В настоящее время на международном уровне МЭК проблемой электромагнитной совместимости кабелей и компонентов занимается специальная созданная рабочая группа WG5 в составе технического комитета TC46.
За последнее десятилетие WG5 проделала работу по изучению теории оценки эффективности экранирования кабелей и их компонентов, была проведенная систематизация методов 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 в себя не только методы измерений, но и основы теории и рекомендации по установлению норм параметров экранирования, некоторые из которых были введены в групповые условия на симметричные кабели для локальных компьютерных сетей и коаксиальные кабели связи.
Данная серия стандартов охватывает методы оценки эффективности экранирования кабельных изделий и аксессуаров не только в лабораторных, но и «полевых» условиях, среди которых: метод инжекционного и поглощающего зажима, триаксиальной линии и ячейки, двойного коаксиала, понижающего коэффициента и прочие, в том числе с расширением возможности измерений до частот выше 12 ГГц, а также кабелей силового назначения.
ООО НПП «Спецкабель» выступает в качестве эксперта в работе WG5 в лице генерального директора Лобанова А.В., предоставляя отзывы и замечания по находящимся в пересмотре и вновь разрабатываемым стандартам оценки ЭМС кабельных изделий.
Таким образом, актуальность темы оценки эффективности экранирования кабельных изделий очевидным образом отражается на международном уровне стандартизации подходов к изучению данной обширной проблемы с большим количеством нюансов и неоднозначностей, скромные попытки освещения которых предпринимаются нами в публикуемых статьях.
Как было рассмотрено в предыдущей статье [1], основными параметрами, характеризующие электромагнитную совместимость высокочастотных кабелей, являются: сопротивление связи, затухание экранирования для коаксиальных и сопротивление связи и затухание излучения для симметричных кабелей СКС при дифференциальном режиме передачи сигнала.
Напомним, что несколько лет назад в международные стандарты был введен новый для симметричных кабелей параметр — затухание излучения, определяющий отношение мощности сигнала, излученного кабелем, к мощности, передаваемой в так называемом дифференциальном (симметричном) режиме работы симметричной цепи, когда пара работает на дифференциальную (симметричную) нагрузку, равномерно распределённую между жилами рабочей пары.
Как отмечалось в статье [2], важность затухания излучения, как нормируемого параметра, проявилась при разработке протокола передачи данных 10GBase-T, со скоростью передачи 10 Гбит/с, и более высоких протоколов. Это было продиктовано тем, что применяемый для передачи 10 Гбит/с метод модуляции линейного сигнала по схеме РАМ-16 привел к существенному уменьшению отношения сигнал/шум между логическими уровнями по сравнению с методами модуляции, применяемыми ранее в других протоколах передачи данных Ethernet. Поэтому возросло требование к повышению уровня защищенности симметричного кабеля к воздействию внешних шумов.
Параметр затухания излучения отличен от параметра затухания экранирования для симметричного кабеля, что объясняется следующим обстоятельством.
Затухание излучения (couplingattenuation) aC представляет собой сложение двух факторов: затухания экранирования (screeningattenuation) aS и затухания асимметрии на ближнем конце (unbalanceattenuation) aU при симметричной нагрузке (см. рис.1).
Рис.1 Эффект сложения затухания экранирования и затухания асимметрии.
Если рассматривать отдельно затухание экранирования симметричного кабеля, то в этом случае скрученные пары кабеля рассматриваются как «квазикоаксиальная» система, когда токопроводящие жилы пары или всего сердечника кабеля соединяются между собой, образуя внутренний проводник. При этом оценивается экранирующая способность всей конструкции в так называемом синфазном или несимметричном режиме, когда по каждой жиле протекает часть тока, а возвратным путем для него является экран, как в коаксиальном кабеле.
Затухание асимметрии aU обусловлено потерей мощности в рабочей паре на излучение за счет несимметричности изолированных жил относительно «земли» (экрана) при работе в дифференциальном (симметричном) режиме, когда по каждой жиле протекает полный, но противоположный по фазе ток.
При асимметрии жил часть полезной мощности излучается в окружающую среду, вследствие её потери из-за емкостной асимметрии жил. Это происходит вследствие различия геометрических размеров изолированных токопроводящих жил, нестабильности шага скрутки и, следовательно, расстоянием жил до экрана (или «земли»). По сути, затухание асимметрии есть логарифм отношения мощности синфазного сигнала, преобразованного из дифференциального режима, к мощности дифференциального сигнала на входе кабеля. Чем выше значение затухания асимметрии, тем меньше нарушена симметрия пары.
