Как найти затухание в кабеле

Источник

Как производят измерение затуханий волоконно-оптических линий

Одно из основных измерений для волоконно-оптических линий — определение затухания. Эту величину можно измерить несколькими методами, отличающимися технологией калибровки и точностью измерения. Но неизменно для выполнения измерения требуется две вещи — стабилизированный источник оптического излучения и измеритель оптической мощности. Задача заключается в определении разности мощности сигнала, поданного на линию, и мощности сигнала, полученного с нее на другом конце. Причем, ввиду различия условий распространения излучения в каждом направлении, измерение необходимо выполнить в обе стороны. И если уж совсем нет времени, оно должно проводиться в том же направлении, в котором установленное на этой линии оборудование будет впоследствии передавать данные.

Измерение можно провести следующими способами.

• Во-первых, на одном волокне в одном направлении двумя людьми с помощью одного источника излучения и одного измерителя оптической мощности. Для того чтобы провести измерение в обоих направлениях, приборы достаточно поменять местами.
• Во-вторых, на паре волокон, соединенных на дальнем конце перемычкой, в одном направлении одним человеком с использованием одного источника и одного измерителя или одного содержащего их прибора.
• В-третьих, на паре волокон в обе стороны двумя людьми с помощью пары источников и пары измерителей или двух содержащих их приборов.
• В-четвертых, на одном или двух волокнах в обе стороны двумя людьми посредством пары приборов для автоматического двухстороннего тестирования одного или двух волокон.

В качестве излучателя в источниках может встречаться как светодиод, так и лазер. Дешевле всего источники излучения на основе светодиодов. Они пригодны для тестирования лишь многомодового волокна, так как в одномодовое не удается ввести излучение достаточной мощности. Светодиодные источники вообще отличаются невысокой выходной мощностью и точностью в спектральной области (ширина их спектра составляет 30-200 нм). Тем не менее, благодаря стабильной мощности и низкой стоимости, они широко используются как в источниках излучений, так и в другом оборудовании для работы по многомодовому волоконно-оптическому кабелю. Лазерные источники дороже, но пригодны для тестирования одномодового волокна. Для них характерна более высокая, чем у светодиодных, мощность и точность (ширина спектра 0,1-5 нм), но стабильность выходной мощности ниже. Кроме того, большинство лазерных источников чувствительнo к отраженному излучению, наличие которого может привести к нарушению системы регулирования выходной мощности. Наибольшую стоимость имеют лазерные источники излучения с различными усовершенствованиями для обеспечения более высокой входной мощности и ее стабильности, а также более узкого или настраиваемого спектра излучения.

Простейшие источники выдают излучение только с одной длиной волны (660, 780, 850, 980, 1300, 1310, 1480, 1550 или 1625 нм). Более сложные имеют несколько выходов с разной длиной волны или один с возможностью электронного выбора ее необходимого значения из пары (например, 850/1300 — для многомодового, 1310/1550 и 1550/1650 — для одномодового волокна). Такие источники отличаются друг от друга в основном конструкцией и набором органов управления. Они могут иметь и некоторые дополнительные функции. Например, возможность получить на выходе не только непрерывное, но и модулированное излучение (обычно с частотой 270, 1000 или 2000 Гц), что чрезвычайно удобно для идентификации оптических кабелей.

При выборе источника прежде всего следует учитывать тип оптических кабелей и задействованные в используемом оборудовании длины волн. Но свое влияние могут оказать и дополнительные факторы, о которых нужно помнить. Например, на источники излучения для тестирования многомодовых волоконно-оптических линий в соответствии со стандартом TIA/EIA568 налагаются определенные ограничения: светодиодные источники могут работать только с модовым фильтром, нельзя применять некоторые лазерные источники излучения (лазеры VCSEL с длиной волны 850 нм и все лазеры с длиной волны 1300 нм). Поэтому без анализа возможных приложений и технических описаний источников излучения не обойтись.

Видео

Источник

Как измерять затухание кабеля

НА ГЛАВНУЮ — адрес этой страницы — http://ra6foo.qrz.ru/attenuation.html — версия 20 01 2016 (третья) — НА ГЛАВНУЮ

Измерение затухания, К укор. и места дефекта кабеля КСВ метром. Раскачка КСВ

Если к 50 Омному КСВ метру подключить длинный 50 Омный кабель, ненагруженный или короткозамкнутый на другом конце, показания КСВ метра будут не ∞, а некоторое реальное число, величина которого будет тем ближе к 1, чем больше затухание в кабеле. Если принять уровень напряжения прямой волны на входе кабеля за 1, то к концу кабеля с затуханием 4 дБ её уровень упадет на 4 дБ, или до 0,63, Полностью отразившись от ненагруженного (или к.з.) конца кабеля, обратная волна потеряет еще 4 дБ, до уровня 0,4. КСВ на входе кабеля, как отношение суммы прямой и обратной волн к их разности, будет при этом Uпр.+Uобр. / Uпр.-Uобр. = 1+0,4 / 1-0,4 = 1,4 / 0,6 = 2,33
Справедливо и обратное: если КСВ метр с ненагруженным (или к. з.) кабелем показывает 2,33, значит затухание кабеля 4 дб.
Методика измерения
Для обеспечения высокой точности измерения надо выбрать длину кабеля, при которой его затухание по предварительной оценке от 2 до 7 дб, что соответствует благоприятному для КСВ метра диапазону КСВ от 4,5 до 1,5. При измерении на частоте 435 МГц для тонких кабелей типа RG58 это длина от 3 до 10 м, для толстых, типа LMR 400 от 20 до 65 метров. На частоте 145 МГц потребуется в 1,7 раза длинее. Или выбрать частоту измерения, на которой затухание укладывается в этот диапазон.
Сопротивление сравнения (установка КСВ метра) должно быть равно волновому сопротивлению кабеля
Для примера измерим на частоте 435 МГц затухание тонкого кабеля длиной 9,51 м. КСВ незакороченного кабеля 1,9. Переводим КСВ в К отражения по формуле r = КСВ-1 / КСВ+1 = 0,9 /2,9 = 0,31. 0,31 — это уровень напряжения сигнала, дошедшего до конца кабеля, полностью отразившегося и вернувшегося ко входу кабеля в виде отраженной волны. Т. е это потери на удвоенной длине кабеля, 19,2 м. По таблице Перевод отношений U, I, P в децибелы переводим затухание напряжения 0,31 в дБ. Это соответствует 10,2 дБ на длине 19,2 м или 10,2 дБ / 19,2 м = 0,53 дБ/м.
Для примера был взят не бывший в эксплуатации кабель РК 50-2-11 1965 г выпуска с затуханием по ГОСТ на частоте 435 МГц 0,47 дБ/м. Разница, как видим, небольшая, 0,06 дБ/м или превышение потерь мощности на 1,4% выше паспортных для нового кабеля. Это в несколько раз меньше, чем допуск на увеличение затухания в течение срока службы 12 лет. Испытания образцов кабелей РК75-4-11 и РК75-9-13 дали аналогичные вполне удовлетворительные результаты.

