Кабель для сети "средней пушистости" На сегодняшний день не существует способов передачи электромагнитной энергии на расстояние без потерь. Свести их к минимуму можно, применяя коаксиальный кабель (см. "Connect!" N. 4). Напомним - это "несимметричный" кабель, в котором один проводник (центральная жила) размещается внутри другого (оплетки или трубки, служащих экраном). Между проводниками располагается слой диэлектрика. Лучшая изоляция - это вспененный диэлектрик. По объему он состоит преимущественно из воздуха (идеального диэлектрика, не считая вакуума), минимально "армированного" для прочности твердым диэлектриком (в современных кабелях - полиэтиленом). Вдоль кабеля между проводниками, то есть в пространстве, заполненном изоляцией, распространяются электромагнитные волны, несущие информацию. Затухание электромагнитного сигнала - неизбежный недостаток коаксиального кабеля, хотя и сведенный по возможности до минимума. Причина затухания сигнала - естественные тепловые потери и рассеивание электромагнитной энергии в окружающее пространство. Последнее обстоятельство имеет неприятное следствие: создает эфирные помехи. Поэтому минимизация электромагнитных потерь остается одной из главных проблем производителей коаксиальных кабелей. В настоящее время выпускаются кабели, практически не создающие электромагнитных помех: затухание сигнала в таких кабелях обусловлено только тепловыми потерями. Но нас, в данном случае, интересуют как раз те кабели, которые значительно рассеивают электромагнитную энергию в среду. Историческая справка Впервые результаты теоретического и экспериментального исследования излучающего кабеля (ИК) как линейного тракта системы радиосвязи были опубликованы в 1956 г. Однако практическая попытка построить экспериментальную установку связи с использованием ИК была предпринята только через 10 лет - в 1966 г. в угольных шахтах Англии, а затем Бельгии, Франции и ж/д туннелях Японии. С 1970 г. можно начать отсчет внедрения в эксплуатацию систем связи на ИК на многих объектах техники, как то - угольные шахты (Шотландия), железные дороги Японии и т.д. Расширение практической сферы применения ИК позволило в апреле 1974 г. провести 1-ую Международную конференцию по системам двусторонней радиосвязи в подземных туннелях через ИК. Затем такие конференции и симпозиумы проводились практически регулярно, через 1-4 года. К последним из них можно отнести Международную конференцию в Базеле в 1994 г. (1st International Conference Tunnel Control аnd Communications). В настоящее время имеется большое количество реализованных систем радиосвязи на ИК, приведем для примера некоторые из них (известные авторам по данным зарубежных фирм): 1. Евротуннель: Франция-Великобритания; 2. Метрополитены практически всех крупнейших городов мира (Нью-Йорк, Мюнхен, Ганновер, Токио, Сеул, Буэнос-Айрес); 3. Скоростные и обычные железные дороги (Германия, Япония, Норвегия, Корея, Австралия); 4. Угле- и золотодобывающие шахты (Англия, Австралия, Франция); 5. Подземные городские центры (сотовая связь в Yeasu Undergraund Market вблизи Tokio Station, проект TRTS-Тайвань), аэропорты, гаражи, клиники и пр. 6. В отечественной практике система поездной, диспетчерской, ремонтно-технологической радиосвязи на ИК в метрополитенах: Харьков (1993 г.), Днепропетровск (1995 г.) и Москва (1996 г.). Система Бином-М для охраны важных государственных объектов (разработчик СНГП "Элерон"). В мире насчитывается свыше 20 вариантов конструктивного исполнения ИК для частот от единиц до тысяч (1700-1800 ) МГц и широким диапазоном параметров излучения и передачи электромагнитной энергии. К наиболее известным производителям излучающих кабелей относятся: кабельные заводы компании RFS kabelmetal (Германия), корпорация Andrew (США), фирмы Sumitomo и Fujukura (Япония), ОКБ КП (Россия). Свойство "плохого" коаксиального кабеля - значительно рассеивать электромагнитную энергию в эфир - некоторые производители научились использовать. Особенность этого вредного свойства состоит в том, что в отличие от антенны, электромагнитная энергия рассеивается в эфир не в одной точке или на коротком отрезке, равном длине антенны, а практически равномерно по всей длине кабеля. Это свойство можно проиллюстрировать следующим образом. Если представить, что наш глаз видит электромагнитное поле радиодиапазона, то вокруг кабеля, когда по нему передается сигнал, мы увидили бы "свечение". Это "свечение" будет тем ярче, чем большая электромагнитная энергия передается внутри кабеля и чем хуже защитные свойства экрана, то есть - чем "прозрачнее" экран. Это свойство определило появление излучающего коаксиального кабеля (правильнее было бы назвать его проницаемым коаксиальным кабелем). Фактически, такой кабель является протяженной антенной, но в отличие от всех известных антенн, излучающих электромагнитную энергию во все стороны или прямолинейно (параболические антенны), коаксиальный кабель может передавать электромагнитную энергию по любой заранее заданной траектории и создавать вдоль нее радиополе заданной