Стоит отметить, что для кабельной системы в целом асимметрия ее может быть обусловлена не только конструкцией и технологией изготовления кабелей и их соединителей, но также и процедурами монтажа и подключением активных устройств с нарушением симметрии.
ГОСТ Р 54429-2011 определяет затухание излучения как «разность между уровнем по мощности сигнала в симметричной цепи пары и уровнем по мощности сигнала, излученного кабелем». Таким образом, затухание излучения определяет общую эффективность защиты кабеля от излучения мощности за счет симметрии и экранирования пары. Если экран в кабеле отсутствует, то затухание излучения определяется только затуханием асимметрии.
На сегодняшний день наиболее распространённым и, в то же время, достаточно достоверным и удобным методом определения в лабораторных условиях частотных характеристик каждого из упомянутых выше параметров является метод «триаксиальной» линии по рис.2 и рис.4.
Хотя на данный момент стандартом IEC 61156-1 [3] и IEC 61156-5 [4] рекомендован, как основной, метод «поглощающих зажимов» по IEC 62153-4-5 [5], а метод «триаксиальной» линии по IEC 62153-4-9 [6], как допускаемый, в IEC 61156-5, возможно по причине более поздней разработки методики IEC 62153-4-9.
Однако, в 2012 году была введена поправка к IEC 61156-5 о признании метода по IEC 62153-4-9 в качестве основного.
Естественно, что принцип данного метода един для каждого из параметров, изменяется, 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 [1] варианты схемы «триаксиальной» линии рассмотрим схему измерения, описанную в ГОСТ Р 53880-2010, которая используется на НПП «Спецкабель» (см. рис.2) для измерения сопротивления связи и затухания экранирования.
Рис.2 Схема измерения сопротивления связи и затухания экранирования по методу триаксиальной линии
Отрезок испытуемого кабеля помещается в металлическую трубу. На ближнем к генератору конце экран кабеля соединяется накоротко с внешней металлической трубой, образуя наружную коаксиальную систему экран-труба (НКС). На дальнем от генератора конце экран образца соединяется через согласующее сопротивление R1 с его внутренним проводником, образуя внутреннюю коаксиальную систему (ВКС) экран-внутренний проводник. В симметричном кабеле внутренний проводник представляет собой все жилы сердечника, соединенные между собой, вследствие чего ВКС становится «квазикоаксиальной». Для обеспечения согласованного режима работы цепь согласования должна быть рассчитана на переход от выходного сопротивления генератора на сопротивление ВКС, а значение R1 — равно волновому сопротивлению ВКС Z1.
Достоинством такой схемы является то, что экран, при распространении по его внешней поверхности энергии, перешедшей из кабеля, защищён как от дальнейшего её распространения во внешнее пространство, так и от влияния на распространяющиеся по поверхности экрана волны внешних электромагнитных полей.
Напряжение U1, имитирующее помеху, подаётся, при необходимости через цепь согласования с коэффициентом передачи km, от генератора в ВКС. При этом ток, протекающий по внутренней стороне экрана, создаёт через сопротивление связи экрана падение напряжение U2 на его внешней стороне, которое измеряется приёмником на противоположном от генератора конце кабеля.
После этого можно определить сопротивление связи экрана:
,
где
F — коэффициент, вносящий поправку относительно распределения тока в НКС;
l — длина экрана, равная длине участка связи LC.
Длина «триаксиальной» линии для определения сопротивления связи выбирается равной 0,5 м, что соответствует частотному диапазону применения до 50 МГц. Для сдвига частотного диапазона измерений до 100 МГц применяется труба длиной 0,2 м.
При измерении затухания экранирования электрические волны, переходящие на протяжении всей длины кабеля из ВКС в НКС, распространяются в обоих направлениях к ближнему и дальнему концу. На короткозамкнутом конце они все вместе отражаются, и на измерительном приёмнике необходимо измерить максимальное по амплитуде совмещение связей с ближнего и дальнего конца линии, как отношение напряжений ( U2/U1)max. Затухание экранирования, представляющее собой логарифмическое отношение мощностей (или напряжений), рассчитывается относительно нормированного волнового сопротивления наружной системы Zs=150 Ом.
,(1)
где
Z1 — волновое сопротивление испытуемого кабеля;
ZS — нормализованное волновое сопротивление Z2 окружающей экран кабеля среды (принимается равным 150 Ом).