Некоторые особенности измерения.
Такие замеры КСВ длинного кабеля как правило дают волнистый частотный ход КСВ. Среди причин этого:
— изменение уровня зондирующего сигнала из за изменения нагрузки КСВ метра (входного сопротивления кабеля)
— погрешности в виде различия показаний КСВ метра при нагрузках больше и меньше сопротивления настройки КСВ метра.
— отличие волнового сопротивления кабеля от сопротивления, на которое настроен КСВ метр (установленного в КСВ метре)
Значительно снизить погрешность измерения затухания из за волнистости можно, если для расчета взять среднее между максимумом и минимумом КСВ. Если нет возможности изменить частоту, возьмите среднее между КСВ при открытом и закороченном концах кабеля, минимумы и максимумы при этом меняются местами. Дополнительно повысить точность можно, определив средние значения КСВ при открытом и средние значения КСВ при закороченном конце кабеля и взяв среднее значение между ними.

Дефекты кабеля типа смещения центральной жилы из за локального перегрева, разрушения экрана и прочие неоднородности могут исказить картину КСВ и понизить точность измерения до неприемлемой. Это характерно не только для этого, для любого способа измерения затухания.

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УКОРОЧЕНИЯ
Метод основан на измерении частотного промежутка волнистости КСВ, о которой было сказано выше
Метод аналогичен измерению шага мелкой резьбы обычной линейкой — подсчет количества витков на единицу длины
Чем больше длина, на которой сделан подсчет, тем точнее результат. Здесь вместо длины берется частотный промежуток.

Методика измерения.
Понадобится тройник. Подключим его к КСВ метру, один вход нагрузим резистором, равным сопротивлению, на которое настроен КСВ метр (50 или 75 Ом) к другому входу подключим измеряемый кабель с заранее известной физической длиной. (Резистор необязательно должен быть эталонным, также необязателен тройник, к КСВ метру можно просто подключить сам кабель, закороченный резистором 47. 51 Ом в месте подключения).
Если менять частоту от минимальной до максимальной, то на частотах, где электрическая длина кабеля будет 1/4, 3/4, 5/4 и т. д., он будет закорачивать резистор и показания КСВ метра будут максимальны, напротив, на частотах, где его длина кратна полволны, его шунтирующее действие минимально и показания КСВ метра будут близки к 1. В процессе изменения частоты надо записать частоту 1 минимума, частоту последнего минимума и количество промежутков между ними. Разделив разность между этими частотами на количество промежутков, получим частотный интервал между ними. К укор. будет равен физической длине кабеля в метрах, умноженной на частотный интервал в МГц, деленный на 150. Или К укор. = L физ. х Δf / 150
При измерениях с тройником в расчетную длину кабеля должен быть включен разьем и плечо тройника до его центра.
Можно то же сделать с закороченным на другом конце кабелем, в этом случае минмумы и максимумы КСВ поменяются местами.

Некоторые особенности измерения.
1 — Чем короче кабель и больше (меньше численно) его ожидаемый К укор, тем больше частотный промежуток между пиками. Это значит, что при ограниченном диапазоне частот КСВ метра надо брать достаточную длину кабеля и для уменьшения частотных промежутков и для увеличения точек отсчета, а значит и точности определения Ку.

2 — Что весьма важно. Если вы возьмете тонкий кабель, то можете не заметить, что частотный интервал между пиками КСВ неодинаков и увеличивается с увеличением частоты. Это приведет не к ошибке, а к усреднению К укор. Дело в том, что он непостоянен и численно увеличивается по мере роста частоты. Единственной причиной этого являются омические потери в проводнике, а точнее, существенно большая величина отношения потерь в проводнике к потерям в диэлектрике a пров./а диэл. относительно величины отношения L/C кабеля. Подробнее об этом на стр. Расчет длинных линий с потерями Например у кабеля RG 178B/U диаметром 1,8 мм он изменяется от 0,33 на частоте 0,1 МГц до 0,62 на 1 МГц и далее до паспортных 0,7 на частотах 600 МГц и выше (синяя линия) У толстых кабелей К укор более стабилен с частотой (красная линия — LMR 400 диаметром 10 мм) Естественно, что это приведет к тому, что частотный интервал на малых частотах будет вдвое меньше, чем на больших, и в результате вы получите нечто среднее для этого диапазона частот.
Для избежания этого ограничивайте снизу диапазон частот, в котором производите подсчет пиков, той областью, в которой К укор изменяется мало. Конкретно у марки кабеля или по аналогии с ней эту область можно определить с помощью программы TLDetails 0,4 Мб . Скрин графика — с неё.
Обычно нас интересует точный К укор. на конкретной частоте или диапазоне частот. В таком случае выбирайте такую длину кабеля, чтобы в этой области было достаточно много пиков КСВ. Например если вас интересует точный К укор. на 145 МГц, выберите область отсчета от 100 до 200 МГц и частотный интервал не более 10 МГц, что соответствует интервалу длины волны 30 м. Кабель со сплошным ПЭ при этом должен быть не короче 15 м электрической длины или 10 м физической. За нулевой пик берите максимум на нижней частоте и от него ведите отсчет и количества пиков и отсчет частотной области.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ЛОКАЛЬНОГО ДЕФЕКТА

Зная К укорочения кабеля, таким же способом можно определить место локального дефекта, обрыва центральной жилы, передавливания изоляции, коррозии или разрыва оплетки. Для этого надо нагрузить конец кабеля резистором с сопротивлением, близким к волновому сопротивлению кабеля. По вышеизложенной методике и частотному интервалу между пиками определить электрическую длину до места дефекта и пересчитать на физическую длину. Вырезать кусок кабеля, вспороть и убедиться в том, место дефекта дейстивительно определено без ошибок в арифметике.

