастания частоты, отличающихся ха-
рактерными особенностями поведения функции
потерь в них, соблюдается, как правило, для всех
проводниковых структур из меди:
• RC-область;
• LC-область;
• область поверхностного эффекта;
• область диэлектрических потерь;
• область волноводной дисперсии.
В [2] приведены формулы для расчета граничных
частот вышеперечисленных диапазонов, которые
мы, однако, приводить не будем, так как они нахо-
дятся несколько в стороне от рассматриваемых в
данной статье вопросов.
И если в трех первых диапазонах влияние диэ-
лектрика на коэффициент затухания не столь су-
щественно, то в области диэлектрических потерь
оно становится превалирующим.
Рассмотрим наиболее известные материалы,
применяемые в качестве изоляции в конструкциях
кабелей связи с медными токопроводящими жила-
ми. Наиболее широко используется для этих целей
полиэтилен.
Согласно [3] для полиэтилена нормируется:
- относительная диэлектрическая проницае-
мость: не более 2,3 на частоте 1 МГц и не более 2,3
на частоте 500 МГц;
- тангенс угла диэлектрических потерь: не более
3
·
10
-4
на частоте 1 МГц и не более 4
·
10
-4
на частоте
500 МГц.
На сегодняшний день этой информации уже не
достаточно: во-первых, потому, что на очереди
разработка следующей более совершенной кон-
струкции кабеля для структурированых кабельных
систем (СКС), работающей в диапазоне частот до
1000 МГц и даже стандартизованная 7 категория
работает в диапазоне частот до 600 МГц, что пре-
вышает диапазон нормирования; во-вторых, то-
чечное нормирование при таких частотах вряд ли
можно считать объективным показателем.
Известно [4, 5], что в самом общем случае теоре-
тическая зависимость тангенса угла диэлектриче-
ских потерь выглядит так, как это представлено на
рисунке.
В зависимости от конкретного значения tg
θ
max
можно судить о возможности использования кабе-
ля в диапазоне частот близком к
w
K
.
Диэлектрические свойства полимеров
для медных кабелей связи
КАБЕЛЬ−news / № 6-7 / июнь-июль 2009
94
Производство
Конечно, можно говорить, что к полиэтилену это
не относится, что он очень чистый материал. Но
и в полиэтилен вводятся антиоксиданты, термо-
стабилизаторы и, что значительно хуже, пигменты
красителей. А на концентраты пигментов и на окра-
шенный полиэтилен действие [3] не распространя-
ется. Известно влияние концентрации пигментов в
окрашенной полиэтиленовой изоляции на резуль-
таты испытания электрическим напряжением, но
не известно, какое влияние они будут оказывать на
тангенс угла диэлектрических потерь в диапазоне
частот до 10 ГГц.
Если кого-то из специалистов волнует возмож-
ность проведения таких измерений или появляется
сомнение в необходимости таких измерений, при-
ведем в пример издание [2], в котором представ-
лены значения относительной диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических
потерь сложных диэлектриков конкретных ма-
рок, применяемых для изготовления печатных
плат приемопередающей аппаратуры связи на
частоте 10 ГГц. Вполне возможно, что в скором бу-
дущем этот частотный диапазон освоят в кабелях
СКС.
Наличие ступенчатых скачков в функциональных
зависимостях относительной диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических
потерь равнозначно разбиению полосы пропу-
скания кабеля на два неодинаковых участка. Если
кабель предназначен для передачи широкополос-
ных сигналов, то не очень понятно, как будет вести
себя широкополосный сигнал, захватывающий оба
таких участка. Хотя, исходя из общих соображений,
можно утверждать, что это приведет к искажениям
сигнала. Возможно, что использование всей шири-
ны полосы для передачи сигналов окажется недо-
пустимым.
В последнее время для изоляции высокочастот-
ных кабелей связи наряду с полиэтиленом стали
применять полипропилен, однако о нормировании
относительной диэлектрической проницаемости и
тангенса угла диэлектрических потерь в зависимо-
сти от частоты нам ничего не известно.
Как следует из вышеизложенного, в норматив-
ной документации на полиэтилен и полипропилен
должны быть приведены функциональные зависи-
мости относительной диэлектрической проницае-
мости и тангенса угла диэлектрических потерь от
частоты, а также метод измерений.
Кстати, об измерениях. В [3] рекомендуется из-
мерять относительную диэлектрическую прони-
цаемость и тангенс угла диэлектрических потерь
на частоте 1МГц по методике, изложенной в [6], а
на частоте 500 МГц — по методике, изложенной
в [7].
Методика [6] описывает метод непосредствен-
ного измерения относительной диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических
потерь и резонансный метод (с помощью опреде-
ления добротности измеряемой цепи), в диапа-
зоне частот от 100 до 5
·
10
6
Гц на образцах в виде
круглых, квадратных пластин или цилиндрических
трубок.
Методика [7] описывает резонансный метод,
основанный на использовании измерителей до-
бротности, тороидальных резонаторов и коакси-
альных резонаторов постоянной и переменной
длины, и метод измерения в линиях передач, осно-
ванный на использовании коаксиальных измери-
тельных систем, в диапазоне частот 0,2–1 ГГц на
образцах в виде плоскопараллельного диска или
коаксиальной шайбы.
Отсюда видно, что существующие методики
позволяют проводить измерения в диапазоне
частот от 100 до 1000 МГц. Для проведения ис-
пытаний в диапазоне частот до 10 ГГц необходи-
мо разрабатывать и стандартизовать методику
измерений.