При этом длина измерительной трубы увеличивается до 3 м с целью сдвига нижней частотной границы измерений в область 30 МГц.
Отметим, что верхняя частота измерений ограничена критической частотой, определяемой соотношением внутреннего диаметра трубы и минимального диаметра экрана кабеля, и составляется примерно 4,5 ГГц. Практически, в подавляющем большинстве случаев достаточно производить измерения до частоты 3 ГГц, поскольку далее вплоть до частот миллиметрового диапазона величина затухания экранирования сохраняется на почти неизменном, не зависящем от частоты, уровне. Это обусловлено тем, что в диапазоне частот 10...3000 МГц практически для всех конструкций экранов, рассмотренных в [1], наблюдается пропорциональный частоте рост сопротивления связи, типичный для всех типов «щелевых» экранов, для которых в данном диапазоне частот превалирующей становится индуктивная связь через «просветы» оплетки, перекрытие ленты и т.д. При этом в формуле, связывающей сопротивлении связи ZT и затухание экранирования aS, в знаменателе логарифма находится угловая частота [3, 4] :
(2)
где
er1, r2 — эквивалентные диэлектрические проницаемости ВКС и НКС, соответственно.
Прежде, чем рассмотреть метод измерения затухания излучения с помощью «триаксиальной» линии, рассмотрим схему измерения затухания асимметрии на ближнем конце. Данный параметр измеряется в соответствии со схемой, приведенной на рис.3.
Рис. 3 — Схема измерения затухания асимметрии на ближнем конце
Принцип измерения заключается в определении отношения напряжения дифференциального (симметричного) сигнала Udiff, сформированного на ближнем конце измеряемой пары, к напряжению синфазного сигнала Un,com, поданного на вход измеряемой пары. Un,com — это напряжение «квазикоаксиальной» цепи, сформированное посредством 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, определяют по формуле:
(3)
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 жилами пары);
Zcom — сопротивление измеряемой пары в синфазном режиме;
СТ — собственное затухание СТ;
U0 и (Z0=50 Ом) — соответственно, напряжение и выходное сопротивление генератора сигналов.
Для кабелей СКС значение Zdiff, как правило, равно 100 Ом; значение Zcom определяется между жилами пары, соединенными между собой, и «землей» (или экраном, или всеми остальными жилами, соединенными с экраном). Как правило, в зависимости от конструкции кабеля значение Zcom может варьироваться от 25 до 75 Ом.
В случае измерения затухания излучения по схеме [6] (см. рис.4) на дальнем конце организуется, так называемое, открытое подключение в трубе, то есть соединение экрана и трубы выводится параллельно на вход приемного устройства. Отметим, что термин «затухание излучения», введенный в ГОСТ Р 54429-2011, возможно, не совсем корректен по отношению к схеме его измерения, так как излучения во внешнюю среду, как такового, не происходит, а имеет место лишь наводка в НКС через экран (экраны) кабеля.
Рис. 4 Схема измерения затухания излучения по методу триаксиальной линии
При этом за «открытой» частью трубы следует оставшаяся часть кабеля длиной порядка 100 м через ряд «развязывающих» ферритовых колец, которые обеспечивают подавление обратных волн излучения от большей части измеряемого кабеля в трубу. Конец кабеля нагружается в конце на симметричную (дифференциальную) нагрузку, при которой каждая жила измеряемой пары нагружается на R1 (например, 50 Ом), равное половине волнового сопротивления Zdiff этой пары (см. рис.5). Также, в цепь измеряемой пары включается сопротивление R2 равное сопротивлению пары в синфазном режиме Zcom.
Рис.5 Схема нагрузки кабеля при измерении затухания излучения
Формула пересчета при измерении затухания излучения аналогична формуле для затухания экранирования (1).
Если произвести сопоставление схем измерения затухания экранирования (рис.2), затухания асимметрии на ближнем конце (рис.3) и затухания излучения (рис.4), можно увидеть, что, действительно, схема по рис.4 фактически «объединяет» в себе схемы измерения по рис.2 и рис.3. Условно говоря, первая часть кабеля длиной около 3 м предоставляет возможность определить затухание экранирования кабеля в «синфазном» (несимметричном) режиме, а вторая часть длиной порядка 100 м — затухание асимметрии на ближнем конце (первой длиной можно пренебречь ввиду малости затухания).