РАСКАЧКА КСВ
Термин пришлось применить свой, т. к. описаний этого явления не нашел.

Того кабеля, на котором это проявилось, уже не имею, но это явление достаточно хорошо моделируется в RFSimm 99 (см.скрин)
Здесь взят кабель 50 Ом длиной 10 метров, волновое сопротивление которого периодически через каждые полметра изменяется, оставаясь в пределах допуска по ГОСТ, ± 4% или 50 ± 2 Ом. Полоса сканирования от 100 до 800 МГц, вертикальная шкала в S11 или К отражения от 0 до 1, или КСВ от 1 до ∞
При приближении к частоте 150 МГц пики КСВ растут и на частоте, где периодичность длины становится равной 1/4 волны, наблюдается резкий пик, в данном случае до КСВ 5.0. Затем, по мере роста частоты, они уменьшаются и на частоте 300 МГц, где их длина становится равной полволны, исчезают. На частоте 150 МГц происходит следующее: последний (правый, 48 Ом) отрезок трансформирует 50 Ом нагрузки в 46 Ом, следующий перед ним (52 Ома) трансформирует 46 Ом в 59 Ом, следующий (48 Ом) трансформирует 58 Ом в 40 Ом и так далее. Таким образом, происходит «раскачка КСВ»
На частотах 450, 750 и т. д. МГц эти отрезки работают как 3/4, 5/4 и т. д. трансформаторы. А на частотах, где длина отрезков кратна полуволнам, 300, 600 и т. д. МГц, они работают как повторители. С увеличением длины кабеля КСВ на пиках растет квадратично, тот же кабель при длине 20 м имел бы на пиках КСВ до 20.
Причины возникновения периодического изменения волнового сопротивления кабеля могут быть и в процессе изготовления и, чаще, в процессе хранения. Например у висящей на стене бухты по разному вытягиваются участки кабеля, или часть бухты под солнечными лучами, или находится во влажном состоянии существенно дольше, чем другая половина и т. д.
Конечно, в реальных случях нет столь резких переходов волнового сопротивления и постоянной длины отрезков, но проявления этого эффекта давно известны по сообщениям и доставляют неприятности в случаях, когда пик находится в нужной для работы полосе частот, причем изменить или сместить по частоте его невозможно.

Источник

Adblock
detector

Расчёт затухания в коаксиальном кабеле

• Радиочастотные кабели

Расчёт производится на основе данных, полученных от компаний — производителей кабельной продукции.
Полученные результаты справедливы только для новых коаксиальных кабелей. Параметры кабелей после нескольких лет хранения или эксплуатации ухудшаются, как правило, в 1,5 — 2 раза (необходимо учитывать при расчётах) — это зависит от конструкции и материала из которого изготовлен кабель, например:

В связи с нелинейностью частотных характеристик коаксиальных кабелей точность расчётов по затуханию сигнала составляет примерно ±10% (±0,8 дБ).

ВСЕ РАСЧЁТЫ

Импульсные рефлектометры издавна применяются для диагностики повреждений (обрывов и коротких замыканий) в медных кабелях: витой паре, коаксиальных, силовых. Они просты в эксплуатации и позволяют точно определить тип неисправности и расстояние до неё. Вместе с тем, часто, из-за непонимания принципов распространения сигнала по кабелю и методики диагностики повреждений, молодые специалисты допускают ошибки в измерениях, что приводит к увеличению времени устранения повреждений. В данной статье детально описан принцип работы импульсного рефлектометра, а также методика проверки коаксиальных кабелей с помощью приборов компании Tempo Communications (США), из которой вы узнаете, как искать такие распространенные неисправности как обрыв или короткое замыкание коаксиального кабеля.

Как распространяется сигнал по медной паре?

Электрический сигнал в виде электромагнитной волны распространяется по медной паре до тех пор, пока не будет обнаружена неравномерность импеданса. Такая неравномерность возникает в местах скрутки жил, их повреждения, попадания воды и др. Изменение характеристик проводника приводит к тому, что часть или вся энергия волны отражается обратно к источнику сигнала. Оставшаяся энергия продолжает перемещаться в первоначальном направлении.

Подобный эффект можно наблюдать и в повседневная жизнь, если крикнуть, находясь перед удаленным объектом, например, горой, стеной дома или кромкой леса. Часть звуковой волны при этом возвращается к источнику, которым в данном случае выступает кричащий, в виде эха (по тому же принципу работает радар).

Значение времени между моментом передачи электромагнитной волны (импульса) и моментом приема его отражения используется для расчета расстояния до точки отражения.

Данные отражения очень нежелательны с точки зрения обеспечения достоверности передачи. Однако они составляют основу работы технологии рефлектометрии (Time Domain Reflectometry или TDR) и обеспечивают возможность изучения графического отображения характеристик тестируемого кабеля.

Отражения сигнала в коаксиальном кабеле

На сетях операторов кабельного телевидения (КТВ) используются коаксиальные кабели, состоящие из внутреннего и внешнего проводников, и диэлектрика между ними. Если с генератора импульсов, имеющего выходное сопротивление, соответствующее входному сопротивлению кабеля (обычно 75 Ом), подать короткий электрический импульс в не имеющий неисправностей кабель, и посмотреть на отраженный сигнал, то можно столкнуться с одним из трех результатов:

1. Несмотря на то, что кабель не имеет неисправностей, рефлектометр увидит конец кабеля (разомкнутый), как одну из двух экстремальных несогласованностей импеданса (т.е. высокий импеданс). В этом случае возникает отраженный импульс той же полярности.
2. При правильной концевой заделке кабеля (на нагрузку с его характеристическим импедансом) отраженного импульса видно не будет. Причина заключается в том, что передаваемый импульс полностью поглощается согласованным сопротивлением. Это означает, что никакая энергия к входу линии не отражается (и, следовательно, не отображается на дисплее рефлектометра).
3. Другим крайним случаем несогласованности импеданса является короткое замыкание. Отраженный импульс имеет обратную полярность относительно подаваемого в кабель импульса.

