ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖКАБЕЛЬНЫХ НАВОДОК ВИТОЙ ПАРЫ СРЕДСТВАМИ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ANSYS MAXWELL 2D Мансуров А.С.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет


Номер: 5-1
Год: 2014
Страницы: 54-59
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

электромагнитное поле, витая пара, кабель, индуктивность, емкость, напряженность, electromagnetic field, twisted pair, cable, inductance, capacitance, tension

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований электромагнитных характеристик витой пары, которые позволяют оценить влияние межкабельных наводок. Полученные результаты помогут в оценке возможностей по уменьшению влияния этих наводок.

Текст научной статьи

21-й век начался как век информационных технологий и энергетики. Но прогресс этих отраслей невозможен без адекватного, а лучше и опережающего, развития кабельной индустрии - производства средств передачи сигналов и энергии. Этот процесс сопровождается быстрым ростом номенклатуры кабельных изделий и их компонентов, галопом цен на проводниковые и изолирующие материалы и общим ужесточением требований к качеству. Самым распространенным видом кабеля, используемым при построении компьютерных сетей различного масштаба, является витая пара (ВП). Его отличает невысокая цена и широкая область применения в локальных сетях различной сложности. ВП представляет собой изолированные проводники, попарно свитые между собой некоторое число раз на определенном отрезке длины. Одним из основных критериев качества ВП является уменьшение межкабельных наводок. Межкабельные наводки можно определить как нежелательные электромагнитные сигналы от проложенных в жгутах смежных кабелей. Измеряются как отношение сигнала, подаваемого на активную витую пару (пары) одного кабеля, к сигналу, наведенному в контрольной паре другого кабеля. Наибольший уровень наводок возникает между витыми парами, имеющими одинаковый шаг скрутки. Соседние кабели вносят дополнительные помехи, превышающие их уровень между парами внутри кабельной оболочки. Это снижает отношение сигнал / шум канала и может повлиять на работу протоколов. В результате уменьшаются динамический и частотный диапазоны канала. Основной задачей исследования будет являться анализ электромагнитных составляющих витой пары, которые позволят оценить влияние межкабельных наводок. Основой данного исследования будет являться расчет следующих показателей: • Напряженность электрического поля, В/м; • Напряженность магнитного поля, А/м; • Погонная индуктивность, Гн/м; • Погонная емкость, Ф/м. Напряженность электрического и магнитного полей - количественные характеристики силового действия на заряженные тела электрического и магнитного поля соответственно. Погонная индуктивность и погонная емкость - важнейшие первичные параметры любых кабельных конструкций. Потому что именно ёмкость и индуктивность определяют скорость сигналов и волновое сопротивление линий [1]. На данный момент поставленная задача является весьма актуальной. Полученные результаты могут помочь в дальнейших исследованиях геометрических характеристик витой пары, таких как шаги скрутки отдельных пар проводников, толщина изоляции и т.д. Для решения поставленной задачи мы воспользуемся программным продуктом ANSYS MAXWELL 2D, для которого основой является метод конечных элементов. Этот метод подразумевает покрытие всего объема исследуемого объекта сеткой небольших участков - конечных элементов, обычно в форме симплексов (на плоскости - это треугольники, в трёхмерном объёме - тетраэдры). Внутри элементов поле представляют приближением, зависящим от подгоночных параметров. Например, для двумерных задач - плоскостями, проходящими через 3 узла сетки. И подбирают параметры с таким расчётом, чтобы значения в узлах сетки обеспечивали минимум энергии поля, а на границах - граничные условия. Более подробно с этим методом можно ознакомиться в [2]. В программном продукте ANSYS MAXWELL 2D имеются различные типы решателей, в нашем случае при анализе магнитной составляющей и расчете погонной индуктивности будет использоваться тип Eddy Current, а при анализе электрической составляющей и расчете коэффициента емкостной связи будет использоваться тип AC Conduction. Подробнее с этими типами решателей можно ознакомиться в [3]. В качестве образца был взят отрезок ВП категории 5 (рис. 1). Кабель категории 5 (Cat. 5) - тип кабеля для передачи сигналов, состоящий