На самом же деле, напряжение U1 в схеме рис.4 приобретет смысл напряжения Un,comm в схеме рис.3, которое, в свою очередь, фактически является напряжением U1 в схеме рис.2. То есть в схеме рис.4 при измерении неэкранированного кабеля мы можем также получить значение Un,comm, если подключим вход приёмника (до ферритовой развязки) между соединёнными между собой жилами пары (средней точкой СТ) и «землёй». При наличие экрана в качестве средней точки СТ выступает экран кабеля, то есть со стороны ферритовых колец образуется напряжение Un,comm, выступающее, в то же время, в качестве напряжения помехи, которое за счет ослабления экраном трансформируется в напряжение U2 на выходе открытой трубы рис.4.
Данное объяснение приведено с целью показать обоснованность схемы измерения по рис.4, результат измерения по которой предполагается быть адекватным суммарному результату измерений по рис.2 и рис.3.
Рассмотрим фактические результаты измерений образцов кабелей по всем рассмотренным выше схемам и параметрам, полученные на установке CoMet 40/2 совместного производства Bedea&Rosenberger (см. рис.6).
Рис.6 Участок оценки эффективности экранирования кабельных изделий НПП «Спецкабель»
С целью демонстрации практических результатов оценки уровней экранирования и симметрии кабелей при использовании установки по схеме рис.2 ÷ 4, в качестве объекта измерений были выбраны образцы некоторых экспериментальных и серийных кабелей, как типопредставителей наиболее распространенных типов симметричных кабелей, применяемых в современных сетях СКС. В дальнейшем данные результаты видится возможным использовать для обоснования метода рис.4 и его сравнении с результатми измерений по рис.2 и 3.
- Образец 1 — кабель четвёрочной скрутки категории 5е (исполнение SF/UTQ) марки КВЧнг(А)-5е 1×4х0,78 аналогичный Спецлан-ПРО SF/UTQ Cat5e ZH нг(А)-HF 1×4х0,78 (ТУ 16.К99-041-2011);
- Образец 2 — кабель категории 5е (исполнение SF/UTP) марки КВПЭнг(А)-5е 4×2х0,52 аналогичный 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) аналогичный 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 аналогичный Спецлан S/FTP Cat6A ZH нг(А)-HF 4×2х0,57.
Результаты измерения кабелей представлены на рис.7÷14.
Рис.8 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
Рис.9 Затухание излучения кабеля КВЧнг(А)-5е 1×4х0,78 в диапазоне частот 30-100 МГц
Рис.10 Затухание излучения кабеля КВЧнг(А)-5е 1×4х0,78 в диапазоне частот 100-1000 МГц
Рис.11 Затухание асимметрии кабеля КВЧнг(А)-5е 1×4х0,78 в диапазоне частот 1-100 МГц
Рис.12 Затухание излучения кабеля КВПЭфП-5е 4×2х0,52 в диапазоне частот 30-1000 Мгц
Рис.13 Затухание излучения кабеля КВПЭнг(А)-5е 4×2х0,52 в диапазоне частот 30-100 МГц
Рис.14 Затухание асимметрии кабеля КВПЭнг(А)-5е 4×2х0,52 в диапазоне частот 1-100 МГц
В ГОСТ Р 54429 -2011 на кабели для СКС установлены уровни параметров экранирования отдельно друг от друга, то есть разработчик вправе выбирать, какой уровень будет отдельно у сопротивления связи и отдельно у затухания излучения (табл. 1 и 2). В табл.3 также приведены требования по затуханию асимметрии на ближнем конце aU (TCL).
Таблица 1
| Частота, МГц | Сопротивление связи ZТ, мОм/м, не более | |
|---|---|---|
| Уровень экранирования | ||
| 1 | 2 | |
| 1 | 10 | 50 |
| 10 | 100 | |
| 30 | 30 | 200 |
| 100 | 100 | 1000 |
Таблица 2
| Уровень затухания излучения | Диапазон частот, МГц | Затухание излучения, aс, 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 5е; 1-250 для категорий 6-7А | 40-10 lg ( f ) |
| 2 | 50-10 lg ( f ) |
Очевидно, что чем выше уровень кабеля по затуханию асимметрии, чем выше симметрия его рабочих пар, тем более низким допустимо быть значению затухания экранирования при том же уровне затухания излучения и, соответственно, более экономичным исполнению
Также, анализируя уровни требований по aC и aU в диапазоне частот 30-100 Мгц, можно сделать вывод о том, что если кабель неэкранирован с aS=0 дБ («уровень 3» затухания aC), то его запас по затуханию aU при «уровне 2» должен составлять от 5 до 10 дБ.