Значение времени, прошедшего между подачей импульса в кабель и поступлением отраженного импульса (эха), можно преобразовать в расстояние. Для этого должна быть известна скорость распространения импульса в кабеле. Амплитуда отраженного импульса является показателем уровня потерь при распространении (затухания) в кабеле.

Рис. 1 Рефлектограммы коаксиального кабеля

Расчет длины кабеля по времени прохождения импульса

Прежде всего, оговорим разницу между скоростью и коэффициентом распространения (Vp). Скорость распространения – это скорость, с которой перемещается электромагнитная волна (независимо от того, в кабеле или в свободном пространстве). Обычно измеряется в м/мс или м/мкс, или в виде любого другого отношения расстояния ко времени. Коэффициент распространения (Vp) представляет собой отношение скорости перемещения импульса в материале к скорости света в вакууме.

Коэффициент распространения (Vp) играет важную роль в определении времени прохождения от момента подачи тестового импульса до получения его отражения.

Коэффициент распространения (Vp) электромагнитной волны в любом материале всегда ниже, чем в вакууме (C ≈ 300×10⁶ м/с, Vp = 1). Это относится и к коаксиальным кабелям:

Vp = V/C

где,

• V — скорость распространения импульса в кабеле (м/мкс),
• С — скорость в свободном пространстве (300 м/мкс).

Значение Vp отличается для разных кабелей и зависит от их геометрии и используемого диэлектрического материала. Обычно это значение указывается производителем кабеля в технических характеристиках. В ходе эксплуатации кабеля, его старения и наличия в нем неоднородностей, коэффициент распространения немного изменяется. Вместе с тем, зная длину кабеля при помощи современных рефлектометров легко определить Vp.

Для наиболее часто используемых на всех уровнях распределительной сети коаксиальных кабелей значение Vp обычно составляет от 0,7 до 0,9.

где:

Tt — время прохождения между отправлением и получением импульса (м/с),

C — скорость света (C = 300 х 106 м/с),

Vp — коэффициент распространения (всегда меньше 1).

Вывод. Время прохождения (Tt) между моментом передачи тестового импульса и получением рефлектометром отраженного импульса используется для расчета длины кабеля путем преобразования этого значения в расстояние с использованием правильного значения Vp. Длина кабеля при этом удваивается, потому что по кабелю должен пройти не только переданный импульс, но и отраженный. Если время прохождения известно, можно рассчитать длину кабеля L:

где:

T_L — задержка между отправленным тестовым импульсом и полученным отраженным импульсом,

с₀ — скорость света (с₀ = 300 х 10⁶ м/с),

v — коэффициент распространения.

Для определения длины кабеля или расстояния до повреждения при помощи большинства современных приборов достаточно правильно установить в меню рефлектометра коэффициент Vp, или выбрать в справочнике кабеля тип кабеля, измерение которого производится.

Длительность импульса рефлектометра

Длительность импульса следует выбирать в зависимости от длины кабеля (L).

Короткие (низкоэнергетические) импульсы проходят только небольшое расстояние, но обеспечивают высокое разрешение, позволяют с высокой точностью определить расстояние до неоднородности.

Для более длинных кабелей необходимы более мощные импульсы, однако разрешение при этом снижается.

Так, например, рефлектометр Tempo CABLESCOUT CS90 позволяет автоматически выбрать оптимальную ширину зондирующего импульса, в зависимости от установленного на рефлектометре диапазона измерений (ориентировочной длины кабеля). Это позволяет упростить работу с прибором и адаптирует его для эксплуатации начинающими специалистами.

Типичная длительность импульса в диапазоне измерений CATV составляет от 1 до 25 нс. С выбранной длительностью импульса также связана мертвая зона рефлектометра. Следовательно, мертвые зоны зависят от длительностей передаваемых импульсов (смотрите уравнение):

Длительность импульса также определяет возможность различения близко расположенных событий (степень их близости). Например, при использовании длительности импульса 25 нс на типовом кабеле с Vp = 0,8 значение расстояния равняется приблизительно шести метрам.

Но если в этом диапазоне можно использовать длительность импульса 1 нс, то при 0,8 расстояние будет равно 0,24 метра. Поэтому для разделения между собой близко расположенных событий следует использовать самый короткий импульс, подходящий для выбранного диапазона тестирования. При использовании автоматического режима (Auto) рефлектометр CS90 будет автоматически регулировать усиление и длительность импульса по мере необходимости, основываясь на значении Vp и удельных потерях в кабеле. Это позволит всегда обеспечивать максимальную детализацию измерений.

Практическое применение рефлектометра CABLESCOUT CS90

Компания Tempo Communications разрабатывала модель CableScout 90 (CS90) как практичный рефлектометр для техников CATV, который, благодаря простоте использования и точности получения результатов измерений, производит очень сильное впечатление при повседневном использовании.

Благодаря небольшим размерам (26 x 16 x 5 см) рефлектометр CS90 в мягком защитном чехле (в котором также найдется место и для зарядного устройства, и для других мелочей) легко поместится в любую сумку для инструментов. Небольшой вес (974 грамма) превращает его в удобное переносное устройство. Полностью заряженного встроенного литиево-ионного аккумулятора хватает на восемь часов работы, то есть на весь рабочий день. Для полной зарядки этого аккумулятора требуется менее четырех часов.

Кнопка питания слегка утоплена, что позволяет избежать непреднамеренного включения инструмента. Если устройство выключается, будучи подключенным к зарядному устройству, на дисплее отображается текущее состояние зарядки.

