Известны также конструкции микрокоаксиальных  кабелей, которые содержат 4, 7, 19 и более тонких коаксиальных пар (0,7/2,9) и используются для организации 300 аналоговых каналов до 1,3 МГц или 30—120 цифровых каналов в диапазонах 2... 8,5 Мбит/с. Микрокабели предназначены для городской и пригородной связи.

Большие коаксиальные пары представляют собой, как правило, одну пару большого размера (7/27  11/40 и др.). Они используются по двухкабельной системе и предназначаются для организации большого числа каналов на главных направлениях связи. Кабели предполагается использовать для систем передачи на 50000 или 100000 телефонных каналов в диапазоне 300 и 600 МГц соответственно.

Подводные коаксиальные кабели предназначены для устройства связи через моря и океаны. Кабели, как правило, имеют однокоаксиальную конструкцию   большого   размера—5/18; 8,4/25,4 и др. и рассчитаны на передачу по 48, 60, 120, 300 и 2700 и больше каналов связи.Рассмотрим более подробно коаксиальные кабели среднего типа (2,6/9,5 мм), малогабаритные кабели (1,2/4,6 мм), а также комбинированные коаксиальные кабели (2,6/9,5 и 1,2/4,6 мм).

Магистральный коаксиальный кабель КМ-4 типа 2,6/9,5 содержит четыре коаксиальные пары и пять звездных четверок (рис.7). Каждая коаксиальная пара состоит из внутреннего медного проводника диаметром 2,6 мм и внешнего проводника в виде медной трубки диаметром 9,5 мм с одним   продольным швом. Коаксиальная пара имеет изоляцию из полиэтиленовых шайб толщиной 2,2 мм с расстоянием между ними 25 мм. Поверх внешнего проводника расположен дополнительный экран в виде двух мягких стальных лент толщиной 0,15... 0,2 мм, который покрывается одним-двумя; слоями кабельной бумаги. Кабель имеет свинцовую оболочку и обычные броневые покровы и маркируется КМБ, КМГ, КМК. Кабель типа 2,6/9,4 используется в основном по однокабельной системе.

По кабелю КМ-4 можно организовать две системы К-1920 с расстоянием между усилителями 6 км или две системы К-3600 или К-5400 с расстоянием между усилителями 3 км. Возможно также применение цифровых систем  передачи  ИКМ-480 и ИКМ-1920.

Расстояние между усилительными пунктами равно 6 км при передаче в диапазоне до 8,5 МГц и 3 км при передаче до 18МГц. Усилительные пункты получают электропитание дистанционно от обслуживаемых пунктов, расположенных через 120... 240 км на кабельной магистрали. Аппаратура дает усиление до 48,4 дБ. Максимальная дальность связи 12 500 км. Основные электрические характеристики коаксиальной пары 2,6/9,4; номинальное волновое сопротивление - 75 Ом;  переходное   затухание =122 дБ при частоте 300 кГц; коэффициент затухания а на частоте 1 МГц равен 2,48 дБ/км; испытательное   напряжение u=3,7 кВ постоянного тока.
 

Рис.7.  Коаксиальный кабель типа КМ-4:
а—поперечный разрез: 1—свинцовая оболочка; 2—поясная изоляция; 3—бронепроволока; 4—наружный покров (джут); 5—подушка; 6—две бронеленты;
б—коаксиальная пара 2,6/9,5; 1—внутренний проводник; 2—шайба; 3—внешний проводник; 4 — экран; 5 — бумажные ленты

Коаксиальные кабели в алюминиевых оболочках КМА-4 и КМЭ-4 отличаются от кабелей КМ-4 только типом оболочки. В кабелях КМА-4 применяется алюминиевая оболочка толщиной 1,5 мм, а в кабелях КМЭ-4—комбинированная двойная оболочка, состоящая из алюминиевой толщиной 1 мм и свинцовой толщиной 1,3 мм, наложенной непосредственно поверх алюминиевой оболочки. Эти кабели имеют повышенные экранирующие свойства и предназначены для прокладки в районах высокой грозодеятельности и на участках сближения с ЛЭП эл. ж. д. Коэффициент защитного действия этих кабелей составляет 0,1... ... 0,14 мм.