из 4-х витых пар. Используется в структурированных кабельных системах для компьютерных сетей, таких как Ethernet. Кабельный стандарт предоставляет производительность до 100 MHz. Он также используется для телефонии и передачи видео-сигналов. Рис. 1. Витая пара 5 категории Погонная индуктивность и погонная емкость ВП являются ее важнейшими электродинамическими параметрами. В качестве исходной модели для расчета данных показателей взят отрезок, длина которого составила 1 метр. Для воссоздания полной геометрии образца была разрезана внешняя оболочка (рис. 1) и подсчитано количество витков каждой пары. Остальные геометрические и электрические параметры были взяты из стандарта AWG-24. Параметры представлены в таблице 1. Таблица 1 зеленый оранжевый коричневый синий Диаметр жилы (мм) 0,510 0,510 0,510 0,510 Толщина изоляции (мм) 0,245 0,245 0,245 0,245 Витков на метр (шт) 40 52 56 60 Витков на 25 см (шт) 10 13 14 15 Ток в проводниках (А) ±0,577 ±0,577 ±0,577 ±0,577 Напряжение в проводниках (В) ±2,5 ±2,5 ±2,5 ±2,5 Из таблицы 1 видно, что для быстроты решения, можно использовать участок длиной 25 см, так как все проводники имеют одинаковое количество витков. Отрезок был поделен на 50 участков, длиной 5 мм (Таблица 2). Это было необходимо для более точной оценки и расчета электромагнитных составляющих поля. Таблица 2 Шаг Длина отрезка, мм Количество витков, шт. зеленый оранжевый коричневый синий 1 0,0 0,00 0,00 0,00 0,00 2 0,5 0,20 0,26 0,28 0,30 3 1,0 0,40 0,52 0,56 0,60 4 1,5 0,60 0,78 0,84 0,90 5 2,0 0,80 1,04 1,12 1,20 6 2,5 1,00 1,30 1,40 1,50 7 3,0 1,20 1,56 1,68 1,80 8 3,5 1,40 1,82 1,96 2,10 9 4,0 1,60 2,08 2,24 2,40 10 4,5 1,80 2,34 2,52 2,70 11 5,0 2,00 2,60 2,80 3,00 12 5,5 2,20 2,86 3,08 3,30 13 6,0 2,40 3,12 3,36 3,60 14 6,5 2,60 3,38 3,64 3,90 15 7,0 2,80 3,64 3,92 4,20 16 7,5 3,00 3,90 4,20 4,50 17 8,0 3,20 4,16 4,48 4,80 18 8,5 3,40 4,42 4,76 5,10 19 9,0 3,60 4,68 5,04 5,40 20 9,5 3,80 4,94 5,32 5,70 21 10,0 4,00 5,20 5,60 6,00 22 10,5 4,20 5,46 5,88 6,30 23 11,0 4,40 5,72 6,16 6,60 24 11,5 4,60 5,98 6,44 6,90 25 12,0 4,80 6,24 6,72 7,20 26 12,5 5,00 6,50 7,00 7,50 27 13,0 5,20 6,76 7,28 7,80 28 13,5 5,40 7,02 7,56 8,10 29 14,0 5,60 7,28 7,84 8,40 30 14,5 5,80 7,54 8,12 8,70 31 15,0 6,00 7,80 8,40 9,00 32 15,5 6,20 8,06 8,68 9,30 33 16,0 6,40 8,32 8,96 9,60 34 16,5 6,60 8,58 9,24 9,90 35 17,0 6,80 8,84 9,52 10,20 36 17,5 7,00 9,10 9,80 10,50 37 18,0 7,20 9,36 10,08 10,80 38 18,5 7,40 9,62 10,36 11,10 39 19,0 7,60 9,88 10,64 11,40 40 19,5 7,80 10,14 10,92 11,70 41 20,0 8,00 10,40 11,20 12,00 42 20,5 8,20 10,66 11,48 12,30 43 21,0 8,40 10,92 11,76 12,60 44 21,5 8,60 11,18 12,04 12,90 45 22,0 8,80 11,44 12,32 13,20 46 22,5 9,00 11,70 12,60 13,50 47 23,0 9,20 11,96 12,88 13,80 48 23,5 9,40 12,22 13,16 14,10 49 24,0 9,60 12,48 13,44 14,40 50 24,5 9,80 12,74 13,72 14,70 51 25,0 10,00 13,00 14,00 15,00 На рисунках 2, 3, 4 представлены некоторые поперечные сечения ВП и напряженности электромагнитного поля. Шаг 1 (0 мм) Шаг 2 (0,5 мм) Шаг 25 (120 мм) Шаг 51 (250 мм) Рис.2. Поперечные сечения ВП. Шаг 1 (0 мм) Шаг 2 (0,5 мм) Шаг 25 (120 мм) Шаг 51 (250 мм) Рис. 3. Напряженность магнитного поля Шаг 1 (0 мм) Шаг 2 (0,5 мм) Шаг 25 (120 мм) Шаг 51 (250 мм) Рис. 4. Напряженность электрического поля Как видно из рисунков 3, 4 по мере продвижения по длине кабеля на каждые 5 мм скрученные между собой пары имеют четко определенное положение, поэтому происходит перераспределение напряженностей электромагнитного поля. На рисунке 5 представлены погонные индуктивность и емкость ВП. Расчет их производился как среднее значение коэффициентов связи (индуктивной и емкостной соответственно) каждого сечения в отдельности. Рис. 5. Погонная индуктивность и емкость ВП Для сравнения был проведен расчет погонных индуктивности и емкости при одинаковых шагах скрутки. Результаты представлены на рисунке 6. Глядя на них, можно с уверенностью сказать, что использование разных шагов скрутки в значительной степени уменьшает значение погонной индуктивности кабеля. Рис.6. Погонная индуктивность ВП при одинаковых шагах скрутки В результате проведенных исследований, получены результаты расчета напряженностей электрического и магнитного полей, погонной индуктивности и погонной емкости. Полученные результаты помогут в дальнейших исследованиях, в области варьирования шагов скрутки и толщины изоляции при производстве кабельной продукции.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.