После нажатия кнопки питания во время загрузки на дисплее на несколько секунд отображается экран приветствия с именем устройства, серийным номером и номером версии. Затем появляется главный экран, на котором можно сделать все настройки и провести все измерения.

Рис. 2 Рефлектометр Tempo CS90

Пригодность рефлектометра Tempo CS90 для повседневного использования достигается за счет простого управления и высокой точности измерений в сочетании с дисплеем, имеющим высокую четкость изображения даже при дневном освещении.

Перед каждым измерением необходимо из списка наиболее часто используемых кабелей выбрать тестируемый кабель или, по крайней мере, один из ближайших к нему. Если в списке нет желаемого кабеля, его можно задать самостоятельно. Для этого необходимо ввести название производителя, обозначение типа кабеля, значение затухания на 100 метров при 500 МГц в дБ, значение PVF и сохранить данные.

Для кабеля «Televes SK2000plus» с затуханием 14 дБ при 500 МГц и значением коэффициента распространения VP = 0,84 это не составило проблем.

После выполнения простых шагов настройки можно начинать измерения на обесточенном кабеле.

Для начальных испытаний использовался 100-метровый барабан Televes SK2000plus, он был выбран в библиотеке кабелей и подключен к гнезду F в верхней части устройства. Затем были проведены три измерения с разомкнутым (обрыв коаксиального кабеля), согласованно подключенным и замкнутым (короткое замыкание коаксиального кабеля) концом кабеля. Результаты измерений оказались такими, как ожидалось.

Рис. 3 – Справочник кабелей в меню рефлектометра CS90

Если измеряемый пользователем кабель отсутствует в списке, можно легко добавить его самостоятельно.

Для настройки конфигурации рефлектометра CS90 доступен обширный экран настройки. Здесь можно повышать или понижать яркость дисплея и переключаться между дневным и ночным режимами, активировать ручной или автоматический режим работы, указывать время автоматического отключения (выбирать 1, 2, 5, 10 минут или выключить эту функцию), переключаться между футами, метрами или наносекундами в качестве единиц измерения, а также устанавливать единицы измерения PVF (0.xxx, xx.x%, м/мкс, фут/мкс).

Испытательный импульс имеет форму полусинусоидальной волны, что позволяет снизить шумы. Те рефлектометры, в которых используются прямоугольные импульсы с широким спектром гармоник, имеют более шумные рефлектограммы, что иногда даже приводит к невозможности их интерпретации.

Длительность импульса 1 нс позволяет обнаруживать события на расстоянии менее метра. Наиболее же длительный импульс 25 нс позволяет обнаруживать события на расстоянии приблизительно до 3 км.

Рис. 4: Важным применением рефлектометра CS90 является предварительное испытание барабана кабеля на соответствие длины и однородность кривой импеданса

Рис. 5 Примеры рефлекттограмм: обрыв коаксиального кабеля, согласованная линия, короткое замыкание коаксиального кабеля

Благодаря отображению на экране одновременно всей линии (в нижней части экрана) и выбранного ее участка около точки курсора (в верхней его части) достигается максимальное удобство чтения рефлектограммы. При этом экран имеет высокую разборчивость даже при ярком солнечном свете, что гарантирует пользователю постоянное понимание того, что происходит с кабелем. Еще одной особенностью данной модели является отсутствие мертвой зоны (нулевая мертвая зона).

Рефлектометр позволяет легко создавать и сохранять в памяти скриншоты документации и эталонных рефлектограмм.

Рис. 6 Меню основных настроек прибора

Все основные настройки прибора находятся также на одном экране.

Заключение

Резюмируем. Для тестирования коаксиальных кабелей вам понадобится импульсный рефлектометр, в число которых входит CABLESCOUT CS90 компании Tempo Communications. Конкретно рассмотренная нами модель имеет небольшие габариты и вес. Прибор защищен от повреждений при падении благодаря защитным резиновым накладкам. Яркий ЖК экран позволяет комфортно работать как при плохом освещении, так и в условиях яркого солнечного света. А удобное меню и отличные технические характеристики позволят быстро и качественно выполнить все проверки, включая такие распространенные, как поиск короткого замыкания и обрыва коаксиального кабеля.

См. также:

4.1. Общая функция и классификация затуханий в оптических кабелях

4.2. Собственные затухания

4.2.1. Затухания из-за поглощения энергии в материале оптического волокна

4.2.2. Затухания из-за Рэлеевского рассеяния света

4.3. Дополнительные кабельные затухания

4.4. Методы измерения затухания

4.4.1. Методы светопропускания

4.4.2. Метод обратного рассеяния

4.1. Общая функция и классификация затуханий в оптических кабелях

При распространении оптического сигнала внутри волокна происходит его экспоненциальное затухание, вызываемое потерей мощности Р и обусловленное различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн/частиц со средой волокна. Если Р₀ – мощность, вводимая в волоконный световод длиной L, прошедшая мощность Р_L определяется выражением

                                                                  (4.1.1)

где      Р₀  –  мощность, вводимая в волокно;

           L   –  длина волокна;

           a_пз – постоянная затухания волокна.

Используя эту формулу, можно получить выражения для оценки общих и удельных километрических потерь соответственно

                              ,  [дБ],                             (4.1.2)

                              ,  [дБ/км].                               (4.1.3)

Удельные или километрические потери, определяемые по формуле (4.1.3) и имеющие размерность [дБ/км], часто называют коэффициентом затухания ОВ.

Следует отметить, что значения затуханий, выраженные в децибелах, имеют отрицательные значения. В волоконной оптике обычной практикой является опускание отрицательного знака и оперирование с затуханием, скажем в 6 дБ. В действительности затухание равно –6 дБ. Эта величина получается из решений уравнений (4.1.2) и (4.1.3). Но в речи и даже в сводных таблицах результатов измерений отрицательный знак опускается, не приводя к существенной неопределенности. Неопределенности могут возникнуть из-за того, что некоторые уравнения адаптированы с учетом отрицательной величины затухания.

