КАБЕЛЬ−news / № 3 / март 2009
48
Производство
Как известно, одним из требований к кабелям для
систем связи и передачи данных во взрывоопас-
ных средах является оборудование их токопрово-
дящих жил малогорючими и не накапливающими
статические заряды изолирующими материалами. А
конкретно, из ПВХ и/или резины, которые оказыва-
ют намного меньшее сопротивление постоянному
току, нежели полиэтилен — ПЭ, в том числе вспе-
ненный, и другие пластмассы полиолефинового
ряда. Это способствует стеканию статических заря-
дов, появляющихся по разным причинам в объеме
и на поверхности деталей кабеля и способных ини-
циировать подрыв горючих смесей, которые могут
образовываться в атмосфере взрывоопасных поме-
щений.
Но у ПВХ и резины повышенные значения диэлек-
трической проницаемости (ε = 3...6 против 1.6...2.5
у ПЭ) и тангенса потерь (tgδ = 0.005 ...0.1 против
0.0001 ...0.001).Такова цена, которую приходится
платить за антистатические свойства и самозатуха-
ние пламени.
Повышенная величина ε ведет к повышению по-
гонной емкости кабелей
С
, что неблагоприятно с
точки зрения искробезопасности. Например, стан-
дарты [1,3] ограничивают величину
С
и
L
(табл. 2)
сверху. Но, чтобы уменьшить этот параметр, необхо-
димо увеличивать поперечный размер витой пары.
И попутно увеличивать индуктивность
L
, так как она
достаточно жестко связана с
С
:
V
2
= (
L
/
C
)
1/2
,
где
V
— скорость света в изоляторе кабеля.
Смысл верхних ограничений параметров
L
и
C
по-
нятен. Дело в том, что стандарт [1] регламентирует
свойства таких кабелей для сетей промсвязи, кото-
рые, помимо передачи информации, реализуют так-
же функцию электроснабжения полевых устройств
сети: датчиков и/или исполнительных механизмов.
В результате шины могут запасать значительную
магнитную и электрическую энергию:
W
=
Д
(
L J
2
/2 +
CU
2
/2),
где
J
и
U
— ток и напряжение между жилами кабе-
ля (то и другое — сумма токов и напряжений сигна-
лов и питания),
Д
— длина кабеля.
В случаях обрывов жил и/или пробоев их изоля-
ции, эта энергия может освободиться в этом месте
и послужить запалом для подрыва горючей смеси.
Очевидно, что снижение параметров
L
и
C
снижает
вероятность такого подрыва, которая согласно [2],
не должна превышать 10
–3
.
Помимо этого, стандарты [1,3], а также нормы на
кабельные сети для интерфейсов 485 [4] и Ethernet
нормируют величину волнового сопротивления
Z
0
:
Z
0
= (L/C)
1/2
.
Соответственно 100 [1,3] , 120 [4] и 150 Ом для ряда
приложений скоростного Ethernet 1000BASE. Это —
дополнительное ограничение на параметры
L
и
C
.
В целом все эти ограничения осложняют задачу
проектирования, расчета и производства кабелей
для разных сетей связи. Особенно высокочастот-
ных, где обычно предусматривают также нормативы
и на скорость сигнала
V
или величину
V
/
с
(точнее,
ее разброс), где
с
= 299792458 м/с — скорость света
в вакууме. Там же начинают играть заметную роль
диэлектрические потери.
Последнее обстоятельство заставляет разработ-
чиков кабельных изделий заменять «нехорошие»
изоляторы наподобие ПВХ и резины диэлектриками
из ПЭ и других полиолефинов, в том числе вспенен-
ных, так как замена пластика воздухом снижает как
диэлектрическую постоянную, так и тангенс потерь.
Витая пара с полувоздушной изоляцией
Показано, что применение полувоздушной изоляции на базе корделей из
ПВХ пластикатов и мика-лент позволит создать огнестойкие (в трактовке МЭК 60331)
искро- и взрывобезопасные кабели типа витой пары с характеристиками, превосходящими
таковые у LAN-кабелей высших категорий, а также существенно уменьшить габариты
кабелей, массу, погонные емкость и индуктивность. Показана малая чувствительность
параметров кабелей к диэлектрическим характеристикам твердых деталей изоляции, что
позволяет технологам сосредоточиться на антистатических, механических, огнестойких
и других свойствах кабелей, полезных для применения во взрывоопасных производствах.