Малогабаритные коаксиальные кабели 1,2/4,6 предназначены для строительства кабельных магистралей ограниченной протяженности, рокадных линий между магистралями,   устройства глубоких вводов радиорелейных линий и обеспечения областных связей. Достоинствами этих кабелей являются простота конструкции, дешевизна и технологичность их изготовления.Наибольшее применение получил четырехкоаксиальный малогабаритный кабель. Он может   изготавливаться в свинцовой (МКТС-4) и алюминиевой (МКТА-4) оболочках. Сердечник кабеля во всех случаях идентичный.

На рис.8 показан малогабаритный кабель типа МКТС-4. Внутренний проводник этого   кабеля—медный,   диаметром 1,2 мм. Изоляция—воздушно-полиэтиленовая, баллонного типа. Внешний проводник—медный, с продольным швом, толщиной 0,1 мм. Экран—из двух стальных лент толщиной по 0,1 мм. Четыре коаксиальные пары скручивают вместе с пятью сигнальными парами диаметром 0,5 мм и покрывают поясной изоляцией. Снаружи располагаются свинцовая оболочка и соответствующий броневой покров. Строительная длина 500 м.  Волновое сопротивление кабеля 75 Ом. Коэффициент затухания на частоте 1 МГц равен 5,33 дБ/км.

Рис.8.  Малогабаритный коаксиальный кабель МКТС-4 - поперечный разрез.
1—свинцовая оболочка; 2—поясная изоляция; 3—бронепроволока; 4—подушка; 5 — две бронеленты;

Переходное затухание на ближнем и дальнем концах строительной длины на частоте 60 кГц не менее 104 дБ. Электрическая прочность изоляции переменному току 2000 В. Кабель МКТ-4 применяется для 300-канальной системы высокочастотной связи (К-300) в диапазоне 60...1300 кГц. Система питания—дистанционная. Необслуживаемые пункты устанавливаются через 6 км, обслуживаемые—через 120 км. Система связи — четырехпроводная, однополосная. Энергетический потенциал аппаратуры К-300 до 44 дБ. Применяются также цифровые системы ИКМ-480. Известны конструкции малогабаритных коаксиальных кабелей, имеющих одну, четыре, шесть, восемь, двенадцать пар.

Комбинированные коаксиальные кабели содержат средние пары 2,6/9,5 мм, малогабаритные коаксиальные пары 1,2/4,6 мм и симметричные группы. Комбинированные кабели позволяют:
- организовывать мощные пучки телефонных каналов и телевизионную передачу на большие расстояния по коаксиальным парам 2,6/9,5 мм с помощью систем передачи К-1920 и К-3600;
- обеспечивать распределительные каналы для связи между городами и промежуточными пунктами, расположенными по магистрали, по коаксиальным парам 1,2/4,6 мм с помощью системы К-300 и системы ИКМ-480;
- обеспечивать выделение необходимого числа каналов в любом пункте трассы с помощью систем передачи К-300 и К-24;
- организовывать служебную связь и телесигнализацию по симметричным парам и четверкам.

Кабель КМ-8/6 содержит: восемь   коаксиальных пар 2,6/ 9,5 мм; шесть коаксиальных пар 1,2/4,6 мм; одну четверку; восемь симметричных пар и шесть отдельных жил. Сечение кабеля КМ-8/6 показано на рис.9 . Все симметричные пары, четверки и отдельные проводники имеют медные жилы диаметром 0,9 мм с трубчато-полиэтиленовой изоляцией. Строительные длины комбинированных коаксиальных кабелей 490 м.

Электрические характеристики коаксиальных пар комбинированных кабелей аналогичны характеристикам кабеля КМБ-4 для пар 2,6/9,5 и кабеля МКТ-4 для пар 1,2/4,6.
На рис.10  показана конструкция коаксиального кабеля КМ-12.
 
   

Рис.9.  Комбинированный коаксиальный кабель КМ-8/6:    1 — свинцовая оболочка; 2 — поясная изоляция; 3—бронепроволока;   4—наружный покров (джут); 5—подушка;

Рис.10.  Комбинированный коаксиальный кабель КМ-12.

 
 

Результирующее магнитное поле коаксиальной пары представлено на рис.11, где показаны также напряженности магнитного поля и каждого проводника (а и б) в отдельности. В металлической толще проводника а магнитное поле  возрастает, а вне его—уменьшается по закону =I/2pr, где r— расстояние от центра проводника. Поле проводника б вне его выражается таким же уравнением, как и для сплошного проводника: =I/2pr, где r—расстояние от центра полого проводника. Поэтому при определении внешних магнитных полей коаксиального кабеля параметр r для проводников а и б принимается одинаковым и исчисляется от центра проводников (нулевой точки).

