Патент на изобретение №2273904

(54) СИММЕТРИЧНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЭКРАНИРОВАННЫЙ КАБЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к одной из отраслей электротехнической промышленности – кабельной технике, более конкретно, к симметричным высокочастотным экранированным кабелям для передачи данных. Кабель содержит сердечник, образованный изолированными полиэтиленом или пористым полиэтиленом, токопроводящими жилами, скрученными между собой в пару, и заполнителем, размещенным между изолированными жилами и экраном, поверх которого расположена оболочка. При этом в качестве заполнителя использованы полипропиленовые фибриллированные некрученые нити, расположенные по всей длине кабеля продольно. Достигаемый технический результат: малый радиус монтажных изгибов (меньше десятикратного наружного диаметра кабеля), уменьшение емкости кабеля и коэффициента затухания и обеспечение его стабильности во всем диапазоне рабочих частот. 4 ил.

Изобретение относится к одной из отраслей электротехнической промышленности – кабельной технике, более конкретно, к симметричным высокочастотным экранированным кабелям для передачи данных. Указанные кабели применяются для организации линий передачи цифровых сигналов в системах промышленной автоматизации управления технологическими процессами. Ввиду специфики монтажа и эксплуатации кабелей в условиях промышленных производств их конструкции должны иметь повышенную гибкость (малый радиус изгиба) и высокую стабильность электрических параметров для скоростной передачи цифровых потоков.

Известны симметричные высокочастотные экранированные кабели, содержащие сердечник, образованный изолированными токопроводящими жилами, скрученными между собой в пару, и заполнителем из полимерного материала, поверх которого расположен экран и оболочка.

Заполнитель экструдируется в виде сплошного полимерного слоя поверх пары, что позволяет получить симметричную конструкцию, а это, в свою очередь, обеспечивает стабильность параметров передачи кабеля. Однако такая конструкция имеет высокую жесткость и материалоемкость, а также стабильные, но относительно низкие электрические параметры, в частности относительно высокую емкость, что, в свою очередь, приводит к ухудшению других параметров, зависящих от нее. [1]

Известны симметричные высокочастотные экранированные кабели, содержащие сердечник, образованный изолированными полиэтиленом или пористым полиэтиленом токопроводящими жилами, скрученными между собой в пару, и заполнителем, выполненным из полимерных нитей, поверх которого расположены экран и оболочка. При этом полимерные нити объединены в жгуты и скручены с изолированными жилами. Они, являясь гибкими элементами, не уменьшают гибкости кабеля, однако скрутка жгутов с жилами пары (так называемая звездная скрутка) нарушает симметричность его конструкции. Это является следствием того, что при скрутке по длине кабеля происходит чередование мест расположения жгутов – часть их между экраном и изолированными жилами и другая часть – между двумя изолированными жилами. Эти кабели являются наиболее близким (по совокупности существенных признаков) аналогом рассматриваемого изобретения.

Изобретение касается симметричных высокочастотных кабелей, содержащих изолированные токопроводящие жилы, скрученные между собой в пару, экран и оболочку. Между указанными жилами и экраном (в межжильном пространстве) расположен заполнитель, выполненный из изоляционного материала. Указанный заполнитель в той или иной степени влияет на все основные характеристики этих кабелей. При этом это влияние зависит и от материала заполнителя, и от его «конструкции» (структуры), и от расположения относительно элементов кабеля, между которыми он помещен.

Данное изобретение рассматривает именно эти проблемы, и технический результат, который будет показан далее, получен в результате использования заполнителя, выполненного из определенного материала определенной структуры и определенным образом расположенного относительно конструктивных элементов кабеля.

Основными электрическими параметрами симметричного кабеля является емкость, коэффициент затухания и волновое сопротивление. Емкость кабеля (жилы и экран которого являются обкладками конденсатора, а изоляционный материал – его диэлектриком) зависит, в частности, от вида материала, образующего диэлектрик, т.е. от его диэлектрической проницаемости _r. В рассматриваемом случае это – диэлектрическая проницаемость межжильного пространства, в котором размещен заполнитель.

