В настоящее время на международном уровне МЭК проблемой электромагнитной совместимости кабелей и компонентов занимается специально созданная рабочая группа WG5 в составе технического комитета TC46.

За последнее десятилетие РГ5 провела работу по теории оценки эффективности экранирования кабелей и их компонентов и систематизировала методы измерения коаксиальных, симметричных кабелей, соединителей, кабельных сборок и пассивного высокочастотного оборудования, а также силовых кабелей.

Была разработана целая серия стандартов IEC 62153-4-0...17, включающая не только методы измерения, но и основную теорию и рекомендации по установке параметров экранирования, некоторые из которых были введены в групповые условия для симметричных кабелей для локальных компьютерных сетей и коаксиальных кабелей связи.

Эта серия стандартов охватывает методы оценки эффективности экранирования кабельной продукции и аксессуаров не только в лаборатории, но и в "полевых условиях", среди которых: метод инжекционного и абсорбционного зажима, триаксиальная линия и ячейка, двойной коаксиал, коэффициент снижения и другие, включая расширение возможности измерений до частот выше 12 ГГц, а также кабели силового назначения.

ООО НПП "Спецкабель" выступает в качестве эксперта в работе РГ5 в лице генерального директора А.В. Лобанова, предоставляя отзывы и комментарии по пересмотренным и вновь разработанным стандартам оценки ЭМС для кабельной продукции.

Таким образом, актуальность темы оценки эффективности экранирования кабельной продукции наглядно отражается в международном уровне стандартизации подходов к исследованию этой обширной проблемы с массой нюансов и неоднозначностей, скромные попытки освещения которых мы предпринимаем в публикуемых статьях.

Как уже говорилось в предыдущей статье, основными параметрами, характеризующими электромагнитную совместимость высокочастотных кабелей, являются: сопротивление связи, затухание экранирования для коаксиальных и сопротивление связи и затухание излучения для симметричных кабелей СКС в дифференциальном режиме передачи сигнала.

Напомним, что несколько лет назад в международные стандарты был введен новый параметр для симметричных кабелей - радиационное затухание, которое определяет отношение мощности сигнала, излучаемой кабелем, к мощности, передаваемой в так называемом дифференциальном (симметричном) режиме работы симметричной цепи, когда пара работает на дифференциальную (симметричную) нагрузку, равномерно распределенную между жилами рабочей пары.

Как уже упоминалось в статье, важность ослабления излучения, как нормированного параметра, стала очевидной при разработке протоколов 10GBase-T, 10Gbit/s и выше. Это было продиктовано тем, что линейный метод модуляции, используемый для 10 Гбит/с PAM-16, приводил к значительно меньшему отношению сигнал/шум между логическими уровнями, чем при использовании методов модуляции, ранее применявшихся в других протоколах Ethernet. Поэтому возросло требование к повышению уровня защиты симметричного кабеля от воздействия внешних шумов.

Параметр ослабления излучения отличается от параметра ослабления экранирования для симметричного кабеля, что объясняется следующим обстоятельством.

Затухание связи (aC) представляет собой сумму двух факторов: затухания экранирования (aS) и затухания дисбаланса ( aU ) для симметричной нагрузки.

Если рассматривать отдельно экранирующее затухание симметричного кабеля, то в этом случае витые пары кабеля рассматриваются как "квазикоаксиальная" система, когда токопроводящие жилы пары или всей жилы кабеля соединены друг с другом, образуя внутренний проводник. В этом случае экранирующая способность всей конструкции оценивается в так называемом синфазном или асимметричном режиме, когда часть тока проходит через каждую жилу, а обратным путем для него является экран, как в коаксиальном кабеле.

Асимметричное затухание aU обусловлено потерей мощности в рабочей паре на излучение из-за асимметрии изолированных жил относительно "земли" (экрана) при работе в дифференциальном (симметричном) режиме, когда через каждую жилу протекает полный, но противоположный по фазе ток.

При асимметрии жил часть полезной мощности излучается в окружающую среду вследствие ее потерь из-за емкостной асимметрии жил. Это происходит из-за разницы геометрических размеров изолированных токопроводящих жил, нестабильности шага скрутки и, соответственно, расстояния жил до экрана (или "земли"). Фактически, затухание асимметрии представляет собой логарифм отношения мощности синфазного сигнала, преобразованного из дифференциального режима, к мощности дифференциального сигнала на входе кабеля. Чем выше значение затухания асимметрии, тем меньше нарушается симметрия пары.