Затухания в общем понимании обусловлены собственными потерями в ОВ a_c  и дополнительными потерями, так называемым кабельными, a_к обусловленными скруткой, а также деформацией и изгибами оптических волокон при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля:

                                                 a = a_с + a_к .                                                                      (4.1.4)

Собственные потери волоконного световода состоят из потерь поглощения a_п и потерь рассеяния a_р:

                                                 a = a_п + a_р  .                                                                     (4.1.5)

Источники потерь, отнесенные к этой категории, являются постоянными для того или иного типа волокна, они определяются совершенством технологии производства волокна, и, как показывает опыт эксплуатации волоконно-оптических кабелей, километрическое затухание в ОВ не изменяется в течении длительных (приблизительно 10 лет) сроков.

Потери, возникающие при распространении сигнала по волоконному световоду, объясняются тем, что часть мощности, поступающей на вход световода, рассеивается вследствие изменения направления распространения лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее пространство (a_р), другая часть мощности поглощается как самими молекулами кварца (a_пм), так и посторонними примесями (a_пп), выделяясь в виде джоулева тепла. Примесями могут являться ионы металла (никель, железо, кобальт и др.) и гидроксильные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания. В результате суммарные потери определяются выражением:

                                          a = a_пм+ a_пп+ a_р+ a_к .                                                   (4.1.6)

Описанная выше классификация затуханий в оптическом кабеле представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Классификация затуханий в оптическом кабеле

4.2. Собственные затухания

Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется на рисунке 4.2 [10].

Рисунок 4.2 – Механизмы основных потерь в световодах:

a_р – рассеяние на нерегулярностях;

a_пп – поглощение из-за примесей;

a_пм – поглощение в материале волокна.

4.2.1. Затухания из-за поглощения энергии в материале оптического волокна

Потери на поглощение состоят из собственного поглощения и поглощения из-за наличия в стекле ионов металлов переходной группы Fe²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺ и ионов гидроксильной группы ОН. Собственное поглощение проявляется при идеальной структуре материала. Механизм этих потерь связан с поведением диэлектрика в электрическом поле (диэлектрической поляризацией). В диапазоне рабочих частот ВОСП количественно они могут быть оценены по формуле [11]

, дБ/км, (4.2.1)

где n₁ – показатель преломления сердцевины ОВ;

tgd – тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины ОВ, принимающий значения в диапазоне от 10^-12 до 2×10^-11;

l – длина волны, км.

Как видно из формулы эта составляющая поглощения линейно растет с частотой и существенно зависит от свойств материала оптического волокна (tgd). Она характеризует нижний предел поглощения для данного диэлектрика и становится значимой в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, пропорциональных показательной функции и уменьшающихся с ростом частоты по закону [11]:

, дБ/км, (4.2.2)

где с и k – постоянные коэффициенты (для кварца k=(0,7¸0,9)×10^{-6 м, с=0,9).}

Примесное поглощение для разных стекол, в зависимости от валентного состояния, изменяется. Так ионы металлов переходной группы, присутствующие в стекле, имеют электронные переходы в области длин волн (0,5¸1,0) мкм и вызывают соответствующие полосы поглощения. Пики поглощения за счет ионов металлов очень широкие.

Другой существенной в отношении поглощения примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН^—. На содержание ионов ОН^— в стекле влияет процесс его изготовления. Ей соответствует ярко выраженный максимум поглощения в районе длины волны 1480 нм. Он присутствует всегда. Поэтому область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется. Тем не менее, следует отметить, что уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое Рэлеевское рассеяние света.

4.2.2. Затухания из-за Рэлеевского рассеяния света

Затухания вследствие рассеяния вызываются несколькими механизмами. Во всех оптически прозрачных веществах свет рассеивается в результате флуктуаций показателя преломления в свою очередь возникших вследствие тепловых флуктуаций в жидкой фазе и «замороженных» при затвердевании. Показатель затухания, обусловленного рассеянием, может быть найден из выражения [10]

, (4.2.3)

где k=1,38×10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана;

Т=1500 К – температура затвердевания стекла при вытяжке;

b =8,1×10^-11 м²/Н – коэффициент сжижаемости (для кварца);

n₁ – показатель преломления сердцевины.

Такое рассеяние является Рэлеевским. Оно обратно четвертой степени длины волны и характерно для неоднородностей, размеры которых менее длины волны, а расстояние между которыми достаточно велико, чтобы явления взаимодействия были исключены. Из выражения (4.2.3) также следует, что затухание вследствие рассеяния на флуктуациях растет с увеличением показателя преломления.

Кроме флуктуаций плотности, существенными являются также флуктуации концентраций окислов. Добавляемые в стекло окислы обычно повышают показатель преломления, поэтому неоднородность концентрации создает большие флуктуации.

Причиной рассеяния может быть также ликвационная неоднородность материала. В результате недостаточного перемешивания и выдержки при необходимой температуре в процессе варки стекла могут возникнуть области фазовых разделений компонентов. Эта причина принципиально может быть устранена качественным процессом варки, в то время как эффект тепловых флуктуаций неустраним.

Суммарные потери на Рэлеевское рассеяние зависят от длины волны волны по закону λ^-4 и количественно могут быть оценены по формуле [11]

, дБ/км, (4.2.4).

где К_р – коэффициент рассеяния, для кварца равный 0,8 [(мкм⁴_· дБ)/км];

λ – длина волны, мкм.

Рассеяния рассмотренных видов не связаны с нелинейными процессами. При достаточно больших мощностях могут возникнуть нелинейные процессы, при которых параметры материала изменяются в зависимости от величины мощности, распространяющейся в данном материале. В результате может появиться вынужденное комбинационное рассеяние, направленное в сторону распространения электромагнитной энергии. Другой причиной нелинейного рассеяния может являться вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Это явление вызвано тем, что когда мощность выше некоторого порога нелинейные процессы приводят к переходу мощности первичных волн в излучение других длин волн. Этот вид излучения в основном направлен назад.

На рисунке 4.3 представлены типовые зависимости основных составляющих потерь от длины волны, за исключением дополнительных кабельных потерь α_к, которые всегда приводят к увеличению затухания ОВ и зависят от многих факторов. Как видно из графика, Рэлеевское рассеяние α_р ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение α_ик – в правой.