Учитывая, что токи в проводниках а и б равны по величине и обратны по знаку, магнитные поля внутреннего и внешнего проводников   и   в любой точке пространства вне коаксиальной пары также будут равны по величине и направлены в разные стороны. Следовательно, результирующее магнитное поле вне коаксиальной пары равно нулю:

 
Таким образом, силовые линии магнитного поля располагаются внутри коаксиальной пары в виде концентрических окружностей; вне коаксиальной пары магнитное поле отсутствует. Электрическое поле внутри коаксиальной пары также замыкается по радиальным направлениям между проводниками а и б, а за ее пределами равно нулю.

  Рис.11.  Магнитное поле коаксиальной цепи: I— поле проводника а; II — поле проводника б; III — поле кабеля.

На рис.12 изображены электромагнитные поля коаксиальной и симметричной цепей. Как видно из рисунка, электромагнитное поле коаксиальной пары полностью замыкается внутри нее, а силовые линии электрического поля симметричной пары действуют на довольно значительном от нее расстоянии. Отсутствие внешнего электромагнитного поля обусловливает основные достоинства коаксиальных кабелей: широкий диапазон частот, большое число каналов, защищенность от помех и возможность организации однокабельной связи. В симметричных цепях из-за наличия внешнего электромагнитного поля возникают вихревые токи в соседних цепях и окружающих металлических массах (свинцовой или алюминиевой оболочке, экране и т. д.) и часть энергии рассеивается в виде потерь на тепло.

Рис.12.  Электромагнитное поле симметричной (а) и коаксиальной (б) цепей.

Рассмотрим действие поверхностного эффекта и эффекта близости в коаксиальных парах и определим характер распределения плотности токов в проводниках при различных частотах.

Распределение плотности тока во внутреннем проводнике определяется  лишь   действием   поверхностного   эффекта (рис.13). Силовые линии внутреннего магнитного поля, пересекая толщу проводника, наводят в нем вихревые токи, направленные по закону Ленца против вращения рукоятки буравчика. Как показано на рис.13, вихревые токи Iв.т в центре проводника имеют направление, обратное движению основного тока, протекающего по проводнику, а на периферии их направления совпадают.

В результате взаимодействия вихревых токов с основным происходит такое перераспределение тока по сечению проводника, при котором плотность его возрастает к поверхности проводника. Данное явление, носящее название поверхностного эффекта, увеличивается с возрастанием частоты тока, магнитной проницаемости, проводимости и диаметра проводника. 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 поля внутреннего проводника а. Как показано на рис.13, переменное магнитное поле, создаваемое током проводника a, наводит в металлической толще полого проводника б вихревые токи Iв-т. На внутренней поверхности проводника б вихревые токи совпадают по направлению с основным током (I+Iв.т), а на наружной поверхности движутся против него (I—Iв.т). В результате ток в проводнике 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.13.  Распределение плотности тока во внутреннем проводнике (поверхностный эффект) и распределение плотности тока во внешнем проводнике.
 
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 толщу проводника. Причем чем выше частота, тем меньше глубина проникновения поля в металл. В результате энергия сосредоточивается внутри коаксиального кабеля в диэлектрике, а проводники задают лишь направление распространению волн электромагнитной энергии. Мешающее электромагнитное поле высокой частоты, создаваемой соседними цепями передачи или другими источниками помех, действуя на внешний проводник коаксиальной пары, также будет 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.
 
Из рис.14 и рис.15  видно, что основной ток передачи концентрируется на внутренней поверхности внешнего проводника, 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 указанные токи и, следовательно, тем лучше защищен кабель от действия посторонних помех. Таким образом, в отличие от всех других типов кабелей, требующих для защиты от помех специальных мер (симметрирования, экранирования и т. д.), в коаксиальных кабелях на высоких частотах это обеспечивается самой их конструкцией.
 

Рис.14.  Концентрация токов на взаимно обращенных друг к другу поверхностях проводников а и б

Рис.15.  Рабочий ток и ток помех в коаксиальной цепи

 

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 сечению проводника, 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.

Если коаксиальную пару расположить так, чтобы ее ось совпадала с осью z, то электромагнитное поле вследствие цилиндрической симметрии не будет зависеть от координаты j. Кроме того, по физическим соображениям будет отсутствовать составляющая Нz—напряженность магнитного поля по оси z. Также отсутствуют тангенциальная составляющая напряженности электрического поля Е, и радиальная составляющая напряженности магнитного поля Нr.