Ужесточение требований к кабелям, проклады-
ваемым в помещениях, в частности требования по
нераспространению горения, приводят к тому, что
полиэтилен и полипропилен перестают соответ-
ствовать совокупным требованиям, предъявляе-
мым к материалу изоляции.
В качестве возможной замены в простейшем слу-
чае могут рассматриваться поливинилхлоридный
пластикат или полимерная безгалогенная компо-
мах
tgθ
θ
tg
k
ω
ω
Теоретическая зависимость тангенса угла
диэлектрических потерь от частоты
приложенного к полимерному диэлектрику
напряжения
КАБЕЛЬ−news / № 6-7 / июнь-июль 2009
95
Производство
зиция. Ввиду того, что безгалогенная полимерная
композиция в России не производится, проведем
анализ изоляционного поливинилхлоридного пла-
стиката.
Изоляционный поливинилхлоридный пластикат
в России производят по ГОСТ 5960-72 [8].
Поливинилхлоридный пластикат относится к по-
лярным диэлектрикам, у которых относительная
диэлектрическая проницаемость и тангенс угла
диэлектрических потерь не только имеют большие
значения, но и резко возрастают при повышении
температуры [5].
Однако в нормативном документе на изоляцион-
ный поливинилхлоридный пластикат [8] требова-
ния к таким параметрам просто отсутствуют.
Поиск технической информации в этом направ-
лении привел к противоречивым результатам. Так,
в отечественной информации в сети Интернет [9]
сообщается следующее:
- для жесткого ПВХ (винипласта) тангенс угла
диэлектрических потерь при 50 Гц составляет
0,01–0,02, относительная диэлектрическая прони-
цаемость при 50 Гц — от 3,1 до 3,5;
- для мягкого ПВХ (пластиката) тангенс угла диэ-
лектрических потерь при 50 Гц равен 0,1, относи-
тельная диэлектрическая проницаемость при 50
Гц составляет 4,2–4,5.
По информации фирмы «Alpha Wire Company»
[10] для стандартного поливинилхлоридного пла-
стиката тангенс угла диэлектрических потерь при
частоте 1 МГц равен 0,06–0,1, относительная диэ-
лектрическая проницаемость при частоте 1 МГц
составляет 4–6.
Расчетные значения, полученные на основании
результатов измерений кабелей с поливинилх-
лоридной изоляцией марки И40-13A (рец. 8/2),
показали, что относительная диэлектрическая
проницаемость примененного материала превы-
шает 5 (на частоте 1кГц).
Здесь важно отметить то, что области поверх-
ностного эффекта и диэлектрических потерь не
являются взаимно независимыми и могут пере-
крываться. За счет большого значения тангенса
угла диэлектрических потерь поливинилхлорид-
ного пластиката нижняя граница области диэлек-
трических потерь спускается до 1 МГц, и кабель с
изоляцией из поливинилхлоридного пластиката
уступает кабелю с изоляцией из полиэтилена по
коэффициенту затухания.
Можно предположить, что не лучше обстоит дело
и с безгалогенной полимерной композицией.
В заключение обобщим изложенное.
Для того, чтобы рассчитать коэффициент затуха-
ния и волновое сопротивление кабелей связи для
частот выше 1 МГц, необходимо организовывать
контроль комплексной диэлектрической прони-
цаемости в диапазоне частот от 1 до 10000 МГц
как функции от частоты или, что то же самое, от-
носительной диэлектрической проницаемости
(вещественной составляющей) и тангенса угла диэ-
лектрических потерь всех полимерных материа-
лов, которые могут применяться для изготовления
изоляции этих кабелей.
Решить такую задачу, по нашему мнению, под
силу только крупному кабельному заводу, Ассо-
циации «Электрокабель» или ОАО «ВНИИКП», но
то, что необходимость ее решения давно назрела,
очевидно. Без знания подобных параметров мате-
риалов ни конструировать, ни изготавливать кабе-
ли невозможно.
Эпоха, когда заводской технолог изготавливал
любой кабель, измерив конструктивные размеры
образца, уходит в прошлое.
Д.В. Хвостов,
В.В. Бычков,
Ю.Д. Дмитриев
Литература
1. Олифер В.Т., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Прин-
ципы, технологии, протоколы. Изд-во «Питер», 2006.
2. Джонсон Г.Д., Грэхэм М. Высокоскоростная переда-
ча цифровых данных. М., СПб: Изд-во «Вильямс», 2005.
3. ГОСТ 16336-77. Композиции полиэтилена для ка-
бельной промышленности. Технические условия.
4. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов.
М.: Энергия, 1973.
5. Справочник по электротехническим материалам /
под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева.
Т.1. М.: Энергоатомиздат, 1986.
6. ГОСТ 22372-77. Материалы диэлектрические. Мето-
ды определения диэлектрической проницаемости и тан-
генса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот
от 100 до
5
·
10
6
Гц.
7. ГОСТ 8.358-79. Государственная система обеспече-
ния единства измерений. Методика выполнения изме-
рений относительной диэлектрической проницаемости
и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне ча-
стот 0,2÷1 ГГц.
8. ГОСТ 5960-72. Пластикат поливинилхлоридный для
изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей. Тех-
нические условия.
9. Смола ПВХ. http://ekoresurs.ru/product/smola-pvc.ru.
10. http://www.alphawire.com/pages/346.cfm.
Оригинал статьи: Диэлектрические свойства полимеров для медных кабелей связи
Развитие систем связи и кабелей связи, как комплектующих изделий для этих систем, характеризуется сегодня скачкообразным увеличением скоростей передачи цифровой информации