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие Рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.

Внутренние потери хорошо интерполируются формулой [24]

, (4.2.5)

где отражает пик поглощения на примесях ОН с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют Рэлеевскому рассеянию и инфракрасному поглощению соответственно (K_рел = 0,8 мкм⁴_·дБ/км; С = 0,9 дБ/км; k = 0,7-0,9 мкм; данные приведены для кварца).

На рисунке 4.4 приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пика поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон [24].

4.3. Дополнительные кабельные затухания

Дополнительное затухание, обусловленное кабельными потерями (α_к), состоит из суммы по крайней мере семи видов парциальных коэффициентов затухания [11]

,                                      (4.3.1)

где

α’₁ –    возникает вследствие приложения к ОВ термомеханических воздействий в процессе изготовления кабеля;

α’₂ –    вследствие температурной зависимости коэффициента преломления материала ОВ;

α’₃ –    вызывается микроизгибами ОВ;

α’₄ –    возникает вследствие нарушения прямолинейности ОВ (скрутка);

α’₅ –    возникает вследствие кручения ОВ относительно его оси (осевые напряжения скручивания);

α’₆ –    возникает вследствие неравномерности покрытия ОВ;

α’₇ –    возникает вследствие потерь в защитной оболочке ОВ.

Таким образом, дополнительные потери определяются в основном процессами рассеяния энергии на неоднородностях, возникающих вследствие перечисленных влияний, и частично увеличением потерь на поглощение энергии. Причинами увеличения потерь на поглощение являются остаточные осевые и поперечные напряжения в ОВ, могущие возникнуть при изготовлении кабеля.

В ряде случаев микроизгибы могут существенно влиять на прирост α_к. Значение потерь на одном микроизгибе может изменяться в пределах (0,01÷0,1) дБ. Приращение затухания от микроизгибов α’₃ зависит от мелких локальных нарушений прямолинейности ОВ, характеризуемых смещением оси ОВ в поперечных направлениях на участке микроизгиба. Основными причинами появления микроизгибов являются локальные неосесимметричные механические усилия различного происхождения, приложенные  к очень малым участкам ОВ. К микроизгибам следует отнести такие поперечные деформации ОВ, для которых максимальное смещение оси ОВ соизмеримо с диаметром сердцевины волокна. Особенностями микроизгибов является то, что они, как правило, многочисленны, расстояние между соседними микроизгибами существенно больше их размера. Общий вклад потерь, создаваемых микроизгибами, может быть значителен. Вследствие микроизгиба происходит ограничение апертурного угла излучения, распространяющегося по ОВ, и часть энергии излучается из ОВ. Зависимость приращения затухания от микроизгиба α’₃ можно определить из выражения [11]:

                                    ,                              (4.3.2)

где

k₃ = 0,9 ÷ 1,0;

N_и –    число неоднородностей в виде выпуклостей со средней высотой у_и на единицу длины;

а –      радиус сердцевины;

b –      диаметр оптической оболочки;

Δ –      относительное значение показателя преломления;

n₁ и n₂ –       показатели преломления сердцевины и оболочки;

E₀ и E_c –      модули Юнга оболочки и сердцевины ОВ.

Все методы измерения затухания в оптических волокнах делятся на две группы: методы светопропускания и методы обратного рассеяния.

4.4.1. Методы светопропускания

Имеются два способа выполнения измерений по методике с использованием светопропускания (рисунок  4.5): метод обрыва  и метод вносимых потерь [12].

Рисунок 4.5 – Метод светопропускания

При методе обрыва определяется световая мощность в двух точках световода: L₁ и L₂.  Обычно точка L₂ находится на дальнем конце световода, а точка L₁ – очень близко к его началу. При проведении измерений световая мощность Р сначала измеряется на конце в точке L₂ (км), а затем в точке L₁ (км), причем световод должен быть обрезан в точке L₁, но при этом не должны изменяться условия ввода между источником света (передатчиком) и световодом. Затем коэффициент затухания α (дБ/км) световода рассчитывается по формуле

                                        .                                         (4.4.1)

Этот метод не лишен недостатков, так как необходимо отрезать короткий кусок волоконного световода, что, например, при использовании волоконно-оптических кабелей с соединителями нецелесообразно. В данном случае полезным является метод вносимых потерь, при котором измеряется световая мощность на дальнем конце испытуемого световода, а затем она сравнивается со световой мощностью на конце  короткого отрезка световода. Такой отрезок световода служит эталоном и должен быть сопоставим с испытываемым световодом по структуре и характеристикам. Во время проведения измерения следует позаботиться о том, чтобы условия возбуждения эталонного отрезка были одинаковыми, насколько возможно с условиями ввода для испытуемого отрезка световода. Из-за этих ограничений точность и воспроизводимость метода вносимых потерь менее предпочтительны, чем у метода обрыва.

Можно считать недостатком то, что речь идет о суммарном измерении по всему отрезку световода, которое не дает информации о локальных измерениях затухания по длине световода. Кроме того должен иметься доступ к обоим концам волоконного световода.

4.4.2. Метод обратного рассеяния

При методе обратного рассеяния свет вводится и выводится на одном конце волоконного световода (рисунок 4.6). Дополнительно можно получить информацию о процессе затухания вдоль световода.

Рисунок 4.6 – Метод обратного рассеяния

В основу метода положено Рэлеевское рассеяние. В то время как основная часть рассеиваемой мощности распространяется в направлении «вперед», небольшая ее часть рассеивается назад к передатчику. Эта мощность обратного рассеяния по мере прохождения назад по волоконному световоду также претерпевает затухание. Оставшаяся часть мощности при помощи направленного ответвителя, расположенного перед световодом, выводится и измеряется. По этой световой мощности обратного рассеяния и времени прохождения по световоду можно построить кривую, на которой наглядно видно затухание по всей длине световода (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7 – Типовая рефлектограмма ВОЛС

Если коэффициент затухания и коэффициент обратного рассеяния остаются постоянными по всей длине световода, то кривая убывает от начала световода экспоненциально. Из-за скачка показателя преломления в начале и конце световода относительно большая часть световой мощности рассеивается обратно в этих местах, что обуславливает наличие пиков в начале и конце кривой. По разности времени Δt между этими двумя пиками, скорости света в вакууме c₀ и групповому показателю преломления n_g ≈ 1,5 в стекле сердцевины можно рассчитать длину волоконного световода:

,                                                 (4.4.2)

где

L – длина волоконного световода, км;

Δt – разность времени между пиками начального и конечного импульсов, с;

n_g – действительный групповой показатель преломления стекла сердцевины;

c₀ – скорость света в вакууме 300 000 км/с.