Таким образом, применительно к коаксиальной паре идеальной конструкции действуют лишь три составляющие электромагнитного поля: Еr, Еz, Н (рис.16). В результате электромагнитное поле коаксиальной пары определится следующими уравнениями:
                                       (1)
  В этих уравнениях составляющие напряженности электромагнитного поля зависят от двух переменных: r и z. Напряженность магнитного поля коаксиальной пары содержит только одну составляющую Hj. Это означает, что линии магнитной индукции располагаются концентрически вокруг оси z.

Электрическое поле характеризуется двумя составляющими: радиальной Еr и продольной Еz. Радиальная составляющая oбуслaвливается наличием тока смещения в диэлектрике Iсм и совпадает по направлению с вектором плотности последнего. Продольная составляющая Еz характеризует ток проводимости Iпp в проводниках, направленных вдоль кабеля.

Рис.16.  Составляющие электромагнитного поля коаксиальной цепи.

Для изучения явлений, происходящих в коаксиальной паре, необходимо рассмотреть два процесса: распространение энергии вдоль пары и поглощение ее проводниками (внутренним и внешним). В первом случае энергия направлена вдоль оси z, а во втором — внутрь проводников по составляющей r. Оба процесса оцениваются и характеризуются с помощью теоремы Умова—Пойнтинга.

Энергия на пути своего движения встречает сопротивление среды Zв, которое математически выражается через отношение составляющих полей, образующих с вектором Пойнтинга правовинтовую систему Zв=Еr/Нj. Таким образом, при рассмотрении процесса распространения электромагнитной энергии вдоль коаксиальной пары надлежит оперировать составляющими полей Еr и Нj , которые связаны между собой следующими соотношениями:
—(dНj/dz)= s+iweEr ; (dЕr/dz)= - iwmHj            (2)
Здесь принято, что dЕz/dz=0, так как не учитываются продольная составляющая поля и соответственно потери в проводниках.

Для установления распределения напряжения и тока вдоль проводников необходимо найти величины Еr и Нj как функции переменной z. Причем для составляющих полей в направлении оси z действует экспоненциальный закон изменения, выражающийся равенствами:
 
                                           (3)

где   g—коэффициент распространения; Еrо и Hjo—начальные составляющие векторов. Тогда взяв  первую производную и подставив эти значения в (2), найдем
gHj=(s+iwe)Er ; gEr = - iwmHj;         (4)

Определим интересующие нас значения g  и Zz. Перемножив выражения
 и поделив эти выражения, получим , что Zв=                   (5)
 где Zв—волновое сопротивление среды; g—коэффициент распространения; m,e,s—соответственно магнитная, диэлектрическая проницаемости и проводимость среды.

Ранее было получено следующее выражение для волнового сопротивления окружающей среды: Zв=Er/Hj Для  волнового сопротивления коаксиальной пары необходимо оперировать величинами напряжения и между проводниками и тока I в проводниках:
 Zв=U/ I                                           (6)

Напряжение между проводниками может быть определено как линейный интеграл радиальной составляющей электрического поля между проводниками:
 
        (7)
 
 Из (4) имеем Еr= (iwm/g) Hj. Подставив сюда значение g и имея в виду, что по закону полного тока Hj= I/2pr, получим, что тогда:

          (8)

Соответственно волновое сопротивление кабеля будет выражаться следующей формулой:
 
               (9)

Сопротивление вдоль цепи R=0, так как не учитывались потери в проводниках кабеля, и внешняя межпроводниковая индуктивность коаксиального кабеля L=(m/2p)ln(rb/ra) Соответственно проводимость G=2ps/ln(rb/ra) ,емкость С=2pe/ln(rb/ra).

Сопротивление внутреннего проводника может быть определено как сопротивление одиночного проводника, так как электрическое поле внешнего проводника никакого действия на внутренний проводник не оказывает.
 Для определения Ra и Lа обычно пользуются заранее рассчитанными таблицами функций F, Q, Н и G для различных значений Io и I'  (табл.1). Сопротивление, Ом/км:
  Ra=Ro(1+F(kr));                                  (10)

внутренняя индуктивность, Гн/км:
La=(1/2)mQ(kr)0.0001,                           (11)

где Ro –сопротивление постоянному току 1 км проводника, Ом/км.

