тей. Однако наличие внутренних неоднородностей в кабелях в диапазоне сверхвысоких частот вызывает изменение волнового сопротивления при изменении частоты. На некоторых частотах волновое сопротивление кабелей может значительно отличаться от своего номинального значения. Это приводит к изменению коэффициента стоячей волны и затухания высокочастотного тракта.

В неоднородном кабеле от каждой внутренней неоднородности происходит частичное отражение падающей волны, причем величина отраженной волны пропорциональна величине коэффициента отражения в месте неоднородности, т. е.

Отр = Гпад, (9.22)

где Г - коэффициент отражения в данной точке; бпад - амплитуда падающей волны в той же точке; t/отр - амплитуда отраженной волны в тон же точке.

Отраженная волна распространяется от неоднородности к входу кабеля. Поскольку неоднородностей в кабеле может быть много, то суммарная отраженная волна будет состоять из волн, образующихся в местах отдельных неоднородностей. Амплитуда суммарной отраженной волны на входе кабеля будет зависеть от относительных фаз отдельных коэффициентов отражения.

Вследствие того что электрическая длина неоднородностей на сверхвысоких частотах (особенно в сантиметровом диапазоне волн) становится соизмеримой с длиной передаваемых по кабелю волн, амплитуда суммарной отраженной волны будет зависеть от изменения частоты. Одним из неблагоприятных случаев является тот, когда неоднородности в кабеле следуют одна за другой с некоторой псрисдичиостью.

Суммарная амплитуда отраженного сигнала на входе кабеля может быть в общем виде определена ио формуле (без учета повторных отражений)

о.р = Кпзд

(9.23)

где Г,1

шдуль коэффициента отражения от t-й неоднороднос-

ти, расположенной на расстоянии /; от начала кабеля; пад - модуль напряжения падающей волны; р, - фаза коэффициента отражения в точке расположения t-й неоднородности; а - коэффициент затухания кабеля на единицу длины; t - любое целое число.

На некоторых частотах отраженный сигнал на в.ходе кабеля может быть очень большим, а на других - равным нулю. Изменения величины отраженного сигнала на входе кабеля приводят к изменению величины его входного сопротивления, которое определяет величину волнового сопротивления. Таким образом, в диапазоне сверхвысоких частот нормируемая величина волнового со-противлепил кабеля, указываемая в технических условиях, не является однозначной и не может с.~жить точней характеристикой

передачи данного кабеля. В связи с этим для характеристики реальных кабелей в диапазоне СВЧ целесообразно ввести понятия номинального, местного, среднего и действующего волновых сопротивлений.

Номинальное волновое сопротивление Zb представляет собой волновое сопротивление однородной линии, определяемое по данным геометрии проводников и эффективной диэлектрической проницаемости изоляционного слоя. Это сопротивление сохраняется неизменным по длине кабеля и не зависит от частоты при условии пренебрежения активным сопротивлением проводников и независимости от частоты диэлектрической проницаемости.

Местное волновое сопротивление 2в(л:) характеризует изменение номинального волнового сопротивления неоднородного кабеля вдоль его длины. Местное волновое сопротивление может меняться вдоль длины кабеля и определяется на каждом сколь угодно малом участке геометрическим расположением проводников и эффективной диэлектрической проницаемостью.

Среднее волновое сопротивление Zm представляет собой результат усреднения местного волнового сопротивления, изменяющегося по длине неоднородного кабеля. При длине кабеля величина среднего волнового сопротивления определяется выражением

(9.24)

Z,--=-jZ,{x)dx.

Величина среднего волнового сопротивления не зависит от частоты и колеблется между крайнпмн значениями местного волнового сопротивления.

Действующее волновое сопротивление Zp характеризует неоднородный кабель в диапазоне частот, когда длина неоднородности становится соизмеримой с длиной волны передаваемых по кабелю сигналов. Значение действующего волнового сопротивления может существенно отличаться от среднего волнового сопротивления дале в том случае, когда на конце кабеля включена согласованная нагрузка. Это обусловлено тем, что напряжение падающей волны частично отражается от неоднородностей. Действующее значение волнового сопротивления кабеля может быть гфед-ставлено кажущимся характеристическим сопротивлением эквивалентного четырехполюсника. Оно отличается большой чувствительностью к изменениям частоты.

