ИЗЛУЧАЮЩИЙ КАБЕЛЬ

А.А. ПАВЛОВ к.т.н
Н.И. ДОРЕЗЮК к.т.н.
И.А. СЕРЕГИН

Связь в наше время стала синонимом выражения «время-деньги» («time is money»), а мобильная — вдвойне. Человек с сотовым телефоном или радиостанцией, не привязанный шнуром к своему рабочему месту, стал символом нашего времени, а количество людей, пользующихся мобильными видами связи, в мире приближается к 100 млн. человек. Число абонентов систем мобильной связи на душу населения страны символизирует уровень и качество жизни в этой стране. В этом смысле, темпы роста абонентов мобильной связи в России (до 200% прироста в год) вселяют надежду в наше светлое будущее.
При любой системе радиосвязи, будь то сотовая, транкинговая или пейджинговая, существуют «мертвые» зоны или зоны «радиотени», в которые не проникают радиоволны. Такие зоны возникают во всевозможных туннелях, авто и железных дорог, метро, подземных сооружениях, например, многоэтажных автостоянках, подвалах крупных зданий и даже во дворах за крупными многоэтажными зданиями из железобетона.
«Оживить» эти «мертвые» зоны или осветить зоны «радиотени» и призваны излучающие кабели, которые сочетают в себе свойства радиопередающей линии и протяженной антенны. Это свойство излучающего кабеля иллюстрирует рис 1.

Рис. 1
Рис 1. Излучающий кабель сочетает в себе свойства радиопередающей линии и протяженной антенны, а каждое отверстие в нем является миниантенной.
а) Система ввода радиосигнала в экранированные помещение с помощью обычного кабеля и антенн.
б) Система ввода радиосигнала в экранированные помещение с помощью излучающего кабеля.
Как видим, такой кабель прекрасно заменяет целую гирлянду из антенн и соединительных кабелей. Излучающие кабели широко используются в ведомственных системах радиосвязи в метрополитенах, шахтах, зданиях, аэропортах, больницах, т.е. в локальной зоне, разделенной экранированными перегородками. Жизнь постоянно подсказывает и находит новые области применения излучающих кабелей. Простейший вариант применения излучающего кабеля в линии связи в железнодорожном туннеле показан на рис 2.

Рис 2
Принципиальная конструкция излучающего кабеля показана на рис 3.

Рис.3 Конструкция излучающего кабеля

1 — внутренний проводник
2 — изоляция
3 — внешний проводник
4 — отверстия
5 — защитная оболочка

Излучающий кабель — это, как правило, коаксиальный радиочастотный кабель, во внешнем проводнике которого имеются отверстия, которые и выполняют роль антенн (рис.3). Благодаря этим отверстиям электромагнитное поле существует не только внутри, но и снаружи кабеля, поэтому он одновременно выполняет функции передающей линии, транслирующей сигнал до заданного места и приемо-передающей антенны. Свойства излучающего кабеля одинаковы на прием и передачу. Диапазон частот излучающего кабеля простирается от единиц МГц до 2000 МГц (длина волны от нескольких десятков метров до десятков сантиметров). Выбирая форму, размеры, порядок следования излучающих отверстий по длине кабеля можно в широких пределах изменять характеристики самого кабеля.
Главные параметры излучающего кабеля, это — коэффициент затухания (погонные или продольные потери) и потери на связь (поперечные потери). Первый, как и в обычном радиочастотном кабеле, характеризует потери мощности сигнала при прохождении по кабелю и выражается обычно для излучающих кабелей в децибелах на 100 м или на км — дБ/100 м, дБ/км. Коэффициент затухания обозначают греческой буквой альфа — . Второй параметр свойственен только излучающему кабелю и представляет собой отношение мощности сигнала в кабеле к мощности сигнала, принятого дипольной антенной на определенном расстоянии от кабеля. Потери на связь выражается в децибелах — дБ, обозначают латинской буквой — А. В зависимости от области применения и конструкции кабеля величина потерь на связь выбирается в интервале от 50 до 80 дБ.
Оба параметра по международным стандартам (документ Международного Электротехнического Комитета — IEC 1196-4) измеряют в двух положениях прямолинейно натянутого кабеля:
— в свободном пространстве, когда кабель подвешен на диэлектрических опорах на высоте 1,5-2 м от земли и любых проводящих поверхностей;
— на земле, когда кабель проложен на не металлических опорах с удалением от стенки или пола из бетона на 10-12 см.
Потери на связь в мировой практике нормируются на расстоянии 2 м при перпендикулярном расположении антенны относительно кабеля. При другом расположении антенны уровень сигнала может отличаться, причем даже существенно, что зависит от конструкции кабеля, частоты сигнала и удаленности абонента.
Коэффициент затухания в зависимости от конструкции кабеля может существенно отличаться при подвеске кабеля в свободном пространстве и прокладке непосредственно на бетоне. Чем больше кабель излучает, тем больше влияние внешней среды и расположения кабеля относительно радиопоглощающих поверхностей и тем больше величина коэффициента затухания.
Видов и конструкций излучающих кабелей много, но среди большого разнообразия конструкций и габаритов имеется два существенно различных класса.
В первом — излучающие кабели имеют отверстия, размеры и период повторения которых много меньше длины волны. Это кабели поверхностной волны, известные еще как кабели со связанными волнами (coupling mode) или кабели вытекающей волны (leaky сable). Волна в таком кабеле имеет структуру, близкую к обычной кабельной ТЕМ-волне и распространяется в неком условном цилиндре, не отрываясь от кабеля.
Особенности и свойства этих кабелей поверхностной волны следующие:
— широкополосность (от единиц до тысяч МГц);
— быстрое убывание уровня сигнала при удалении от кабеля
— большие колебания уровня сигнала вдоль кабеля (перепад 20-25 дБ);
— простота изготовления и, как следствие, низкая стоимость;
— большой диапазон диаметров (от единиц до десятков мм).
Типичным примером кабелей первого класса являются излучающие кабели с оплеткой малой плотности или с проводниками из металлических лент с отверстиями. Назовем отечественные марки только некоторых из них: РИ 50-7-11, РИ 50-17-32, РИ 50-4-11.
Во втором классе — излучающие кабели имеют отверстия или группы отверстий, расстояние между которыми соизмеримо с длиной волны. Правильно выбранный кабель будет иметь заданные свойства передачи и излучения внутри рабочего диапазона частот, например от 150 до 450 МГц. Это кабели излученной волны, известные во всем мире, как излучающие (radiating cable). Волны в этих кабелях «отрываются» от него и уходят в пространство, медленно затухая. Кабель излученной волны является как бы антенной решеткой. Тут уж ориентация приемной антенны относительно кабеля не сказывается на уровне принимаемого сигнала. Иллюстрации на рис.4 позволяют представить в простейшем виде картину уровней сигнала (т.е. величины сигнала в антенне) при изменении расстояния между кабелем и антенной в случае поверхностной волны (кабель РИ50-17-32) и излученной волны (кабель РИ50-17-33).