конфигурации. Вторым важным свойством коаксиального кабеля является то, что он является приемо-передающей антенной, то есть может воспринимать достаточно сильное электромагнитное излучение в одной точке и равномерно распространять его по всей длине кабеля, независимо от конфигурации трассы, то есть, в некотором роде, служить своеобразным пассивным линейным или, если можно так выразиться, "криволинейным" ретранслятором. Причем, излучающий кабель может принимать и излучать электромагнитную энергию одновременно (на разных частотах). Поэтому, если воспользоваться приемо-передатчиком или радиостанцией, то перемещаясь вдоль кабеля с мобильным радиотелефоном можно находиться в едином радиопространстве. Электромагнитное излучение может подаваться в коаксиальный кабель разными способами: от достаточно сильного внешнего источника через отверстия в экранирующей поверхности кабеля (точно так же, как оно принимается из кабеля) или естественным для кабеля путем - в точке выхода. В этой точке можно поставить передатчик или приемную антенну и закачивать в кабель электромагнитные колебания. При конфигурировании радиополя возможны сочетания различных конструктивных вариантов излучающего кабеля. Например, приемную антенну можно расположить в одном месте, затем по хорошо экранированному кабелю без потерь донести электромагнитную энергию до излучающего кабеля, и, начиная от какой-то точки, равномерно ее излучать. Учитывая то, что мощность сигнала убывает пропорционально квадрату расстояния, можно варьируя мощность подаваемой в кабель энергии и подбирая свойства кабеля, определяющие интенсивность рассеивания энергии, задавать размер зоны, в рамках которой возможно информационное взаимодействие. Практически это может быть использовано, например, в подземных сооружениях с переменным сечением сообщений (туннель-зал- служебный переход-коллектор и т.п.). Находясь вне зоны информационного взаимодействия, излучаемые сигналы можно принимать только при помощи специальной, высокочувствительной (подслушивающей) аппаратуры. Большая мощность, закаченная в кабель, и слабый коэффициент рассеивания позволяют добиться большой протяженности сигнала без применения усилителей. Электромагнитное излучение, распространяющееся внутри кабеля, затухает тем меньше, чем кабель толще. Поэтому более толстый кабель обеспечивает большую протяженнность сигнала без усилителя. Кроме того, чем выше частота передаваемых электромагнитных колебаний, тем больший диаметр должен быть у кабеля для обеспечения заданных минимальных потерь. Если необходимо обеспечить больший диаметр "свечения", то нужно увеличить либо мощность, либо рассеивающие свойства кабеля (проницаемость экрана). Во втором случае, естественно, протяженность распространения сигнала уменьшится. Говоря о проницаемости кабеля важно отметить, что она зависит от частоты передаваемого сигнала и физической структуры экрана. Если по длине кабеля через равные интервалы в экране сделать отверстия, то его проницаемость на разных частотах будет различна. При изменении диаметра или шага отверстий пик проницаемости на частотной линейке сместится. Кроме того, проницаемость зависит и от формы отверстий. Поэтому, для того чтобы обеспечить хорошие излучающие или поглощающие свойства кабеля в нужном электромагнитном диапазоне, необходимо обеспечить правильную структуру экрана коаксиального кабеля. При этом учитывается следующее. Так как мощность электромагнитного сигнала по длине кабеля постепенно затухает, то для обеспечения равномерного излучения электромагнитной энергии по длине кабеля необходимо увеличивать проницаемость экрана. Это в том случае, если мы желаем добиться цилиндрической формы "свечения" (иначе "свечение" будет иметь форму морковки). Однако при равномерном цилиндрическом "свечении" сигнал, принятый где-то в середине длины кабеля, будет распространяться к его противоположным концам неравномерно. Если для нас важна равномерность распространения сигнала в противоположные стороны, то "свечение" должно иметь форму двух морковок, соединенных толстыми концами в середине кабеля. Вообще, изменяя проницаемость экрана на разных отрезках кабеля, можно задавать диаметр "свечения". Например, на каком-то отрезке при большой мощности можно создать минимальную проницаемость и обеспечить небольшое излучение, а там, где мощность будет уже меньше, но требуется больший диаметр "свечения", можно создать большую проницаемость, и так несколько раз. Более того, излучающий коаксиальный кабель на отдельных отрезках вообще может чередоваться с неизлучающим коаксиальным кабелем. Возможно использование коаксиальных кабелей и совместно с усилителями. Если электромагнитный сигнал подается внутрь коаксиального кабеля, то вся излученная энергия распространяется по его длине. Если же источник электромагнитного сигнала находится вне кабеля и кабель обладает достаточной проницаемостью, то лишь небольшая часть электромагнитной энергии проходит внутрь кабеля и далее распространяется по длине кабеля. В этих случаях бывает невозможно или нецелесообразно