В диапазоне сверхвысоких частот следует рассматривать в основном действующее значение волнового сопротивления и сравнивать его с волновым сопротивлением эквивалентной однородной линии. Величина действующего волнового сопротивления определяет собственный коэффициент стоячей волны в кабеле. Из-за большого отклонения действующего значения волнового сопротивления Ze ОТ его среднего значения Z,„ кабель имеет большой соост-

венный КСВН, и во всем высокочастотном тракте не удается получить хорошего согласования. Можно показать, как влияют внутренние неоднородности кабеля на его КСВН.

Рассмотрим схему измерений, приведенную на рис. 9.11, для определения собственного КСВН кабеля. К высокочастотному генератору подключается измерительная линия с волновым сопро-

ZglX)

Измерительная линия

. Измеряемый aSent

Согласованная

1С кадель нагрузка

Рис. 9.11. Схема для измерения собственного КСВН кабеля

тивлением Zo. К другому концу измерительной линии подключается измеряемый кабель, нагруженный на сопротивление, равное среднему волновому сопротивлению кабеля Zm-

Если кабель однороден, т. е. 1ь{х) =1в = 1т=1е, то измеренное в некоторой полосе частот значение входного сопротивления 2вх будет совпадать с номинальным значением волнового сопротивления кабеля. В этом случае коэффициент отражения в плоскости подключения кабеля к измерительной линии при Zo=Zb будет равен нулю. Это эквивалентно тому, что значение Zbx совпадает с центром диаграммы полных сопротивлений (рис. 9.12).

Рис. 9.12. Графическое изображение отклонения Zbx от среднего значения Zm ~ TnZa на диаграмме полных сопротивлений

Однако если значение волнового сопротивления по длине кабеля не остается постоянным (1в{х)Ф1в), то измеряемое значение входного сопротивления чувствительно к изменениям частоты и отличается от номинального значения волнового сопротивления кабеля, т. е. ЪтфЪви. Величина разности между Zbx и Z определяется коэффициентом отражения на входе кабеля. Графически это показано на рис. 9.12.

Учитывая, что нормирование сопротивлений на круговой диаграмме проведено относительно Zq и полагая Zo~Zm, можно написать

2ех-2™[«/?„акс-2- (9.25)

Вектор (Zbx-Zm)/Zo определяет величину коэффициента отра.же-302

ния на входе кабеля, возникающего за счет внутренних неоднородностей. Переходя к коэффициенту стоячей волны, можно написать

I-

КСВН= л;

мин п

1 -Ь

(9.26)

Второй член этого выражения характеризует рассогласованность тракта за счет неоднородностей, когда дальний конец кабеля подключен к согласованной нагрузке. Значение входного сопротивления Zbx в данном случас соответствует понятию действующего волнового сопротивления неоднородного кабеля на сверхвысоких частотах. Обозначив разность Zbx-Zm =AZb, формулу можно записать в виде

КСВН«1-fAZe/Z„. (9.27)

Из этой формулы видно, что чем меньше величина AZb, т. е. чем однороднее кабель, тем больше величина КСВН стремится к единице.

Следует отметить, что сумма отраженных волн, которые возникают на входе кабеля от различных неоднородностей, зависит от фазовых соотношений отдельных волн. Поэтому небольшие изменения частоты могут существенно изменить действующее волновое сопротивление Z.

В общем случае распределение неоднородностей по длине кабеля имеет случайный характер. Поэтому в качестве эквивалента кабеля можно рассматривать несимметричный четырехполюсник, действующее волновое сопротивление которого определяется выражением

Z = VZx.xZk.3 , (9.28)

где Zx.x и Zk.3 - соответственно входные сопротивления четырехполюсника при холостом ходе и коротком замыкании.

Если кабель неоднороден, то значения Ze, измеренные на разных его концах, будут различными. Это следует иметь в виду при измерениях.