Следует отметить, что для кабельной системы в целом ее асимметрия может быть обусловлена не только конструкцией и технологией изготовления кабелей и их соединителей, но и процедурами монтажа и подключения активных устройств с нарушением симметрии.

ГОСТ Р 54429-2011 определяет ослабление излучения как"разность между уровнем мощности сигнала в цепи симметричной пары и уровнем мощности сигнала, излучаемого кабелем". Таким образом, ослабление излучения определяет общую эффективность защиты кабеля от силового излучения благодаря симметрии и экранированию пары. Если в кабеле нет экранирования, то ослабление излучения определяется только ослаблением асимметрии.

На сегодняшний день наиболее распространенным и, в то же время, достаточно надежным и удобным методом определения частотных характеристик каждого из вышеперечисленных параметров в лабораторных условиях является метод "трехосной" линии.

Хотя в настоящее время МЭК 61156-1 и МЭК 61156-5 рекомендуют метод "поглощающего зажима" МЭК 62153-4-5 в качестве основного метода, а метод "трехосной" линии МЭК 62153-4-9 в качестве допустимого, в МЭК 61156-5, возможно, из-за более позднего развития метода МЭК 62153-4-9.

Однако в 2012 году в МЭК 61156-5 была внесена поправка, признающая метод МЭК 62153-4-9 в качестве основного.

Естественно, принцип этого метода одинаков для каждого из параметров, меняется в основном только длина линии, в зависимости от частотного диапазона измерений, и способ согласования с источником питания и нагрузкой, в зависимости от волнового сопротивления кабеля и измеряемого параметра.

Обобщая приведенные в статье варианты, рассмотрим схему измерений, описанную в ГОСТ Р 53880-2010, которая используется НПП "Спецкабель" для измерения сопротивления связи и затухания экранирования.

Кусок испытательного кабеля помещается в металлическую трубку. На ближайшем к генератору конце экран кабеля замыкается на внешнюю металлическую трубку, образуя внешнюю коаксиальную систему экран-трубка (SVCS). На дальнем от генератора конце экран образца подключается через согласующий резистор R1 кего внутреннему проводнику, образуя внутреннюю коаксиальную систему (ICS) экран-внутренний проводник. В симметричном кабеле внутренним проводником являются все жилы, соединенные между собой, так что ВКС становится "квазикоаксиальной". Для обеспечения согласованного режима работы согласующая цепь должна быть рассчитана на переход от выходного сопротивления генератора к импедансу АКС, причем величина R1равна волновому сопротивлению АКС Z1.

Преимущество данной схемы заключается в том, что экран, при распространении по его внешней поверхности энергии, передаваемой от кабеля, защищен как от дальнейшего ее распространения во внешнее пространство, так и от воздействия внешних электромагнитных полей на волны, распространяющиеся по поверхности экрана.

Напряжение U1, имитирующее помехи, подается, при необходимости через согласующую цепь с коэффициентом передачи km, от генератора к ВКС. В то же время ток, протекающий по внутренней стороне экрана, создает через сопротивление соединения экрана падение напряжения U2 наего внешней стороне, которое измеряется приемником на противоположном от генератора конце кабеля.

Затем можно определить сопротивление связи экрана:, где F - коэффициент, вносящий поправку на распределение тока в LCS;
l - длина экрана, равная длине секции LC-связи.

Длина "триаксиальной" линии для определения сопротивления связи выбрана равной 0,5 м, что соответствует частотному диапазону применения до 50 МГц. Для смещения частотного диапазона измерений до 100 МГц используется трубка длиной 0,2 м.

При измерении затухания экранирования электрические волны, проходящие по всей длине кабеля от ВКС до НКС, распространяются в обоих направлениях к ближнему и дальнему концам. На короткозамкнутом конце они отражаются все вместе, и на измерительном приемнике необходимо измерить максимальную амплитуду совпадения соединений с ближнего и дальнего конца линии, как отношение напряжений ( U2/U1)max. Затухание экрана, представляющее собой логарифмическое отношение мощностей (или напряжений), рассчитывается относительно нормированного волнового сопротивления внешней системы Zs=150 Ом, где Z1- волновое сопротивление испытуемого кабеля; ZS - нормированное волновое сопротивление Z2среды, окружающей экран кабеля (принимается равным 150 Ом).