Коэффициент затухания a для любого участка световода между точками L₁ и L₂ подсчитывается по формуле

                                      ,[дБ/км].                          (4.4.3)

Вследствие того что свет проходит вперед и назад, здесь используется коэффициент 5 вместо коэффициента 10, используемого в аналогичном уравнении для метода светопропускания.  Эта формула справедлива для случая, когда мощности Р(L₁) и Р(L₂) выражены в абсолютных единицах, то есть в мВт или мкВт.

Дальнейшим усовершенствованием методики измерения является калибровка вертикальной шкалы непосредственно в единицах вносимых потерь. При этом затухание a для любого участка между точками L₁ и L₂ подсчитывается по формуле

,[дБ].                                    (4.4.4)

Соответственно километрические (погонные) затухания рассчитываются по формуле

, [дБ/км].                       (4.4.5)

Это уравнение имеет силу исходя из предположения, что коэффициент обратного рассеяния, числовая апертура и диаметр сердцевины остаются неизменными по длине световода. Если это не обеспечивается, то рекомендуется сделать два измерения на обоих концах световода, а результаты усреднить. Поскольку мощность обратного рассеяния относительно мала, выдвигается повышение требования к чувствительности приемника. Для улучшения принимаемого сигнала проводится многократное усреднение отдельных измеренных величин. Измерительные приборы, работающие по принципу обратного рассеяния, называются оптическими рефлектометрами, использующими метод наблюдения за отраженным сигналом. Наряду с измерением коэффициента затухания можно определить местоположение дефектов (изломов) в волоконном световоде, а также проверить оптические потери в соединительных световодах (скачки затухания из-за разъемных и неразъемных соединений).

Методы измерения затухания с использованием светопропускания на европейском уровне описаны в европейском стандарте EN 188000, методы 301/302 (национальный немецкий стандарт VDE 0888, часть 101, методы 301/302), а на международном уровне – в стандарте МЭК «IEC 793-1-C1A и -С1В».

Контрольные вопросы 1. Чем обусловлено затухание сигналов в волоконных световодах? 2. Почему длины волн излучения l=1,3 мкм, и особенно l=1,55 мкм считаются наиболее перспективными в волоконно-оптических системах передачи? 3. Дайте сравнительную оценку различных методов измерения потерь в ОВ. 4. Какими основными факторами ограничен динамический диапазон оптических рефлектометров? 5. Сколько милливатт имеет сигнал, мощность которого в относительных единицах составляет 0 дБм? 6. Увеличиваются, уменьшаются или остаются без изменений потери в оптическом волокне по мере увеличения частоты сигнала? 7. На какой длине волны затухание минимально:850, 1300 или 1550 нм? Почему? 8. Опишите метод измерения потерь в волокне с помощью измерителя мощности. 9. На чем основан принцип измерения затухания методом обратного рассеяния? 10. Дайте определение коэффициента затухания ОВ. В каких единицах его измеряют? 11. Почему рекомендуется при входном контроле измерять коэффициент затухания с двух сторон? 12. Достоинства и недостатки метода светопропускания. 13. Как можно классифицировать виды потерь в оптических кабелях?

При проектировании линии передачи необходимо тщательно выбрать используемый кабель, исходя из частоты и расстояния между передатчиком и антенной. В данной статье предполагается, что согласование импеданса между различными компонентами было сделано максимально точно.

Всем известно, насколько важно покупать кабель с ДЕЙСТВИТЕЛЬНО низким уровнем потерь, но не каждый помнит, что -3 дБ = ½ мощности. Также важно убедиться, чтобы разница между значением возвратных потерь и затуханием была как можно большей. На самом деле, как видно на графике, неизбежно, что две кривые пересекут друг друга. С увеличением частоты кривая затухания (А) все больше приближается к кривой возвратных потерь (В). Существует точка, в которой значение затухания в дБ, а также значение возвратных потерь встречаются друг с другом. Начиная с этой частоты и выше, выходной сигнал будет нулевым, независимо от значения входной мощности.

Пример подтверждает тест на кабеле ULTRAFLEX 7, (бухта длиной 35 метров). В этих условиях сигнал уменьшается до нуля на частоте 4,2 ГГц (только при передаче). Очевидно, нецелесообразно использовать такую длину кабеля на этой частоте, но на диаграмме четко указано, что на всех частотах ниже 4,2 ГГц линия передачи работает превосходно. Увеличение длины кабеля неизбежно увеличивает затухание, так что пересечение с кривой возвратных потерь произойдет раньше (на более низкой частоте). При этом сокращение длины кабеля обеспечит должное использование его на более высоких частотах.

На следующей диаграмме видно, как возвратные потери (SRL) влияет на мощность. График иллюстрирует 50 метровую, идеально настроенную линию передачи. Используемый кабель — BROAD-PRO 50C. Красная кривая — это затухание, синяя кривая — возвратные потери. Три черные кривых — 3 значения входной мощности: 200, 500 и 1000 Вт. Как было сказано ранее, независимо от входной мощности, когда значение возвратных потерь эквивалентно значению затухания, выходного сигнала нет. Обратите внимание, что как только значение SRL увеличивается, например, из-за несоответствия импеданса, выходная мощность быстро падает. Оптимальная SRL обычно составляет порядка от -40 до -30 дБ. Увеличивая SRL до более высоких значений, т.е. приближая значения SRL к 0, эффекты потерь эволюционируют от неприятных до деструктивных. При приближении SRL к нулю, вдоль кабеля произойдет перенапряжение и перегрузка по току.