Курсовая работа: Расчет параметров электромагнитной волны в коаксиальном кабеле марки РК-50-3-11
При достаточно высокой частоте ток протекает лишь по поверхности проводника, что вызывает увеличение его активного сопротивления.
Во внешнем проводнике плотность тока увеличивается в направлении к ее внутренней поверхности. Это объясняется воздействием поля внутреннего проводника. Если бы внутреннего проводника не было, то переменный ток, проходя по внешнему проводнику, вследствие поверхностного эффекта вытеснялся бы на внешнюю поверхность. При наличии внутреннего проводника плотность тока увеличивается на внутренней поверхности внешнего проводника.
Рассмотрим процесс перераспределения плотности тока во внешнем проводнике б за счет воздействия внутреннего проводника а . Как показано на рис. 6, переменное магнитное поле, создаваемое током проводника а , наводит в металлической толще полого проводника б вихревые токи Iв.т .
Рис. 6 Рис. 7
На внутренней поверхности проводника б вихревые токи совпадают по направлению с основным током (I+Iв.т ), а наружной поверхности они движутся против последнего (I-Iв.т ). В результате ток в проводнике б перераспределяется таким образом, что его плотность возрастает в направлении к внутренней поверхности. Следовательно, токи в проводниках а и б как бы смещаются и концентрируются на взаимно обращенных поверхностях проводников (рис. 7). Чем выше частота тока, тем сильнее эффект смещения тока на внешнюю поверхность проводника а и внутреннюю поверхность проводника б .
По-другому поверхностный эффект можно объяснить как проникновение электромагнитного поля в толщину проводника. Причем чем выше частота, тем меньше глубина проникновения поля в металл.
Эквивалентной глубиной проникновения θ называется глубина проникновения в толщу проводника, при которой поле (ток) уменьшается (затухает) в е=2,718 раз. С увеличением частоты передаваемого тока глубина проникновения резко уменьшается. В результате энергия сосредотачивается внутри коаксиального кабеля в диэлектрике, а проводники задают лишь направление распространения волн электромагнитной энергии.
Мешающее электромагнитное поле высокой частоты, создаваемое соседними цепями передачи или другими источниками помех, действует на внешний проводник коаксиальной пары, также будут распространяться не по всему сечению кабеля, а лишь по его наружной поверхности. Таким образом, внешний проводник коаксиальной пары выполняет две функции:
1. является обратным проводником цепи передачи;
2. защищает (экранирует) передачу, ведущуюся по кабелю, от мешающих влияний.
Рис. 8
Из рис. 8 видно, что основной ток передачи концентрируется на внутренней поверхности проводника б коаксиальной пары, а ток помех–на наружной стороне внешнего проводника. Как основной ток, так и ток помех проникают в толщу проводника лишь на глубину, определяемую коэффициентом вихревых токов. Причем чем выше частота, тем больше отдаляются друг от друга основной ток и ток помех, и следовательно, кабель лучше защищен от действия посторонних помех.
Таким образом, в отличии от всех других типов кабеля, для защиты которых от помех требуются специальные меры (симметрирование, экранирование и т.д.), защита коаксиальных кабелей на высоких частотах обеспечивается самой их конструкцией.
Из изложенного следует, что основные преимущества коаксиального кабеля (малое затухание и высокая помехозащищенность), особенно ярко проявляются в высокочастотной части передаваемого спектра частот.
При постоянном токе и на низких частотах, когда ток практически проходит по всему сечения проводников, достоинства этого кабеля пропадают. Больше того, коаксиальная цепь, как несимметричная относительно других цепей и земли (параметры ее проводников а и б различны), в низком диапазоне частот по защищенности от помех уступает симметричным кабелям.
4. Электромагнитное поле коаксиальной цепи
Запишем уравнения Максвелла в дифференциальной форме:
Где:
ρ – плотность стороннего электрического заряда (в единицах СИ – Кл/м³)
j – плотность электрического тока (в единицах СИ – А/м²)
E – напряжённость электрического поля (в единицах СИ – В/м)