Конструктивные особенности витой пары
Ключевой компонент многих кабельных систем, как следует из названия, – это витая пара. Конструкция витой пары, на первый взгляд, кажется простой: две изолированные медные жилы, скрученные между собой. Однако именно эта кажущаяся простота скрывает в себе множество тонкостей, определяющих характеристики кабеля и его применимость в различных условиях. Количество витых пар в кабеле может варьироваться в широких пределах – от одной до сотни, в зависимости от его назначения. Наиболее распространенные горизонтальные кабели, используемые для структурированных кабельных систем в офисах и домах, обычно содержат четыре витых пары. Этот выбор обусловлен оптимальным соотношением пропускной способности, стоимости и удобства прокладки.
Давайте рассмотрим подробнее конструктивные элементы витой пары и их влияние на характеристики кабеля.
Современные информационно-телекоммуникационные системы (ИТС) реализуются на основе проверенной временем модели взаимодействия открытых систем. Модель OSI предполагает разбиение программно-аппаратного комплекса, который представляет собой ИТС, на ряд уровней со строго определенными функциями и правилами взаимодействия между собой. Базовый физический уровень, лежащий в основе иерархии структуры OSI, в основной массе случаев представляет собой структурированную кабельную систему (СКС) Основным типом кабеля СКС является кабель из витых пар, на основе которого формируется наиболее затратная по требуемым людским и материальным ресурсам горизонтальная подсистема структурированной проводки.
Ключевой компонент кабелей рассматриваемой разновидности, как это следует из их наименования, является витая пара, количество которых в зависимости от назначения конструкции меняется в пределах от одной до ста. В наиболее часто встречающихся горизонтальных кабелях применяется четыре пары.
В современных ИТС витая пара обеспечивает информационный обмен между различным сетевым оборудованием и поддерживает передачу тока дистанционного питания терминального оборудования по технологии группы РоЕ.
Любая витая пара представляет собой скрученную с определенным шагом пару одинаковых медных изолированных токопроводящих жил, а несколько витых пар вместе с опциональными элементами образуют кабельный сердечник, который помещают в общую оболочку. Несмотря на довольно простую структуру, витая пара, которая функционирует в частотном диапазоне вплоть до 2000 МГц и поэтому является сложным инженерным изделием, т.е. относится к полноценным высокотехнологичным продуктам.
1. Медные жилы:
Основа витой пары – это две медные жилы. Качество меди, ее чистота, диаметр и конструкция существенно влияют на электрические характеристики кабеля. Более чистая медь обладает меньшим сопротивлением, что приводит к снижению потерь сигнала и улучшению передачи данных на большие расстояния. Диаметр жилы также важен: более толстые жилы обладают меньшим сопротивлением, но делают кабель более толстым и жестким. Существуют различные типы медных жил:
Цельная медь (Solid): Используется в кабелях для стационарной прокладки. Более жесткие и менее гибкие, чем луженые.
Луженая медь (Stranded): Состоит из множества тонких медных проволочек, скрученных вместе. Более гибкие, чем цельная медь, что упрощает прокладку в труднодоступных местах. Лужение (покрытие оловом) улучшает гибкость и защищает от окисления.
Выбор типа медной жилы зависит от условий эксплуатации кабеля. Для стационарной прокладки в каналах и стенках предпочтительнее цельная медь, для подвижных соединений – луженая.
2. Изоляция:
Каждая медная жила покрыта изоляцией, которая предотвращает короткое замыкание между жилами и обеспечивает электрическую изоляцию. Материал изоляции влияет на диэлектрические свойства кабеля, его устойчивость к влаге и температуре. Часто используются полиэтилен (PE), поливинилхлорид (PVC) и другие полимерные материалы. Характеристики изоляции, такие как диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, критически важны для обеспечения качественной передачи сигнала.
Диэлектрические и изолирующие покровы проводника (иначе изоляция) выполняют две основные функции:
- Блокируют короткое замыкание токопроводящих жил, при появлении которого обмен данными и передача тока дистанционного питания на терминальное устройство по технологии РоЕ становится невозможным;
- Задают волновое сопротивление витой пары, поддержание которого является необходимым условием обеспечения требуемых передаточных параметров тракта при высокоскоростной передаче.
В подавляющем большинстве случаев изоляция имеет круглое поперечное сечение. Не осесимметричные изолирующих покровы позволяют придать витой паре дополнительные полезные свойства, но из-за малого получаемого выигрыша и высокой технологической сложности изготовления не получили широкого распространения.
От состава материала и структуры изоляции зависят диэлектрические потери, которые вносят существенный вклад в общее затухание витой пары, т.е. прямо влияют на качество передачи.