Таблица 1.

kr	F(kr)	G(kr)	H(kr)	Q(kr)
0,5	0,000326	0,000975	0,042	0,9998
1,0	0,00519	0,01519	0,053	0,997
1,5	0,0258	0,0691	0,092	0,937
2,0	0,0782	0,1724	0,169	0,961
2,5	0,1756	0,295	0,263	0,913
3,0	0,31:8	0,405	0,348	0,945
3,5	0,492	0,499	0,416	0,766
4,0	0,678	0,584	0,466	0,686
4,5	0,862	0,669	0,503	0,616
5,0	1,042	0,755	0,530	0,556
7,0	1,743	1,109	0,596	0,400
10,0	2,799	1,641	0,643	0,286

 Значения коэффициентов kr для различных проводников следующие: для медных =0,0105d, для остальных 0,0375d и для алюминиевых =0,0082d, где d-диаметр проводника, мм; f-частота, Гц. Проводя соответствующие вычисления, получим, что при применении обоих алюминиевых проводников вместо медных сопротивление возрастает на 29%, а при замене меди на алюминий только у внешнего проводника сопротивление возрастает всего на 6%. Последний вариант предпочтительнее. В области высоких частот внутренняя индуктивность проводников мала и индуктивность коаксиального кабеля обусловливается лишь внешней индуктивностью .

Волновое сопротивление Zв, Ом, коаксиальной пары –это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без искажения.

В коаксиальных парах со сплошным диэлектриком  Zв=50 Ом, а при комбинированной изоляции величина волнового сопротивления составляет примерно 75 Ом.
 

Различают неоднородности внутренние — в пределах строительной длины кабеля — и стыковые, обусловленные различием характеристик сопрягаемых строительных длин. Стыковые неоднородности, как правило, превышают внутренние. Имеются также неоднородности за счет отражения от аппаратуры. Неоднородность кабеля сказывается главным образом на волновом сопротивлении кабеля, величина которого на участках неоднородности отличается от номинальной.Неоднородности цепи учитываются через коэффициент отражения.

Наибольшее влияние на колебания волнового сопротивления оказывают отклонения размеров внешнего проводника и неоднородность изолирующих материалов, вызывающая колебания величины диэлектрической проницаемости. Внутренний проводник, представляющий собой сплошную проволоку, может быть изготовлен с большой точностью.

Реальный коаксиальный кабель можно рассматривать как неоднородную цепь,  составленную  из отдельных участков. Электромагнитная волна, распространяясь по такому кабелю и встречая на своем пути неоднородность, частично отражается от нее и возвращается к началу линии. При наличии нескольких неоднородных участков волна претерпевает серию частичных отражений и, циркулируя по линии, вызывает дополнительное затухание и искажение характеристик цепи.

Неоднородности в кабеле приводят к появлению в цепи двух дополнительных потоков энергии: обратного, состоящего из суммы элементарных отраженных волн в местах неоднородностей и движущегося к началу цепи, и попутного, возникающего по закону двойных отражений, вследствие того, что первоначально отраженные волны, движущиеся к началу цепи, встречая места неоднородностей, частично отражаются и направляются к концу линии .

Обратный поток приводит к колебаниям величины входного сопротивления кабеля Rвх, т. е. характеристика Rвх становится волнообразной. Это затрудняет согласование кабеля с аппаратурой на концах линий и приводит к искажениям в цепи передачи. Попутный поток искажает форму передаваемого сигнала и также создает помехи в передаче. Особенно страдает из-за этого качество телевизионной передачи, для которой фазовое соотношение передаваемых и принимаемых сигналов является решающим фактором. Для нормальной передачи телевизионных сигналов величина попутного потока должна составлять не более 1 % основного.

Высококачественная телефонная связь требует отсутствия амплитудных искажений в цепи передачи. С целью повышения однородности электрических характеристик коаксиальных магистралей производится специальное группирование строительных длин кабелей перед прокладкой с таким расчетом, чтобы отклонение волнового сопротивления двух смежных строительных длин не превышало 0,3 Ом. При этом строительные длины располагают так, чтобы величины волнового сопротивления постепенно нарастали от начала усилительного участка к его середине и спадали от середины к концу. На входе в усилительный пункт прокладывают строительные длины с номинальным волновым сопротивлением (75 Ом).

Неоднородности коаксиальных кабелей в настоящее время исследуются и измеряются преимущественно импульсным методом с помощью импульсных приборов большой чувствительности, которые позволяют наблюдать на экране степень однородности волнового сопротивления кабеля по его длине и устанавливать место и характер повреждения.