Рассмотрим результаты измерений параметров выбранных образцов.
Из рис. 7, 8 видно, что кабель категории 5 с экраном из алюмолавсановой ленты удовлетворяет уровню 2 сопротивления связи, при этом все кабели категории 5е практически подпадают под верхний «уровень 1» табл.1. Это иллюстрирует тот факт, что в нижнем диапазоне частот первую роль играет суммарное сечение элементов экрана — для кабелей с одним слоем алюмолавсановой ленты или одинарной оплёткой невысокой плотности уровень, очевидно, разграничивается с кабелями, в которых число экранирующих элементов не мене двух.
Графики затухания излучения (рис.9, 10) кабеля КВЧнг(А)-5е типа SF/UTQ с экраном из алюмолавсановой ленты и оплетки показывают соответствие кабеля (за исключением некоторых выпадов) «уровню 2» табл.2.
При этом результаты затухания асимметрии на ближнем конце (рис.11) данного кабеля также соответствуют «уровню 2» табл.3.
Также, по затуханию излучения кабель КВПЭфП-5е типа F/UTP с экраном в виде одной алюмолавсановой ленты показывает с запасом соответствие уровню 2 табл.2 (рис.12).
Аномальные результаты показал кабель КВПЭнг(А)-5е типа SF/UTP. Из графика рис.13 видно, что кабель проходит только на «уровень 1» затухания излучения, в то время как его результаты по TCL (рис.14) показывают всё тот же «уровень 2».
К сожалению, результаты измерений не дают однозначного ответа о соотношении уровней параметров экранирования и симметрии с конструкцией экранов кабелей, конструктивными особенностями их сердечника и технологией изготовления.
Кроме того, пока недостаточно данных по графическому подтверждению идентичности результатов сложения графиков затухания симметрии и затухания экранирования представленных кабелей с результатами непосредственного измерения затухания излучения во всем диапазоне частот от 30 МГц до 1000 МГц.
В этом отношении и предполагается продолжить работу с накоплением достаточного количества результатов измерений и с обоснованием их достоверности и закономерности.
Стоит отметить, что установленная в ГОСТ Р 54429-2011 (8.3.9, метод 2) схема измерения затухания излучения соответствует схеме измерения сопротивления связи по методу, установленному в п.8.3.8, а также измерения сопротивления связи или затухания излучения в ГОСТ Р 53880-2010 (п.8.3.10), что представляет весьма приближенный подход, так как не позволяет одновременно оценить вклад затухания экранирования и затухания асимметрии в кабеле. Поэтому в качестве одной из целей по освоению установки измерения «затухания излучения», представленной на рис.4, автор рассматривает возможность внесения изменений в ГОСТ Р 54429-2011 для установления схемы измерения «затухания излучения», соответствующей IEC 62153-4-9, в качестве второго метода п.8.3.9.
Автор выражает признательность сотрудникам лаборатории НПП «Спецкабель», Молчанову Н.Е. и Мельникову А.А., за предоставленные результаты измерений рассмотренных в статье кабелей.
Литература
- Кузнецов Р.Г. «Актуальные вопросы оценки эффективности экранирования высокочастотных кабелей», журнал «Кабели и провода», № 3, 2014г.
- Мацкевич Д. «Экранированные и неэкранированные кабели, параметры для оценки ЭМС кабельных систем, затухание излучения и кабельные наводки», журнал «Кабели и провода», № 6-7, 2010г.
- IEC 61156-1:2009 «Multicore and symmetrical pair/quad cables for digital communications — Part 1: Generic specification».
- IEC 61156-5:2009 «Multicore and symmetrical pair/quad cables for digital communications — Part 5: Symmetrical pair/quad cables with transmission characteristics up to 1 000 MHz-horizontal floor wiring — Sectional specification»
- IEC 62153-4-5 «Metallic communication cables test methods — Part 4-5: Electromagnetic compatibility (EMC) — Coupling or screening attenuation — Absorbing clamp method»
- IEC 62153-4-9:2008 «Metallic communication cable test methods — Part 4-9: Electromagnetic compatibility (EMC) — Coupling attenuation of screened balanced cables, triaxial method»
Кузнецов Роман Геннадьевич
зам. начальника отдела разработок
кабельного завода НПП «Спецкабель»