КАБЕЛЬ−news / № 3 / март 2009
49
Производство
Этот прием широко применяют для изоляции жил
витых пар. Но у него есть известные недостатки. Это
и усложненная технология экструзии, и известная
нестабильность свойств изоляции, особенно для
трехслойной пленко-пористо-пленочной структу-
ры. А также ограничения на снижение ε, которое,
как правило, не получается меньше ~1.6. А tgδ —
меньше ~0.0001. Это связано прежде всего с меха-
ническими свойствами изоляции, что не позволяет
разбавлять объем пластика газом более предель-
ных значений (около 50%).
И еще, как правило, при вспенивании полимер-
ной изоляции образуется сплошная пленка на по-
верхности жилы. Но, как показано в [6], именно
прилегающие к жиле объемы изолятора оказывают
наибольшее влияние на свойства кабеля в целом. И,
стало быть, необходим надлежащий контроль тол-
щины и свойств этой пленки. А заодно и всей изоли-
рующей структуры. Что заметно усложняет процесс
экструзии. Более того, для огнестойкого кабеля
применение вспененной изоляции не применяется
в виду неизбежного расширения и разрыва пор при
нагревании.
Все это заставляет обратиться к другому, более
простому, давно известному и достаточно надеж-
ному приему — применению полувоздушной изо-
ляции. Подобной описанной в [5] для коаксиальных
кабелей.
Цель предлагаемой работы — исследование
свойств экранированных витых пар с жилами, обору-
дованными полувоздушной (кордельно-пленочной)
изоляцией.
Простейшая конструкция жилы с полувоз-
душной изоляцией
На рис. 1 представлена простейшая конструкция
жилы с полувоздушной изоляцией. Она представ-
ляет собой круглую медную жилу, на которую на-
ложена спираль из круглого же корделя в оболочке
из мика-ленты. Мика-лента выбрана для обеспе-
чения огнестойкости в понимании МЭК 60331. Не-
сколько не традиционное расположение обмотки
из мика-ленты объясняется желанием уменьшить
влияние нестабильного по диэлектрическим свой-
ствам материала на первичные параметры кабеля.
Сохранение же огнестойкости при таком располо-
жении возможно при использовании для корделя
малодымных самозатухающих высоконаполненных
полимерных материалов, в том числе, керамизиру-
ющихся в условиях пожара.
Справа на рис. 1 — построенная в Excel эпюра
сечения жилы и корделя плоскостью А-А. Форму се-
чения рассчитали методами аналитической и диф-
ференциальной геометрий.
Как видно, при малых шагах спирали Н форма се-
чения корделя резко отличается от эллиптической
(пунктир), характерной для сечений круглых цилин-
дров под таким же углом β. Впрочем, при Н/d > 10
этим отличием можно пренебречь. А при Н/d > 20 —
вообще сечение корделя полагать круглым.
На рис. 2 представлено это сечение при различ-
ных шагах спирали. Наиболее поучительная деталь
рисунка — обширные воздушные полости вокруг
жилы даже при максимально плотной укладке спи-
рали (H/d = 1).
A
A
мика-лента
кордель
β
-1
- 0.5
0
0.5
1
- 0.5
0
0.5
1
1.5
координата
х
, мм
к
о
о
р
д
и
н
ат
а
у
, м
м
H = 3
Рис. 1. Схема полувоздушной изоляции жилы с помощью спирального корделя. Справа — расчетные сечения жилы и
корделя плоскостью А-А. Шаг спирального корделя Н = 3 мм (диаметр жилы и корделя 1 мм).
Пунктир — эллипс — сечение плоскостью А-А прямого круглого корделя
КАБЕЛЬ−news / № 3 / март 2009
50
Производство
В табл. 1 даны параметры материалов, исполь-
зованные в численных экспериментах. Как видно,
материалы изоляторов не самого лучшего каче-
ства. Так, кордель предполагали изготовленным из
ПВХ с параметрами, близкими к средним для этого
пластиката. Свойства же мика-ленты были выбраны
близкими к самым плохим для широко применяе-
мых изоляционных материалов (ПВХ, резина). Это
обусловлено тем соображением, что мика-ленты,
как правило, — многослойные и многокомпонент-
ные изделия. А неоднородности изолятора, если
это — не газовые включения, должны увеличивать
диэлектрические потери.
Зависимость емкости симметричной пары
от угла поворота корделя
Рассмотрим симметричную пару в овальном экра-
не, скрученную из семипроволочных жил с полувоз-
душной изоляцией (рис. 3). Здесь внутриэкранное
пространство в основном заполнено воздухом.