Кабели излученной волны отличает:
— меньшие продольные потери по сравнению с кабелями поверхностной волны;
— медленное убывание уровня сигнала при удалении от кабеля;
— незначительные колебания уровня сигнала вдоль кабеля (5 — 10 дБ).
— меньшее влияние окружающей среды и условий прокладки на характеристики кабеля.
Типичным примером кабелей с излученной волной являются кабели с внешним проводником из медной ленты с перфорированными отверстиями в виде групп с переменными по длине размерами или частотой следования. Вариантов конструкций излучающих кабелей этого класса великое множество, перечислим только часть марок из этого ряда: РИ 50-17-33, РИ 50-24-31, РИ 50-33-31. Параметры этих кабелей на частотах 100, 150, 330 и 470 МГц представлены на рис. 5.

Коэффициент затухания в зависимости от

Коэффициент затухания в зависимости от

рис.5

В любом случае при выборе излучающего кабеля является оптимизация совокупных параметров — коэффициента затухания и потерь на связь, которые представляют собой «системные потери» и определяют дальность связи и протяженность тракта без усилителей.
Рассмотрим принцип выбора излучающего кабеля на примере простой схемы радиосвязи без усилителей, представленной на рис. 6.

рис.6
В этой схеме связи базовая радиостанция — РС (передатчик и приемник) через подводящий радиочастотный кабель (джампер) и делитель подает сигнал в два плеча линии связи, выполненной на излучающем кабеле с согласованными нагрузками на концах. Мобильная станция представляет собой носимую или возимую РС, находящуюся в зоне приема-передачи излучающего кабеля.
При расчете параметров системы на прием и передачу учитывают факторы, представленные в таблице 1.
Таблица 1

Рассчитаем дальность связи такой простейшей системы при применении излучающих кабелей марок РИ 50-17-33 или РИ 50-33-31 на частоте 150 МГц с применением типичных стационарных и носимых РС. При расчете гарантированно надежной связи следует брать наихудшие значения параметров всех узлов системы.
Исходные данные для расчета следующие:
— мощность выходного сигнала передатчика (мобильной станции) — 2 Вт (33 дБм) — РдБм;
— чувствительность приемника (базовой станции) — 0,5 мкВ (-113,6 дБм) — ЕдБм;
— погонные потери в излучающем кабеле — 23 дБ/км (РИ 50-17-33) и 15 дБ/км (РИ 50-33-31) —  , дБ/км;
— потери на связь — 63 дБ (среднее значение) — А;
— потери в делителе — 3,5 дБ — Ад;
— коэффициент запаса системы — 6 дБ (выбирается с учетом влияния окружающей среды и условий монтажа) — А кз
— потери в подводящем кабеле — 1 дБ — Ак;
— коэффициент усиления антенны — 0 дБ.
Расчет длины крыла связи производится по следующему соотношению (обозначения даны выше):
L= (PдБм +( -ЕдБм ) — (А+Ад + Акз +Ак))/ 
Расчетная длина одного плеча связи составляет 3,1 км (РИ 50-17-33) и 4,8 км (РИ 50-33-31). Как видно дальность связи на кабеле РИ 50-33-31 в 1,5 раза больше, чем на кабеле РИ 50-17-33.
При другой схеме построения системы, естественно, необходимо будет учитывать параметры других узлов (делителей, сумматоров, усилителей и т.д.).
Как уже было сказано выше, параметры излучающего кабеля зависят от условий прокладки, поэтому целесообразно дать некоторые рекомендации по способам монтажа. Основные требования, которые должны соблюдаться при прокладке излучающих кабелей в туннелях или других объектах — это размещение кабелей на расстоянии не менее 70 — 100 мм от стен. Соблюдение этого требования для большинства кабелей снижает до минимума коэффициент затухания и не требует ориентации отверстий относительно какого-либо положения в пространстве. При монтаже используются не металлические держатели разных форм и способов крепежа, но расстояние между держателями не должно быть больше 0.7-1,5 м, чтобы излучающие кабели не провисали во время длительной эксплуатации. Необходимо строго соблюдать допустимые радиусы изгиба, температуру и усилие натяжения при прокладке. Эти параметры обязательно указываются в спецификациях или технических условиях на кабели.
Применяемые соединители, узлы разводки сигналов связи, согласованные нагрузки должны соответствовать волновому сопротивлению кабеля (50 или 75 Ом).

Читайте также РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ 21го ВЕКА