Investigation of the Infuence of Twisting Methods Multi-Pair LAN Cables on their Electrical Transmission Characteristics

Full Text

Общие положения В настоящее время в России в структурированных кабельных системах (СКС) и на сетях фиксированного широкополосного доступа (ШПД) широко используются симметричные LAN-кабели. В [1; 2] показано, что сегодня основная доля объема производства кабелей связи с медными жилами приходится на LAN-кабели (более 75 %). Прогнозам о том, что LAN-кабели доживают свое время, а их место займет оптика, уже около 30 лет. Жизнь показала, что востребованность этих кабелей не только не снижается, а наоборот - все более возрастает. Активное развитие технологий Интернета вещей открывает потребность в передаче электроэнергии по витой паре до 60 (90) Вт для экономичных и эффективных приложений PoE, а это резко увеличивает потребность в высококачественных LAN-кабелях. Сегодня наибольшим спросом пользуются малопарные кабели емкостью до четырех пар и многопарные, в основном емкостью двадцать пять пар. При изготовлении симметричных LAN-кабелей основное внимание уделяется обеспечению симметрии конструкции кабельных цепей, как в отношении геометрического расположения жил, так и в отношении однородности диэлектрических свойств изоляции. Оба эти фактора и определяют величину электрических характеристик передачи и взаимного влияния. Высококаче- ственный LAN-кабель можно изготовить только на основе применения современного технологического оборудования, оснащенного системами автоматического регулирования параметров качества кабеля, а также использованием материа- лов надежных отечественных поставщиков [3; 4]. Здесь уместно сказать, что в 2019 г. АО «Самарская кабельная компания» (СКК) приобрела для производства LAN-кабелей современное высокоскоростное импортное специализированное оборудование и освоила выпуск высококачественного кабеля. Это оборудование позволяет изготавливать пользующийся наибольшим спросом четырехпарный LAN-кабель категории 5е типа U/UTP 4×2×0,52 для передачи информации на скоростях до 1 Гбит/с с полосой пропускания до 100 МГц. Выпускаемый LAN-кабель полностью обеспечивает удовлетворение норм и требований нормативных и регламентных технических документов [5-7]. Многопарные кабели емкостью 25×2×0,52 состоят из шести четырехпарных пучков 4×2×0,52, скрученных в общий кабельный сердечник, в центре которого расположена одна пара. Скрутка многопарных кабелей осуществляется на крутильных машинах, которые отличаются многообразием конструкций. Машины, в которых вокруг оси кабельного сердечника вращается отдающее или приемное устройство, являются машинами классической однонаправленной скрутки. Машины, в которых отдающее и приемное устройства неподвижны, а вокруг оси кабельного сердечника вращается самостоятельный крутильный узел, - это машины разнонаправленной скрутки. Часто их называют машинами SZ (левая, правая)-скрутки. Машины однонаправленной скрутки предлагают геометрически однородный кабельный сердечник, что важно для обеспечения величины и стабильности электрических характеристик кабеля. Однако они имеют относительно низкую производительность. Машины SZ-скрутки более скоростные, однако в месте изменения направления скрутки образуются нескрученные участки, то есть геометрические неоднородности. В этой связи возникает практический интерес в исследовании влияния методов скрутки многопарных LAN-кабелей на их элек- LAN-кабелей на их электрические характеристики. Этим вопросам и посвящена настоящая статья. Результаты измерения электрических характеристик передачи LAN-кабелей Прежде чем проводить анализ влияния методов скрутки многопарных LAN-кабелей на их электрические характеристики, необходимо сказать следующее. Для этих кабелей специалистами ВНИИКП разработан ГОСТ Р 54429-2011 «Кабели связи симметричные для цифровых систем передачи. Общие технические условия» [5], в основу которого положен международный стандарт ISO/IEC 11801 [6]. В данном ГОСТ приведены нормы на электрические характеристики LAN-кабелей, применяемых в СКС и на сетях ШПД, которые взяты за основу при разработке Технического регламента Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС-004-2011) [7]. Эти нормы на электрические характеристики LAN-кабелей взяты за основу и при проведении анализа в настоящей статье. Таблица. Низкочастотные характеристики кабеля R, Ом/км ∆R, % C, нФ/км е, пФ/км Rср σ ∆Rср σ Сср σ еср σ 84,4 1,13 0,04 0,33 48,21 1,25 40 106 Рассмотрим основные электрические характеристики передачи кабеля типа U/UTP cat 5e производства АО «СКК» емкостью 4×2×0,52 и 25×2×0,52. Многопарные кабели емкостью 25×2×0,52 были изготовлены на крутильной ма- шине однонаправленной скрутки с откруткой и на машине SZ-скрутки. Электрические характеристики определены с использованием стационарной измерительной системы AESA-9500. Низкочастотные характеристики пере-дачи. К низкочастотным характеристикам передачи относятся: электрическое сопротивление медных жил постоянному току R - не более 80-95 Ом/км; омическая асимметрия жил в рабочей паре ∆R - не более 2 %; рабочая емкость С - не более 56 нФ/км; емкостная асимметрия рабочей пары е - не более 1600 пФ/км. Для анализа электрических характеристик было взято 10 протоколов испытаний кабеля стандартной длиной 305 м, которые поставляются заказчику вместе с кабелем. Результаты измерения низкочастотных характеристик отдельных пар кабеля статистически обработаны, с учетом того что они подчиняются нормальному закону распределения и характеризуются