Емкость зависит от позиции корделей относитель-
но жил и друг друга. Пусть шаг спирали настолько
велик, что сечение корделя можно считать круглым
(здесь это не имеет принципиального значения, зато
упростит вычисления). На рис. 4 представлена зависи-
H = 1
-0.5
-0.25
0
0.25
0.5
-0.5
-0.25
0
0.25
координата х, мм
к
о
о
р
дината
у,
м
м
H = 2
-0.5
-0.25
0
0.25
0.5
-0.5
-0.25
0
0.25
координата х, мм
коор
дината
у,
м
м
H = 3
-0.5
-0.25
0
0.25
0.5
-0.5
-0.25
0
0.25
координата х , мм
к
о
о
р
д
и
н
а
та
у
,
м
м
H = 6
-0.5
-0.25
0
0.25
0.5
-0.5
-0.25
0
0.25
координата х, мм
к
о
о
р
д
и
н
а
та
у
, м
м
26
26.5
27
27.5
28
28.5
0
60 120 180 240 300 360
угол поворота, град
емкос
ть, нФ/км
дренаж
экран
кордель-спираль
мика -лента
Рис. 2 Сечение спирального корделя с разными шагами Н
(в единицах диаметра корделя d).
Н = 1 — максимально плотная укладка корделя вокруг жилы.
Пунктир — сечение не скрученного корделя.
Красная окружность — периметр жилы.
Рис. 4. Зависимость емкости пары от угла поворота.
Горизонтальный пунктир — среднее значение.
Вверху — фрагмент цветовой карты напряженности
электрического поля. Следует обратить внимание на
наложение колебаний емкости с периодом 360° и 60°
Рис. 3. Сечение кабеля витая пара с полувоздушной
изоляцией. Справа — без мика-лент
Табл. 1. Параметры деталей витой пары
с полувоздушной изоляцией.
σ, Сим/м
ε
tgδ
жила
∅
, мм
1.2
5.98 10
7
экран
0.1*
3.72 10
7
кордель
4.0
0.02
мика-лента
0.1*
6.0
0.1
*толщина, мм
КАБЕЛЬ−news / № 3 / март 2009
51
Производство
мость межпроводной емкости пары от угла поворота
корделя. Размеры пары подобрали с таким расчетом,
чтобы волновое сопротивление было около 120 Ом.
Для удобства расчетов и усиления эффекта полага-
ли, что спирали корделей зеркально-симметричны
(помимо прочего, это препятствует продавливанию
мика-лент корделями при скрутке жил в пару).
График демонстрирует сложную зависимость
емкости от угла, где на период 360° (здесь — с раз-
махом 0.90 нФ/км) накладываются характерные для
семипроволочных жил колебания с периодом 60°
(0.54 нФ/км). Здесь и далее вычисления производи-
ли с помощью программного пакета ELCUT.
Отметим, что емкость пары с азимутом корделя
около 90° практически совпадает со средним значе-
нием (в данном примере 27.4 нФ/км). По этой причи-
не другие исследования проводили именно с такой
позицией корделя.
Зависимость емкости от шага спирального
корделя
Как видно из рис. 2, изменение шага спирального
корделя ведет к изменению формы и размера обла-
сти изолятора, заполненного твердым материалом.
Что, в свою очередь вызывает изменение емкости и
ряда других параметров пары. На рис. 5 представле-
ны графики зависимости некоторых из них от шага
спирали.
Для наглядности приведены также графики при
наличии только мика-ленты (горизонтали) и только
корделя (кривые, приближающиеся к горизонталям
по закону ~β
2
).
Тут следует отметить, что суммарное действие
мика-ленты и корделя несколько больше арифмети-
ческой суммы их «парциальных» вкладов. Это свя-
зано с электрическим взаимодействием указанных
твердых деталей.
Наиболее интересны графики эффективной по-
стоянной ε* и действующего тангенса потерь tgδ*.
Они существенно меньше, чем у мика-ленты и кор-
деля даже при максимально плотной укладке спи-
рали (
H/d
=1).
Таков эффект «разбавления» изолирующего про-
странства воздухом и, что еще важнее, удаления
объема диэлектриков от поверхности жил. То есть
от области максимального электрического поля и
максимальных диэлектрических потерь.
Как будет показано ниже, малая величина ε* по-
зволяет заметно уменьшить диаметр кабеля и его
массу. А рис. 5 показывает, что регулировкой
H/d
можно тонко управлять выходными параметрами
кабеля.