Для снижения потерь привлекаются следующие технологические приемы:
- Используется материал с минимальной диэлектрической проницаемостью (обычно полиэтилен, в кабелях промышленных СКС может применяться тефлон);
- Вспенивание материала для увеличения количества воздуха в структуре изоляции и снижения, тем самым, диэлектрических потерь;
- Применения структурирования изоляции для наращивания доли воздуха.
Структуру изоляции демонстрирует рисунок
Конструктивно и технологически наиболее простой является сплошная изоляция, однако из-за довольно высоких диэлектрических потерь применяется только в конструкциях категории 5е. Более высокие частоты требуют применения изоляции, вспененной химическим или механическим способами. Из-за относительно невысокой механической прочности вспененного материала его снабжают тонким поверхностным слоем обычного (пленко-пористая изоляция). Для улучшения изгибных свойств витой пары слой обычного материала можно нанести также на проводник, в результате чего получается пленочная пленкопористая изоляция. Структурированная изоляция изготавливается из однородного материала, демонстрирует наименьшие потери при изгибных свойствах сплошной, но является технологически наиболее сложная.
3. Скрутка:
Скручивание двух жил – ключевой аспект конструкции витой пары. Шаг скрутки (количество витков на единицу длины) подбирается таким образом, чтобы минимизировать электромагнитную помеху (EMI) и наводки. Различные шаги скрутки применяются для разных частотных диапазонов. Более плотная скрутка эффективнее подавляет помехи на высоких частотах. Неправильно подобранный шаг скрутки может привести к ухудшению качества передачи данных.
4. Внешняя оболочка:
Внешняя оболочка защищает витые пары от механических повреждений, влаги и других внешних воздействий. Материал оболочки может быть различным: PVC, полиэтилен, специальные морозостойкие материалы и другие. Выбор материала зависит от условий эксплуатации кабеля. В некоторых случаях применяется двойная оболочка для дополнительной защиты.
5. Экран:
Для дополнительной защиты от электромагнитных помех некоторые кабели оснащаются экраном. Экран может быть фольгированным или оплетенным. Фольгированный экран обеспечивает защиту от высокочастотных помех, а оплетенный – от низкочастотных. Наличие экрана повышает стоимость кабеля, но обеспечивает более надежную передачу данных в условиях сильных электромагнитных полей.
Виды витой пары:
Существуют различные категории витой пары, отличающиеся своими характеристиками и применимостью: категория 5e, категория 6, категория 6a, категория 7 и 8. Более высокие категории обеспечивают более высокую пропускную способность и частоту передачи данных. Выбор категории витой пары зависит от требований к скорости передачи данных и расстоянию передачи.
Применение витой пары:
Витая пара широко используется в различных областях:
- Локальные сети (LAN): является основным средством передачи данных в локальных сетях.
- Телефонные линии: используется для передачи телефонных сигналов.
- Системы безопасности: применяется в системах видеонаблюдения и охранной сигнализации.
- Промышленные сети: используется для передачи данных в промышленных автоматизированных системах.
Разновидности токопроводящих жил витых пар
Токопроводящая жила любой витой пары изготавливается из чистой электротехнической меди и имеет круглое поперечное сечение. Применение токопроводящих жил с любой иной структурой, например, алюминиевых с медным покрытием (т.н. “омедненка”) запрещено стандартами.
В зависимости от назначения кабеля используются как жесткие однопроволочные (в инсталляционных линейных кабелях), так и гибкие многопроволочные (в шнуровых кабелях) проводники. При этом в шнуровых кабелях для офисных СКС многопроволочный проводник набирается из семи одинаковых медных проволок, которые скручиваются по схеме “шесть вокруг одного”. В шнуровых кабелях для промышленных СКС частота изгибных воздействий на кабель потенциально гораздо больше. С учетом этой особенности проводнику придается повышенная гибкость и он формируется по многослойной схеме 1 + 6 + 12, т.е. содержит уже 19 отдельных проволок.
Разницу в структурах токопроводящих жил иллюстрирует рисунок.
Проводник витой пары имеет диаметр от 0,4 (в горизонтальных конструкциях от 0,52) до 0,64 мм и демонстрирует тенденцию к увеличению по мере роста категории кабеля.
Цветовая идентификация проводов
Цветовая идентификация отдельных проводов витых пар, которая необходима при монтаже, достигается добавлением в полиэтилен соответствующих красителей. Реже применяется нанесение на поверхность изолирующего покрытия слоя краски.
В заключение, конструктивные особенности витой пары оказывают значительное влияние на ее электрические характеристики и область применения. Правильный выбор типа кабеля с учетом его параметров является залогом надежной и эффективной работы сети. Понимание этих тонкостей помогает специалистам проектировать и устанавливать качественные и долговечные кабельные системы. Важно помнить, что маркировка кабеля, например, указание категории, производителя (например, производители из России, такие как АНКБИК) и других параметров, является ключевым фактором при выборе кабеля для конкретного применения.