В этом случае длина измерительной трубки увеличивается до 3 м, чтобы сдвинуть нижний частотный предел измерений в область 30 МГц.

Отметим, что верхняя частота измерений ограничена критической частотой, определяемой соотношением внутреннего диаметра трубки и минимального диаметра экрана кабеля, и составляет около 4,5 ГГц. Практически, в подавляющем большинстве случаев, достаточно проводить измерения до 3 ГГц, поскольку далее до частоты миллиметрового диапазона значение затухания экранирования остается на практически одинаковом, не зависящем от частоты, уровне. Это связано с тем, что в диапазоне частот 10...3000 МГц практически для всех конструкций экранов, рассмотренных в , наблюдается пропорциональное частоте увеличение сопротивления связи, характерное для всех типов "щелевых" экранов, для которых в этом диапазоне частот преобладающей становится индуктивная связь через "щели" в оплетке, нахлест ленты и т.п. В этом случае в формуле, связывающей сопротивление связи ZT изатухание экранирования aS, в знаменателе логарифма стоит угловая частота:

где er1, r2 - эквивалентные диэлектрические проницаемости VCS и VCS, соответственно.

Прежде чем рассмотреть метод измерения ослабления излучения с помощью "трехосной" линии, рассмотрим схему измерения ослабления асимметрии на ближнем конце. Данный параметр измеряется по схеме.

Схема для измерения асимметричного затухания на ближнем конце

Принцип измерения заключается в определении отношения дифференциального (симметричного) напряжения сигнала Udiff, формируемого на ближнем конце измеряемой пары, к синфазному напряжению сигнала Un,com, подаваемому на вход измеряемой пары. Un,com - это напряжение "квазикоаксиальной" цепи, образованной путем преобразования сигнала от генератора через симметрирующий трансформатор(СТ), между средней точкой вторичной обмотки СТ и "землей" или экраном кабеля.

Затухание асимметрии на ближнем конце TCL, дБ, определяется по формуле:

где, au,n - затухание асимметрии на ближнем конце;
Un,comm - напряжение синфазного (несимметричного) сигнала на ближнем конце измеряемой пары;
Udiff- напряжение дифференциального (симметричного) сигнала на ближнем конце измеряемой пары;
Zdiff- сопротивление измеряемой пары в дифференциальном режиме (между сердечниками пары);
Zcom- сопротивление измеряемой пары в синфазном режиме;
СТ - естественное затухание СТ;
U0и(Z0=50Ом) - соответственно, напряжение и выходное сопротивление генератора сигналов.

Для кабелей СКС значение Zdiffобычно составляет 100 Ом; значение Zcomvalueопределяется между жилами пары, соединенными друг с другом и "землей" (или экраном, или всеми другими жилами, соединенными с экраном). Обычно, в зависимости от конструкции кабеля, значение Zcomvalueможет составлять от 25 до 75 Ом.

В случае измерения ослабления излучения по схеме на дальнем конце организуется так называемое открытое соединение в трубке, т.е. соединение экрана и трубки выводится параллельно входу приемного устройства. Отметим, что термин "ослабление излучения", введенный в ГОСТ Р 54429-2011, вероятно, не совсем корректен по отношению к схеме его измерения, поскольку излучения во внешнюю среду, как такового, не происходит, а есть только индукция в БСР через экран (экраны) кабеля.

Схема для измерения ослабления излучения методом трехосной линии

При этом за "открытой" частью трубки следует оставшаяся часть кабеля длиной около 100 м через ряд "развязывающих" ферритовых колец, которые обеспечивают подавление обратных волн излучения от большей части измеряемого кабеля в трубку. Конец кабеля нагружен симметричной (дифференциальной) нагрузкой, в которой каждая жила измеряемой пары нагружена сопротивлением R1(например, 50 Ом), равным половине волнового сопротивления Zdiffэтой пары. Также в цепь измеряемой пары включается сопротивление R2, равноесинфазному сопротивлению пары Zcom.

Схема нагрузки кабеля для измерения ослабления излучения

Формула преобразования для измерения ослабления излучения аналогична формуле для ослабления экранирования.