Зависимость эффективных диэлектриче-
ских параметров от свойств изоляторов.
Как показано в предыдущем параграфе, эффек-
тивные параметры полувоздушной изоляции ε* и
tgδ* существенно понижены относительно состав-
ляющих его твердых диэлектриков. На рис.6 пред-
ставлена их зависимость от ε корделя (tgδ = 0.02)
и мика-ленты (tgδ = 0.1). Рядом — зависимость от
ε корделя (но у мика-ленты ε = 6), и ε мика-ленты (у
корделя ε = 4). Шаг
Н
полагали (бесконечно) боль-
шим.
Основная особенность графиков в том, что и
здесь ε* и tgδ* намного меньше параметров твер-
дых диэлектриков изоляции, причем ε* в разы, а
tgδ* — на порядки величины. В рассматриваемом
случае основной вклад в формирование ε* полу-
воздушного изолятора вносит кордель, а в tgδ* —
мика-лента. Хотя для других комбинаций ε и tgδ
бывает иначе.
Отметим, что графики для мика-ленты проходят
через максимум. Рост поглощения при малых ε по-
нятен: возрастает проводимость диэлектрических
потерь εε
0
tgδ. Но, как видно из рис. 7, при больших
ε мика-лента как бы отталкивает от себя электри-
70
80
90
100
110
120
130
0
2
4
6
8
10
Н/d
Z
0
, О
м
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0
2
4
6
8
10
Н/d
V/c
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0
2
4
6
8
10
Н/d
ε *
кордель ε = 4
мика-лента ε = 6
0.000
0.001
0.002
0.003
0
2
4
6
8
10
Н/d
tgδ*
кордель tg δ = 0.02
мика-лента tg δ = 0.1
Рис. 5. Зависимость параметров витой пары
от шага спирального корделя (синие точки).
Синие кружки — для пары с воздушным изолятором.
Зеленые треугольники — вклад мика-ленты (без корделя).
Сиреневые квадраты — вклад корделя (без мика-ленты).
Линии проведены по точкам.
КАБЕЛЬ−news / № 3 / март 2009
52
Производство
ческое поле, в результате чего значительная часть
ее объема «выключается» из процесса поглощения
энергии. Видимо, этим и можно объяснить максимум
и последующее спадание диэлектрических потерь.
И еще. Как видно из графиков, твердые детали
вообще слабо влияют на эффективные параме-
тры полувоздушной изоляции в целом и с ростом
ε это влияние даже относительно ослабляется. И
это тоже понятно. Пусть, к примеру, у мика-ленты
ε
→
∞. Тогда ее можно просто заменить металлом,
что эквивалентно небольшому уменьшению толщи-
ны изолятора и некоторому росту С. Если теперь
формально вычислить ε*, то получим как раз ту ве-
личину, к которой асимптотически приближаются ε*
рисунка по мере роста ε.
Кабели c полувоздушной изоляцией для
промышленных сетей
В табл. 2 приведены основные характеристики
искробезопасных кабелей экранированная витая
пара для работы в сетях промсвязи FF [3] и с интер-
фейсами 485 [4].
В табл. 3. приведены расчетные характеристики
кабелей с полувоздушной изоляцией. Шаг
Н
, как и
выше, полагали большим.
На частоте 39 КГц затухание Att(39) у всех кабелей
надежно меньше 3.0 дБ/км. То есть отвечает допуску
стандарта [3]. Здесь следует отметить, что у кабелей
со сплошной изоляцией жил, этот показатель вплот-
ную проходит к 3.0, как это видно в табл. 3 для строки
Z
0
=100 Ом, либо несколько превышает его допуск
для других изоляторов. И вообще параметры кабеля
со сплошной изоляцией жил намного хуже по всем
показателям: диаметру кабеля, емкости, индуктивно-
сти и скорости сигнала, как видно по числам в скоб-
ках в строке Z
0
= 100 Ом.
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
0
5
10
ε
ε*
кордель
мика-лента
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
0
5
10
ε
ε*
кордель
мика-лента
0.0000
0.0004
0.0008
0.0012
0
5
10
ε
tgδ*
кордель
мика-лента
0.000
0.001
0.002
0
5
10
ε
tgδ*
кордель
мика-лента
Рис. 6. Зависимость эффективных параметров кабеля
ε
* и tg
δ
* от
диэлектрической постоянной
ε
корделя и мика-ленты (кривые с
одноименными надписями). Слева — от
ε
корделя (у мика-ленты
ε
= 1;
tg
δ
= 0), и от
ε
мика-ленты (у корделя
ε
= 1; tg
δ
= 0).