Коэффициент затухания характеризует уменьшение электромагнитной энергии при распространении ее по кабелю. Уменьшение или затухание энергии объясняется потерей ее в линии передачи. Часть энергии расходуется на диэлектрические потери в межжильном пространстве, однако в кабелях, для которых требуется повышенная гибкость конструкции при сохранении нормируемого уровня потерь, возникает проблема обеспечения симметричности конструкции. В данном случае имеется ввиду различие условий расположения каждой из жил пары по отношению к экрану, что характеризуется емкостной асимметрией жил. Передача сигнала по кабелю с емкостной асимметрией жил имеет следующую особенность: из-за разности скоростей распространения сигнала (электромагнитной волны) по каждой из жил пары на оконечной нагрузке (приемном устройстве) могут наблюдаться частотные пики потерь. Это явление проявляется при определенных частотах для данной длины кабеля, когда электромагнитные волны, приходящие по каждой из жил пары, на приемном устройстве складываются в противофазе. Величина волнового сопротивления – нормируемая. Для рассматриваемых кабелей – это 100-150 Ом.

Итак, проблема ясна, и задача, которую необходимо было решить при реализации изобретения, заключается в следующем: создание кабеля, допускающего многократные изгибы с малым радиусом при обеспечении (или уменьшении) низкого уровня потерь во всем диапазоне рабочих частот. Технический результат, который получен при испытании опытной партии кабеля – малый радиус монтажных изгибов (меньше десятикратного наружного диаметра кабеля), уменьшение емкости кабеля, уменьшение коэффициента затухания и обеспечение его стабильности во всем диапазоне рабочих частот.

Для уменьшения емкости необходимо было подобрать заполнитель, который позволил бы уменьшить указанную диэлектрическую проницаемость межжильного пространства.

В качестве материала заполнителя были выбраны так же, как и в прототипе, полимерные нити. Однако, если в прототипе нити объединены в жгуты, то в рассматриваемом случае конструктивно заполнитель выполнен по другому. Единственное сходство заполнителей – гибкость. В прототипе материал нитей дан на функциональном уровне (полимер), не указана структура нитей.

В изобретении использованы нити, разработанные ООО «НПП» Прогресс» в соответствии с Техническими условиями ТУ 2272-010-14596226-2003 на нити полипропиленовые пленочные. Согласно ТУ указанные нити применяются в производстве шпагатов, канатов, мешков. Из нескольких разновидностей выпускаемых нитей были выбраны нити полипропиленовые пленочные фибриллированные некрученые. Полипропилен – химостойкий и хороший электроизоляционный материал. Его электрические свойства практически не изменяются даже после длительной выдержки в воде, а диэлектрическая проницаемость мало зависит от частоты и температуры. Диэлектрическая проницаемость полипропилена – 2,3; тангенс угла диэлектрических потерь tg – (2÷4)·10^-4. Для полипропилена характерна высокая стойкость к многократным изгибам, по электрическим свойствам он близок к полиэтилену и к пористому полиэтилену – материалам, которые применяются в рассматриваемом кабеле для изоляции жил. Это свойства самого материала – полипропилена.

В рассматриваемом изобретении использованы не просто пропиленовые нити, а фибриллированные нити, которые образуются на определенной стадии формирования и ориентационной вытяжки волокна. Образованные при этом плотные упаковки фибрилл объединяются в виде трехмерной сетки, образуя сетчатую структуру. Использование таких нитей в качестве заполнителя приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости межжильного пространства, ограниченного экраном. Это объясняется наличием в нитях полостей, которые заполняются воздухом, диэлектрическая проницаемость которого меньше, чем у твердого диэлектрика. Уменьшается объем твердой изоляции – уменьшается диэлектрическая проницаемость указанного пространства и, следовательно, уменьшается емкость кабеля.

Однако при конструировании кабеля возникла еще одна проблема. В кабелях, для которых требуется повышенная гибкость конструкции при сохранении нормируемого уровня потерь, возникает, как уже отмечалось, проблема обеспечения симметричности конструкции. Круглую форму поперечного сечения кабеля и симметричное расположение пары относительно экрана должен обеспечить заполнитель. Расположение заполнителя, как это предусмотрено в прототипе, а именно скрутка токопроводящих жил пары с нитями, приводит к попаданию части нитей между жилами пары, что нарушает симметричность кабеля с соответствующим ухудшением параметров передачи.

Изобретением предусмотрено расположение нитей продольно (вдоль оси кабеля) и по всей длине кабеля между экраном и изолированными жилами пары. Это позволяет обеспечить симметричность расположения жил пары относительно экрана, а также увеличить расстояние между экраном и парой, что, в свою очередь, снижает потери в кабеле. При этом было выявлено, что и величина емкости кабеля зависит от расположения заполнителя. Так, при скрутке заполнителя с жилами емкость оказалась больше, чем при его продольном расположении по всей длине кабеля. В данном случае можно лишь предположить и объяснить это следующим. При скрутке на участках, где заполнитель расположен между жилами, происходит его сжатие, что приводит к уменьшению воздушных полостей, а это, в свою очередь, является причиной повышения диэлектрической проницаемости, которая и определяет емкость.