При неблагоприятном распределении неоднородностей вдоль кабеля (когда отраженные волны возвращаются ко входу кабеля в одинаковых фазах) значение действующего волнового сопротивления Ze может выходить за пределы возможных значений местного и среднего волнового сопротивления. Результаты измерений показывают, что отклонение действующего волнового сопротивления Ze кабелей от номинального в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн в ряде случаев достигает 20% и более.

Оценку действующего волнового сопротивления Ze при эксплуатации кабелей целесообразно проводить в практически используемом диапазоне частот, а в условиях производства кабелей удобно использовать методы, позволяющие определить однородность 2в(х) по длине кабеля.

Рассмотрим основные методы оценки неоднородностей волнового сопротивления радиочастотных кабелей.

Метод фиксированных частот в заданной полосе частот. В соответствии с этим методом оценка однородности волнового сопротивления радиочастотных кабелей производится по результатам измерения входного полного сопротивления в заданной полосе частот через некоторые частотные интервалы. Полоса частот определяется частотным диапазоном использования кабеля. Волновое сопротивление кабеля может быть определено, например, по методу экстремальных коэффициентов.

На основании полученных значений волнового сопротивления при различных частотах находится среднеарифметическое значение волнового сопротивления измеряемого кабеля по формуле

(9.29)

где Z. - действующее значение волнового сопротивления при 1-м измерении; п - число измерений.

Оценка величин неоднородностей волнового сопротивления кабелей производится на основе определения величины отклонения среднеарифметического значения волнового сопротивления от номинального значения и среднеквадратического отклонения волнового сопротивления от среднего значения волнового сопротивления.

Номинальное волновое сопротивление кабеля Zm определяется по результатам измерения коэффициента укорочения длины волны и емкости для каждой марки кабеля.

От.клонение среднего значения волнового сопротивления от номинального значения можно найти по формуле

(9.30)

Среднеквадратическое отклонение волнового сопротивления от среднего значения рассчитывается по формуле

(9.31)

где AZj = Z,p - Ze.

п - число измерений.

Согласно рекомендациям некоторых национальных комитетов МЭК величина отклонения среднеарифметического значения волнового сопротивления, измеренного в диапазоне частот 2,3-3,3 ГГц через каждые 50 МГц, не должна отличаться более чем на 2,5% от номинального значения. Величина среднеквадратического отклонения волнового сопротивления не должна превышать 3% от среднего значения. 304

Следует отметить, что величины, полученные по ф-лам (9.30) и (9.31), характеризуют лишь средние значения отклонений волнового сопротивления. Однако на отдельных частотах в диапазоне 2,3-3,3 ГГц возможны значительные отклонения.

На рис. 9.13 приведена зависимость волнового сопротивления кабеля марки РК 75-9-13 от длины волны. Из графика видно, что максимальные отклонения волнового сопротивления кабеля от но-

1,6 1Л

ИСВН

1,0--

2100 2300 2500 2700 2900 f, МГц

Рис. 9.14. Зависимость величины собственного КСВН кабеля марки РК 75-9-13 в диапазоне частот от 2100 до 3100 МГц

Рис. 9.13. Отклонение действующего волнового сопротивления от номинальной величины при различных длинах волн для кабеля марки РК 75-9-13

Рис. 9.15. Зависимость величины собственного КСВН и действующего волнового сопротивления кабеля марки РК 75-9-13 ,в диапазоне частот от 300 до 800 МГц

минального значения достигают 25-28 Ом. Аналогичные зависимости имеют место и для других марок кабелей.

Оцен.чу величины неоднородностей частотным методом можно производить не только по результатам измерения величины волнового сопротивления, но и непосредственно по величине собственного КСВН кабеля, измеренного в соответствующем диапазоне частот. Результаты таких измерений в диапазоне частот 2,1 - 3,1 ГГц показывают, что его величина колеблется в значительных пределах, достигая для некоторых марок кабелей величины 1,8- 2,0. Это показывает, что в кабелях серийного производства имеют "Л"?-"-""- неоднородности, обусловливающие колебания КсьН 3 диапазоне сверхвысоких частот. На рис. 9.14 приведена