Справа — от
ε
корделя (у мика-ленты
ε
= 6; tg
δ
= 0.1)
и от
ε
мика-ленты (у корделя
ε
= 4; tg
δ
= 0.02).
Рис.7. Фрагмент рельефа электрического потенциала в
изоляторах пары с полувоздушной изоляцией
(кордель
ε
= 4, мика-лента
ε
= 10). Следует обратить
внимание на излом линий потенциала в мика-
ленте (желтая полоса), демонстрирующий эффект
«отталкивания» мика-лентой электрического поля.
Многопроволочная жила
Табл. 2. Основные параметры кабелей
сетей промсвязи во взрывоопасных
производственных средах
FF
485
Волновое сопротивление Z
0
, Ом
100 (32.5 КГц)
120 (150
1
))
Cечение медных жил A, мм
2
1.0
1.0
2
)
Эффективный диаметр жил 2а, мм
1.20 (1.28)
3
)
1.20 (1.28)
Максимальная длина линии, м
1900
1200
Затухание Att, дБ/км
< 3 (39 КГц)
< 14.6
4
)
Рабочая частота F
32.5, 39 КГц
1... 10 МГц
Толщина алюминиевого экрана Тэ, мм
0.1
0.1
Емкость, нФ/км
45 < C < 200
-
Индуктивность, мГн/км
0.4 < L < 1
-
1. Для технологии Ethernet 1000BASE-CX (1.25 Гбит/с, 625 МГц, 25 м)
2. В стандарте 485 — провод 0.226 мм
2
(AWG 24), но для искробезопас-
ных применений ГОСТ не допускает меньше 1.0 мм
2
.
3. В скобках — диаметр семипроволочной жилы (круглой: 1.13 мм).
4. Стандарт 485 регламентирует минимум выходного сигнала линии
0.2 В при входном 1.5 В (затухание 17.5 дБ). Для дистанции 1200 м это
соответствует погонному затуханию 14.6 дБ/км.
КАБЕЛЬ−news / № 3 / март 2009
53
Производство
На рис. 8 представлен частотный ход затухания и
других параметров «полувоздушных» кабелей. При-
ведены графики полного затухания для условий,
предусмотренных стандартом 485 (1200 м, частоты
1...10 МГц). Здесь горизонтальный пунктир — уровень
затухания 17.5 дБ, ограниченный этим стандартом.
Как видно, кабели обеспечивают работу в значитель-
ной части указанного частотного диапазона.
Но наиболее интересно их высокочастотное пове-
дение. Из описания кабелей категории 8 (LAN-8) в [7]
можно заключить, что их граничная частота 1200 МГц
обусловлена перевесом затухания перекрестной
помехи (69.8 дБ) над затуханием сигнала (69 дБ), что
обеспечивает отношение сигнал-шум на входе при-
емника 0.8 дБ (отношение амплитуд с/ш = 1.1). Будем
полагать, что 69 дБ — удовлетворительный уровень
затухания сигнала в таких кабелях (на рис. 8 — гори-
зонтальный пунктир).
И, как видно из рисунка, на частоте 1200 МГц «по-
лувоздушные» кабели обеспечивают этот норматив с
большим запасом: с/ш = 9, 19 и 27 дБ соответственно
для 100, 120 и 150 Ом. И, хотя дальнейший ход затуха-
ния показывает, что они вряд ли смогут претендовать
на категорию LAN-9 (видимо, около 2 ГГц), указанный
запас весьма полезен с точки зрения повышения на-
дежности передачи данных.
Особо отметим такое забавное обстоятельство. Как
указано выше, снижение емкости и индуктивности
кабелей — благоприятный фактор. Но Законодатель
по какой-то причине ограничил эти параметры сни-
зу (табл. 2) такими величинами, что емкости (а для
100 Ом и индуктивность) кабелей в табл. 3 уходят
под нижнюю границу допуска. Так что не исключено,
что при изготовлении кабелей придется специально
ухудшать их искро- и взрывобезопасные свойства,
чтобы обеспечить требования стандартов, эти свой-
ства регламентирующих. Или, если у Законодателя
нет иных, более существенных соображений, то в
этой части стандарты целесообразно подкорректи-
ровать.
Кабели без мика-ленты
Так как мика-лента оказывает заметное воздействие
на свойства кабеля, возникает мысль вообще от нее
избавиться (что возможно только для кабелей, неог-
нестойких в трактовке МЭК 60331-23 [8] ). Тогда жилы
пары разделены только их спиральными корделями.