Если сравнить схемы измерения экранирующего затухания, асимметричного затухания на ближнем конце и радиационного затухания, то можно увидеть, что, действительно, схема фактически "объединяет" схемы измерения. Номинально говоря, первая часть кабеля длиной около 3 м дает возможность определить затухание экранирования кабеля в "синфазном" (асимметричном) режиме, а вторая часть длиной около 100 м - затухание асимметрии на ближнем конце (первой длиной можно пренебречь из-за малости затухания).

Фактически, напряжение U1 вцепи приобретет значение напряжения Un,comm, которое, в свою очередь, фактически является напряжением U1. То есть, при измерении неэкранированного кабеля мы также можем получить значение Un,comm, если вход приемника (до ферритовой изоляции) подключим между соединенными жилами пары (средняя точка СТ) и "землей". При наличии экрана в качестве средней точки СТ выступает экран кабеля, то есть со стороны ферритовых колец формируется напряжение Un,comm, действующее, в то же время, как напряжение помехи, которое за счет ослабления экраном преобразуется в напряжение U2 навыходе открытой трубки

Это объяснение приводится для того, чтобы показать обоснованность схемы измерения, по которой предполагается, что результат измерения адекватен общему результату измерения.

Рассмотрим фактические результаты измерений образцов кабеля по всем рассмотренным выше схемам и параметрам, полученные на установке CoMet 40/2 совместного производства Bedea&Rosenberger.

Отдел оценки эффективности экранирования Спецкабеля

Для демонстрации практических результатов оценки уровней экранирования и симметрии кабелей при использовании установки по схеме в качестве объекта измерений были выбраны образцы некоторых экспериментальных и серийных кабелей, как тип, представляющий наиболее распространенные типы симметричных кабелей, используемых в современных сетях СКС. В дальнейшем возможно использование этих результатов для обоснования метода и сравнения его с результатами измерений.

• Образец 1 - кабель четверной скрутки категории 5е (исполнение SF/UTQ) марки КВЧнг(А)-5е 1×4х0,78 аналогичен Спецлан-PRO SF/UTQ Cat5e Ж нг(А)-HF 1×4х0,78 (ТУ 16.К99-041-2011);
• Образец 2 - кабель категории 5е (исполнение SF/UTP) марки КВП-Энг(А)-5е 4×2х0,52 аналогичен кабелю Спецлан SF/UTP Cat5e ZH нг(А)-HF 4×2х0,52;
• Образец 3 - кабель огнестойкий категории 5 (исполнение F/UTP) марки Спецлан FTP-5нг(А)-FRHF 4×2х0,52 (ТУ 16.К99-048-2012);
• Образец 4 - кабель категории 5е (исполнение F/UTP) марки КВПЭФП-5е 4×2х0, 52 (ТУ 16.К99-014-2004) аналогичен кабелю Спецлан F/UTP Cat5e PE 4×2х0, 52 (ТУ 16.К99-058-2014);
• Образец 5 - кабель категории 6А (исполнение S/FTP) марки КВПЭнг(А)-6А 4×2х0,57 аналогичен кабелю Спецлан S/FTP Cat6A ZH нг(А)-HF 4×2х0,57.

Результаты измерения кабеля:

Сопротивление связи кабелей КВЧнг(А)-5е 1×4х0,78, КВПЭнг(А)-5е 4×2х0,52, КВПЭнг(А)-6А 4×2х0,57 в диапазоне частот 0,3-100 МГц

Затухание излучения кабеля КВКнг(А)-5е 1×4х0,78 в диапазоне частот 30-100 МГц

Затухание кабеля КВКнг(А)-5е 1×4х0,78 в диапазоне частот 100-1000 МГц

Асимметричное затухание кабеля КВКнг(А)-5е 1×4х0,78 в диапазоне частот 1-100 МГц

Затухание кабеля КВПЭФП-5э 4×2х0,52 в диапазоне частот 30-1000 МГц

Затухание кабеля КВПЭГ(А)-5е 4×2х0,52 в диапазоне частот 30-100 МГц

Асимметричное затухание кабеля КВПЭГ(А)-5е 4×2х0,52 в диапазоне частот 1-100 МГц

В ГОСТ Р 54429 -2011 накабели для СКС установлены уровни параметров экранирования отдельно друг от друга, то есть разработчик вправе выбрать, какой уровень будет отдельно для сопротивления связи и отдельно для ослабления излучения (таблицы 1 и 2). В таблице 3 также приведены требования к затуханию асимметрии на ближнем конце aU(TCL).