увеличивать мощность передатчика настолько, чтобы донести электромагнитный сигнал до нужного места по длине кабеля. Для этого разработаны специальные линейные усилители, своего рода ретрансляторы. В них происходит усиление сигнала. Как правило, это осуществляется при подаче постоянного тока по центральной жиле. Постоянный ток переносит энергию по проводнику, но не излучает ее. Этот энергетический поток в усилителе преобразуется в электромагнитный поток, соответствующий затухающему сигналу. Таким образом, при использовании внешних источников электромагнитной энергии (вне излучающего кабеля) возможно создание сетей большой протяженности за счет использования усилителей электромагнитной энергии. При увеличении частоты электромагнитного излучения "свечение" укорачивается и уменьшается в диаметре. То же наблюдается и при размещении кабеля в непосредственной близости (10-15 см) нерадиопрозрачных предметов (стена, пол и т.п.). Кроме того, равномерность "свечения" вдоль всей длины кабеля не исключает локальной бугристости "свечения" (10-20 дБ), возникающей с периодом порядка половины волны. Все эти факторы должны быть учтены при проектировании кабельной системы. Соотнося расстояние между отверстиями, их форму и размер с частотой электромагнитных колебаний, можно получить различные эффекты. Так, при высокой регулярности отверстий в экране мы, вероятнее всего, получим так называемое продольно-поверхностное излучение, когда электромагнитная энергия будет удерживаться вдоль кабеля на минимальном расстоянии от кабеля. В этом случае электромагнитная волна будет перемещаться не внутри кабеля, а снаружи. Такой кабель называется кабелем поверхностной волны. Если отверстия выполнить очень точно и разместить их определенными группами, то можно получить что-то вроде антенной решетки (точнее гребенки), мощно излучающей электромагнитную энергию. Кабель с такими отверстиями называется кабелем излученной волны. В таком кабеле поверхностная волна вредна и ее стараются свести к минимуму. На расстоянии порядка длины волны (ближняя зона) оба типа кабеля не отличимы. Теперь остановимся на том, где и как можно применить такие кабели. Коротко говоря, везде, где радиосреда существует с такими параметрами, которые не позволяют реально ее использовать. Прежде всего в туннелях, подвалах, шахтах, подземных и иных сооружениях, куда не проникают радиоволны от обычных антенн. Здесь излучающий кабель обеспечит мобильный доступ к сотовой, транковой, пейджинговой связи, радиовещанию и телевидению, служебным видам связи. На рис. 5 показаны излучающие кабели и области их применения. Излучающий кабель можно эффективно применять и на открытых пространствах, используя его свойство перемещать электромагнитную энергию преимущественно по длине. С его помощью можно создавать определенную конфигурацию с доминирующей радиосредой. Например, можно проложить коаксиальный излучающий кабель по маршруту охраны. Тогда по длине кабеля мощность электромагнитного поля будет достаточной для использования маломощной аппаратуры, а на некотором удалении от кабеля мощность электромагнитного поля будет настолько слабой, что сигнал обычная радиоаппаратура не примет. В этом случае можно говорить об относительной конфиденциальности радиосвязи. Проницаемые кабели предоставляют новые возможности для создания охранных систем: с помощью двух излучающих кабелей (передающего и принимающего), проложенных на небольшом расстоянии друг от друга, можно создавать невидимые охранные рубежи. Любой объект, оказавшийся между двумя кабелями, повлияет на структуру излучения. Изменение состояния электромагнитной среды воспримет принимающий кабель, что будет зафиксировано аппаратурой как вторжение и передано на пульт. Анализируя структуру сигнала, можно определить характер объекта (реальный или ложный нарушитель - зверь, птица) и расстояние до места нарушения по длине кабеля, а зная конфигурацию кабеля легко определить местоположение нарушителя. Еще одно применение излучающих кабелей - системы контроля за перемещением объекта по маршруту. В случае несанкционированной остановки объект срочно вызовется на связь или принимаются неотложные действия. Такое применение излучающих кабелей оправданно, например, в зонах повышенного риска - маршрутах охраны, шахтах и т.д. В заключение подведем краткий итог сказанному. Излучающие коаксиальные кабели обладают свойствами передающей и протяженной антенн. Излучающие кабели передают и излучают очень широкий спектр частот - от единиц Герц до 2000 МГц. Излучающие кабели обеспечивают дозированную подачу радиоволн в экранированные помещения со сложной геометрией (туннели, узкие кривые коридоры, шахты). Излучающие кабели позволяют одновременно и по одному кабелю передавать большое количество сигналов. Излучающие кабели позволяют создавать разветвленные кабельные сети, с помощью отводов подавать радиосигналы в боковые коридоры (тупики). По всем техническим вопросам, связанным с излучающими кабелями, обращаться к авторам по телефону: 583-54-72. Анатолий Павлов Нелли Дорезюк