На рис. 3 показано сечение такого кабеля. Отметим
попутно, некоторое технологическое осложнение:
шаги
Н
1
и
Н
2
и направление намоток корделей на
жилу должны совпадать, если желательно избежать
периодических возмущений геометрических и дру-
гих свойств пары с шагом
Н
1
Н
2
/(
Н
1
—
Н
2
)
Тем не менее, расчеты показали, что удаление
мика-ленты, хотя и улучшает ряд характеристик ка-
беля, но не значительно. Так, снижение емкости и
индуктивности происходит всего на 4, 5 и 7% (соот-
ветственно для 100, 120 и 150 Ом), а увеличение ско-
рости — всего на 4, 5 и 7%. И все это — ценой роста
диаметра корделя на 26, 19 и 9% и кабеля в целом на
5, 4 и 3%. При практически том же затухании.
Обсуждение
Как показывает табл. 3, для снижения затухания
сигналов целесообразно повышать волновое со-
противление линий связи. Физически это связано с
ролью омических потерь
R
в проводниках кабеля и
диэлектрических в его изоляторах:
Att = 8.686 [
R
/2
Z
0
+ ωCtgδ*
Z
0
/2],
где вклад второго слагаемого становится замет-
ным лишь на частотах выше ~ 100 МГц, а сравнимым
с омическим — выше ~ 1ГГц. Так что на всех приме-
няемых в системах связи частотах затухание сигнала
вызвано в основном поглощением их энергии про-
водниками (жилами). По этой причине повышение
Z
0
благоприятно.
Видимо, это и вызвало эволюцию волновых со-
противлений линий связи от 50 и 75 Ом у коакси-
альных фидеров, до 100 Ом у витых пар и далее до
120 (стандарт 485) и 150 для некоторых скоростных
приложений Ethernet.
Коль скоро роль диэлектрических потерь мала, то
понятна упомянутая выше слабая реакция кабельно-
го изделия на удаление мика-ленты. К тому же, если
Табл.3. Параметры кабелей с полувоздушной
изоляцией. Частота 1 Мгц, сечение жил 1 мм
2
Z0
Ом
корд
мм
кабель
мм
C
нФ/км
tgδ*
100*
0.73
6.52
(10.0)
36.8
(69.4)
1.6 10
–3
(0.02)
120
1.02
7.69
30.9
1.4 10
–3
150
1.66
10.24
25.7
1.3 10
–3
Z0
Ом
L
мГн/км
V/c
Att
дБ/км
Att(39)
дБ/км
100*
0.368
(0.694)
0.910
(0.480)
6.69
2.71
(2.95)
120
0.449
0.896
5.59
2.30
150
0.577
0.867
4.50
1.88
* В скобках — для кабеля со сплошной изоляцией ε = 4,
tgδ = 0.02, 39 КГц.
КАБЕЛЬ−news / № 3 / март 2009
54
Производство
посмотреть на графики рис. 6, от нее вообще мало
что зависит. Кроме того, они же показывают и слабую
зависимость свойств кабеля от качества корделя.
В свете этого может вызвать удивление снижение
на 0.2 дб/км затухания в «полувоздушных» парах, от-
носительно затухания сигнала в линиях, оборудован-
ных сплошной изоляцией (строка 100 Ом в табл. 3).
Это — огромная величина, так как на частоте 39 КГц
диэлектрические потери ничтожны (~0.0002 Дб/км),
и их ослабление, которое обеспечивает полувоздуш-
ная изоляция, такого дать не может.
Ключ к этой загадке — в экране пары. Обычно
экран принято считать неким пассивным элементом,
который лишь как-то меняет емкость и индуктив-
ность кабеля и защищает от внешних помех. Или,
напротив, — окружающую среду от его электромаг-
нитного поля.
На самом деле экран — куда более интересная и
активная деталь. В частности, его сопротивление
может как увеличить затухание сигнала (то есть
увеличить параметр омических потерь
R
), так и, на-
против, — уменьшить (как бы подключившись к
R
параллельно). Последний эффект иллюстрирует рис.
9, где показана цветная карта распределения токов
в жиле и расположенном рядом экране. Как видно,
ток жилы индуцирует в экране антипараллельный
ток. Роль этого тока двоякая. С одной стороны, он
греет экран и, стало быть, увеличивает затухание сиг-
нала. Но с другой, он (ре)индуцирует в жиле ток, па-
раллельный току жилы. И, таким образом, экран как
бы подключается параллельно жиле. Что, очевидно,
снижает затухание.