Таблица 1

Частота, МГц	Сопротивление соединения ZT, мОм/м, не более
	Уровень экранирования
	1	2
1	10	50
10	100
30	30	200
100	100	1000

Таблица 2

Уровень ослабления излучения	Диапазон частот, МГц	Затухание излучения, как, дБ, не менее
1	30-100	85
100-1000	85-20 lg ( f /100)
2	30-100	55
100-1000	55-20 lg ( f /100)
3	30-100	40
100-1000	40-20 lg ( f /100)

Таблица 3

Уровень затухания асимметрии на ближнем конце	Диапазон частот, МГц	Затухание асимметрии, aU (TCL), дБ, не менее
1	1-100 для категории 5e; 1-250 для категорий 6-7A	40-10 lg ( f )
2	50-10 lg ( f )

Очевидно, что чем выше уровень ослабления асимметрии кабеля, тем выше симметрия его рабочих пар, тем меньшее значение ослабления экранирования допустимо для того же уровня ослабления излучения и, соответственно, тем более экономичны характеристики

Также, анализируя уровни требований aC и aU в диапазоне частот 30-100 МГц, можно сделать вывод, что если кабель неэкранированный с aS=0 дБ ("уровень 3" затухания aC), то его запас затухания aU на "уровне 2" должен составлять от 5 до 10 дБ.

Рассмотрим результаты измерений параметров отобранных образцов.

Видно, что кабель категории 5 с экраном из алюмолавсановой ленты удовлетворяет уровню 2 по сопротивлению связи, в то время как все кабели категории 5е практически попадают под верхний "уровень 1" таблицы 1. Это иллюстрирует тот факт, что в нижнем диапазоне частот на первую роль выходит суммарное сечение элементов экрана - для кабелей с одним слоем алюмолавсановой ленты или одиночной оплетки низкой плотности уровень, очевидно, дифференцируется с кабелями, в которых количество экранирующих элементов не менее двух.

Графики ослабления излучения кабеля КВЧнг(А)-5е типа SF/UTQ с экраном из алюмолавсановой ленты и оплетки показывают соответствие кабеля (за исключением некоторых выпадений) "уровню 2" таблицы 2.

В то же время, результаты ослабления асимметрии на ближнем конце этого кабеля также соответствуют "уровню 2" таблицы 3.

Также по ослаблению излучения кабель КВПЭФП-5е типа F/UTP с экраном в виде одной алюмолавсановой ленты показывает соответствие уровню 2 таблицы 2 с запасом.

Аномальные результаты показал кабель КВПЭГ(А)-5е типа SF/UTP. Из графика видно, что кабель проходит только "уровень 1" ослабления излучения, в то время как его результаты TCL показывают тот же "уровень 2".

К сожалению, результаты измерений не дают однозначного ответа о взаимосвязи уровней экранирования и параметров симметрии с конструкцией экранов кабелей, конструктивными особенностями их сердечника и технологией изготовления.

Кроме того, пока недостаточно данных о графическом подтверждении идентичности результатов сложения графиков ослабления симметрии и ослабления экранирования представленных кабелей с результатами прямых измерений ослабления излучения во всем диапазоне частот от 30 МГц до 1000 МГц.

В связи с этим и предполагается продолжение работ с накоплением достаточного количества измерений и с обоснованием их надежности и регулярности.

Следует отметить, что схема измерения "радиационного затухания", установленная в ГОСТ Р 54429-2011 (8.3.9, метод 2), соответствует схеме измерения сопротивления связи по методу, установленному в 8.3.8, а также измерению сопротивления связи или радиационного затухания в ГОСТ Р 53880-2010 (8.3.10), что представляет собой весьма приближенный подход, поскольку не позволяет одновременно оценить вклад экранирующего затухания и затухания асимметрии в кабеле. Поэтому, в качестве одной из задач по освоению установки измерения "радиационного затухания", автор рассматривает возможность внесения изменений в ГОСТ Р 54429-2011 с целью установления схемы измерения "радиационного затухания", соответствующей МЭК 62153-4-9, в качестве второго метода 8.3.9.

Другие новости по теме

Еще