Таким образом, следует повторить, задача, которую необходимо было решить с достижением технического результата (получение кабеля с необходимыми как стабильными электрическими, так и механическими характеристиками), была решена одним конструктивным элементом-заполнителем. Однако заполнителем с определенной структурой, выполненным из определенного материала и размещенным определенным образом относительно других элементов кабеля. И только использование всех этих трех признаков обеспечило получение указанных характеристик.

Итак, совокупность существенных признаков, обеспечивающая достижение выявленного технического результата и выражающая сущность изобретения, следующая.

Симметричный высокочастотный кабель содержит сердечник, образованный изолированными полиэтиленом или пористым полиэтиленом токопроводящими жилами, скрученными между собой в пару, и заполнителем, расположенным между изолированными жилами и экраном, поверх которого расположена оболочка. При этом в качестве заполнителя использованы полипропиленовые пленочные фибриллированные некрученые нити, расположенные по всей длине кабеля продольно.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана фотография нити, развернутой для демонстрации структуры в продольном и поперечном направлениях.

На фиг.2 показана фотография образца симметричного высокочастотного кабеля с частично удаленными (на длине одного шага скрутки пары) экраном и оболочкой. Одна из жил имеет бесцветную (прозрачную) изоляцию, через которую видно токопроводящую жилу. Полипропиленовые нити на переднем плане разделанного образца перед фотосъемкой были раздвинуты для иллюстрации конструкции кабеля.

На фиг.3 показано поперечное сечение однопарного кабеля.

Кабель содержит токопроводящую жилу 1, изоляцию токопроводящей жилы 2, заполнитель из двух полипропиленовых фибриллированных некрученых нитей 3, экран из ламинированной алюминиевой фольги 4 и оплетки из медных луженых проволок 5, оболочку из поливинилхлоридного пластиката 6. Также на фиг.3 даны обозначения диаметра токопроводящей жилы d, диаметра жилы по изоляции D_из и наружного диаметра кабеля D_о. Экран кабеля может быть выполнен из ламинированной полимерной пленкой алюминиевой или медной фольги, бандажированной оплеткой из медных луженых проволок либо просто в виде плотной оплетки из медных проволок. Оболочка кабеля может быть выполнена из поливинилхлоридного пластиката или полиэтилена либо другого полимерного материала, обеспечивающего защиту кабеля от внешних воздействий.

Были изготовлены два варианта конструкции однопарного симметричного высокочастотного экранированного кабеля с диаметром жилы d=0,65 мм и диаметром жилы по изоляции D_из=2,3 мм. В качестве заполнителя и в том, и в другом случае использованы две полипропиленовые фибриллированные нити с номинальной линейной плотностью 1000 текс. Первый вариант размещения заполнителя аналогичен конструкции кабеля, принятой за прототип, второй – выполнен в соответствии с полезной моделью.

На фиг.4 представлены частотные зависимости затухания сигнала в кабеле: кривая 1 для кабеля, изготовленного по первому варианту; кривая 2 – для кабеля, изготовленного в соответствии с полезной моделью.

Как уже отмечалось, размещение заполнителя между жилами может приводить к несимметричности (емкостной ассиметрии) расположения жил относительно экрана, что, в свою очередь, приводит к разности фазовых скоростей распространения электромагнитной волны по жилам, составляющим пару. Длина испытываемых образцов кабелей (по варианту 1 и варианту 2) составляла 50 метров. При частоте 130 МГц в кабеле с емкостной ассиметрией жил наблюдается пик роста коэффициента затухания (кривая 1), тогда как кабель, выполненный в соответствии с полезной моделью, имеет минимальное значение коэффициента затухания во всем диапазоне частот.

Волновое сопротивление кабелей в пределах нормируемой величины – 135-150 Ом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белоусов Н.И., Гроднев И.И. Радиочастотные кабели. М., «Энергия», 1973, стр.182.

2. Belden. Audio / Video cables. European Edition, 1999, стр.14, 15.

Формула изобретения

Симметричный высокочастотный экранированный кабель, содержащий сердечник, образованный изолированными полиэтиленом или пористым полиэтиленом, токопроводящими жилами, скрученными между собой в пару, и заполнителем, выполненным из полимерных нитей, по крайней мере, часть которых размещена между изолированными жилами и экраном, поверх которого расположена оболочка, отличающийся тем, что заполнитель выполнен в виде полипропиленовых пленочных фибриллированных некрученых нитей, наложенных продольно, и другая их часть расположена также между изолированными жилами и экраном.

РИСУНКИ