Отметим интересную особенность распределения
токов на рис. 9. Как видно, индуцированный жилой
антипараллельный ток в экране концентрируется
в области, ближайшей к жиле. И это — интуитивно
понятно. Но, если пустить ток в экране, то он, вместо
того, чтобы распределиться по объему экрана или,
при развитом скин-эффекте, — по его поверхности,
тоже прижимается к токопроводящей жиле. Это, по-
жалуй, — один из самых контрастных примеров дей-
ствия эффекта близости.
В целом роль экрана — отдельная тема, выхо-
дящая за рамки данной статьи. Так как эта роль
зависит от множества факторов: частоты, прово-
димости и толщины экранов, их формы и распо-
ложения относительно сигнальных жил. Отметим
лишь, что при симметричном удалении экрана от
жил возрастает его роль как поглотителя энергии
сигнала. А приближение стенки экрана к одной из
жил «помогает» распространению сигнала, как это
показывает рис. 9.
Итак, можно понять причину пониженного затуха-
ния в кабеле с полувоздушной изоляцией. При не-
изменной величине Z
0
габариты кабеля меньше, что
при тех же размерах жил ведет к приближению к ним
стенок экрана и росту их роли в качестве «помощ-
ников». Этому же способствует и овальная форма
экрана.
Перспективы применения витых пар с полу-
воздушной изоляцией
Известно [7], что изоляторы из ПВХ применяют
только для жил кабелей компьютерных сетей (LAN)
категории 3 (граничная частота 16 МГц). В то время
как для высших категорий 4 (20 МГц), 5 (100), 6 (250),
7 (600), 8 (1200) — только полиолефины, в том числе
вспененные. Так как общепринято, что для высокоча-
стотных кабелей ПВХ заведомо не пригоден.
Тем не менее, исследования данной работы по-
казывают, что ставить на нем крест рано. Как можно
видеть из рис. 8, применение его в качестве твердых
деталей полувоздушной изоляции витых пар по-
зволяет скачком перебросить их к категории LAN-8.
С другой стороны, материалы с пониженными зна-
чениями ε и tgδ (ПЭ, полипропилен, тефлон и тп), в
том числе вспененные, тут не имеют особых преиму-
ществ (рис. 6).
90
100
110
120
130
140
150
160
5
6
7
8
9
lg (
частота , Гц )
Z
0
, О
м
150
120
100
0.80
0.85
0.90
0.95
5
6
7
8
9
lg ( частота , Гц )
V/c
150
120
100
0
10
20
30
40
50
60
6
7
8
lg ( частота , Гц )
з
ат
у
х
ан
и
е
,
д
Б
100
150
Кат 8
1200 м
20
40
60
80
600
800
1000
1200
1400
1600
частота , МГц
з
ат
ух
а
н
и
е
,
д
Б
/1
0
0
м
100
150
Кат. 8
120
Рис.8. Частотные зависимости параметров кабелей с полувоздушной
изоляцией. Вертикальный пунктир 1200 МГц — граничная частота
LAN-кабелей категории 8 (красный пунктир — график предельно
допустимого затухания). Горизонтальный пунктир 17.5 дБ —
предельно допустимое затухание по стандарту 485.
На уровне 69 дБ — затухание LAN-8 на частоте 1200 МГц.
КАБЕЛЬ−news / № 3 / март 2009
55
Производство
Более того, их применение может дать даже от-
рицательный эффект. Дело в том, что как показали
специальные численные исследования, основную
роль в формировании свойств полувоздушной изо-
ляции играет даже не столько значительный объем в
них воздуха (кстати, даже больший, нежели в пенных
изоляторах), сколько минимальный контакт ее твер-
дых деталей с поверхностью жилы. След этого явле-
ния можно видеть на рис. 4, где проход корделя над
вершинами проволок жилы сопровождается бро-
сками емкости. И в этом смысле механически более
жесткий кордель может оказаться предпочтительнее
вспененных материалов, эластичных и мягких.
Из этих соображений ясно, что, если жилы имеют
левую скрутку, то кордель целесообразно пустить
поверх нее правой спиралью. И оборудовать его не
круглой, а рифленной (шлицованной) поверхностью.
Обеспечив такими приемами минимум площади его
контакта с жилой.