статистическим средним значением и среднеквадратическим отклонением от среднего значения [8; 9]. Результаты статистической обработки приведены в таблице. Проводя анализ статистических данных результатов измерения низкочастотных характеристик передачи интегрально, можно сказать, что исследуемый кабель полностью отвечает требованиям указанного выше ГОСТ. Сопротивление медных жил близко к минимальному допуску и очень стабильно; омическая асимметрия практически на порядок меньше допустимых 2 %; рабочая емкость заметно меньше максимально допустимого значения; емкостная асимметрия как минимум в 5 раз меньше (лучше) допустимой величины. При этом, как и следовало ожидать, низкочастотные характеристики кабелей емкостью 4×2×0,52 и 25×2×0,52 практически не отличаются. Высокочастотные характеристики пере-дачи. К основным высокочастотным характеристикам передачи относятся: коэффициент затухания, α, дБ/100 м; волновое сопротивление Zc, Ом; возвратные потери (Return Loss), дБ/100 м; время задержки сигнала τр, нс/100м; максимальная разность времени задержки сигнала между любыми парами ∆tp, нс/100 м. Проведенный анализ результатов измерения высокочастотных характеристик кабелей емкостью 4×2×0,52, проведенный по 10 протоколам заводских испытаний, позволяет отметить, что нормы на все указанные характеристики выполняются, и даже с определенным запасом. Анализ результатов измерения многопарного кабеля емкостью 25×2×0,52, изготовленного по технологии однонаправленной скрутки с откруткой, показал, что все высокочастотные характеристики, кроме возвратных потерь Return Loss, отвечают нормам кабеля категории 5е. Возвратные потери Return Loss оказались несколько ниже требований категории 5е, однако они соответствуют нормам категории 5. Совсем другая картина относительно кабеля, изготовленного по технологии SZ-скрутки. Здесь нормам кабеля категории 5е отвечают: коэффициент затухания α; время задержки сигнала τр и максимальная разность времени задержки сигнала между любыми парами ∆tp. Кабелю, изготовленному по технологии SZ-скрутки, присущи равномерно распределенные по строительной длине неоднородности, поэтому чувствительные к ним волновое сопротивление Zc, и возвратные потери (Return Loss) имеют сильно изрезанные частотные характеристики и не отвечают установленным нормам. На рисунках 1, 2 для сравнения показаны частотные характеристики волнового сопротивления и возвратных потерь многопарных кабелей емкостью 25×2×0,52 соответственно, изготовленных по технологии однонаправленной и SZ-скруток. Для оценки влияния методов скрутки многопарных LAN-кабелей на их электрические характеристики был проведен анализ крутильных машин. Этот анадиз показал, что для скрутки многопарных LAN-кабелей из четырехпарных пучков следует применять только машины классической однонаправленной скрутки с откруткой. Обусловлено это тем, что однонаправленная скрутка обеспечивает геометрически более однородный кабельный сердечник. В результате выполняются нормы на электрические характеристики кабеля, в первую очередь на наибодее чувствительные к неоднородностям волновое сопротивление, возвратные потери и переходные затухания на ближнем и дальнем концах. Здесь уместно отметить, что в многопарных кабелях эти электрические характеристики несколько ниже, чем в четырехпарных. Все это говорит о необходимости уделять особое внимание технологии скрутки многопарных LAN-кабелей из высокооднородных четырехпарных пучков. Следует минимизировать механические воздействия на кабельный сердечник при его скрутке на крутильных машинах. Эти условия наиболее оптимально выполняются при использовании рамочных крутильных машин. В настоящее время рамочные крутильные машины для однонаправленной скрутки являются основными машинами для скрутки сердечников LAN-кабелей. Обусловлено это отсутствием тяжелых вращающихся масс. Частота вращения относительно легкой малоинерционной крутильной рамки ограничивается лишь ее конструктивной прочностью и может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту, что обеспечивает высокую линейную скорость скрутки [10]. Рисунок 1. Частотные характеристики волнового сопротивления кабеля U/UTP 25×2×0,52, изготовленного по технологии: а - однонаправленная скрутка; б - SZ-скрутка Рисунок 2. Частотные характеристики возвратных потерь кабеля U/UTP 25×2×0,52, изготовленного по технологии: а - однонаправленная скрутка; б - SZ-скрутка Заключение Выводы по результатам настоящей статьи сводятся к следующему. 1. Высокая геометрическая и структурная однородность изолированных жил, а также применение современного высокоскоростного специализированного оборудования скрутки пар обеспечивают высокие параметры передачи четырехпарного LAN-кабеля категории 5е. 2. Технология SZ-скрутки при изготовлении многопарных кабелей неприемлема, так как по причине равномерно распределенных по строительной длине неоднородностей чувствительные к ним волновое сопротивление и возвратные потери имеют сильно изрезанные частотные характеристики и не отвечают установленным нормам. 3. С целью минимизации механических воздействий и геометрических неоднородностей для скрутки кабельного сердечника из четырехпарных пучков рекомендуется использовать рамочные крутильные машины однонаправленной скрутки с откруткой.

About the authors

R. V Andreev

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: inkat@inbox.ru
Samara, Russian Federation

V. B Popov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: inkat@inbox.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files