Выше упомянуто, что в технологии Ethernet
1000BASE-CX применяют кабели 150 Ом длиной 25 м
с граничной частотой 625 МГц (табл.2). Но, как видно
из рис. 8, оборудование таких кабелей полувоздуш-
ной изоляцией позволяет рассчитывать на увеличе-
ние дальности до 270 м. То есть, на порядок дальше.
Известно [7], что разработка кабелей LAN-8 обу-
словлена не в малой степени освоением технологии
Ethernet 10G BASE (класса 10 Гбит/с). Известно также,
что для этого используют как повышение рабочей
частоты LAN-кабелей и параллельную работу их пар,
так и уплотнение каналов связи с помощью многоу-
ровневых сигналов. Но для этого необходимы доста-
точно высокие отношения сигнал/шум.
Если предположить, что приведенное выше отно-
шение с/ш = 0.8 дБ для LAN-8 в этом смысле доста-
точное, то запас 9, 19 и 27 дБ у «полувоздушных» пар
позволяет повысить скорость потока данных в 11, 24
и 34 раза. Что равносильно выходу на уровень 100G
BASE (100 Гбит/с).
Не малым преимуществом витых пар с полувоз-
душной изоляцией является также близость скоро-
сти сигнала в них к пределу V/c = 1. И вообще слабая
зависимость от свойств пары. Все это — благоприят-
ный фактор для многопарных кабелей связи с огра-
ничениями на разброс этого параметра. Техническая
сторона вопроса о реализуемости производства та-
ких кабелей на существующем оборудовании выхо-
дит за рамки данной статьи. Мы лишь рассмотрели
теорию.
И последнее, но не по важности. Результаты данной
работы показывают, что применение полувоздушной
изоляции, видимо, вплотную приблизит нас к макси-
мально возможной рабочей полосе частот и скорости
передачи данных с помощью металлических витых
пар. Во всяком случае, по параметру затухания. Если
так, то дальнейший существенный прогресс будет
возможен лишь путем замены металлических жил
другими материалами, свободными от омических
потерь. Например, емкостными проводниками, воз-
можные свойства которых описаны в [9] .
Литература
1. ГОСТ Р 52350.27-2005 (МЭК 60079-27:2005) Концепция
искробезопасной полевой шины (FISCO) и концепция невос-
пламеняющей системы полевой шины (FNICO).
2. ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079-11-99) Электрооборудо-
вание взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная элек-
трическая цепь i.
3. Рекомендации по проектированию систем FF. ревизия
2.0. — Austin, USA, AG181-2004
4. Application guidenes for TIA/EIA-485-А. — Arlington, USA
TSB-89, 2002.
5. Н.И. Белорусов, И.И. Гроднев. Радиочастотные кабе-
ли. — М: Энергия, 1972
6. Е.М. Вишняков, Д.В. Хвостов. Несостоятельность некото-
рых традиционных методов расчета емкостных параметров
триад и трехфазных кабелей. «Кабель-news». № 12-1, 2008,
с. 44-48.
7. Д.Я. Гальперович, Ю.В. Яшнев. Инфраструктура кабель-
ных сетей. — М: Русская панорама, 2006.
8. ГОСТ Р МЭК 60331-23-2003. «Испытания электрических
кабелей в условиях воздействия пламени. Сохранение рабо-
тоспособности. Часть 23. Проведение испытаний и требова-
ния к ним. Кабели электрические для передачи данных»
9. Е.М.Вишняков, Д.В.Хвостов. Емкостный проводник
из полимерного композита с углеродными нанотрубками.
«Кабель-news». № 12-1, 2009, с. 28-34.
Е.М. Вишняков, Д.В. Хвостов
Рис.9. Отражение токов медной жилы в плоском
полубесконечном алюминиевом экране (слева).
А также отражение тока экрана в жиле (справа). Теплые
тона — положительное направление тока, холодные —
противоположное. Диаметр жилы 1 мм, частота 39 КГц
Оригинал статьи: Витая пара с полувоздушной изоляцией
Показано, что применение полувоздушной изоляции на базе корделей из ПВХ пластикатов и мика-лент позволит создать огнестойкие (в трактовке МЭК 60331) искро- и взрывобезопасные кабели типа витой пары с характеристиками, превосходящими таковые у LAN-кабелей высших категорий, а также существенно уменьшить габариты кабелей, массу, погонные емкость и индуктивность. Показана малая чувствительность параметров кабелей к диэлектрическим характеристикам твердых деталей изоляции, что позволяет технологам сосредоточиться на антистатических, механических, огнестойких и других свойствах кабелей, полезных для применения во взрывоопасных производствах.
