Симметричный двухпарный кабель связи для систем IP-видеонаблюдения

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании систем IP-видеонаблюдения и иных информационных систем со скоростью передачи не свыше 100 Мбит/с при дальности связи более 100 м.
Известна конструкция симметричного кабеля связи, содержащего одинаковые однопроволочные медные жилы в круглой диэлектрической изоляции, скрученные в пары и свободно уложенные в общей оболочке с круглым поперечным сечением, свободно охватывающей витые пары (патент US 5952607, МПК Н01В 11/02, опубл. 1999-09-14).
Недостатком известной конструкции является ее функциональная избыточность для систем IP-видеонаблюдения, сетевые интерфейсы которой используют для работы две пары, а также неудовлетворительные стоимостные параметры, обусловленные как применением четырех пар, так и наличием общей оболочки с круглым поперечным сечении, свободно охватывающей витые пары.
Известна конструкция симметричного однопарного кабеля, содержащая две одинаковые однопроволочные медные жилы в круглой диэлектрической изоляции, скрученные в пару и снабженные дополнительной S-образной полимерной пленкой, в камеры которой уложены одинаковые однопроволочные медные жилы в круглой диэлектрической изоляции, и находящиеся в общей оболочке с круглым поперечным сечением (патент RU 2370839, МПК Н01В 11/02, опубликовано: 20.10.2009).
Недостатком известной конструкции является невозможность ее применения для поддержки функционирования стандартных сетевых интерфейсов системах IP-видеонаблюдения за счет наличия только одной пары. Кроме того, наличие дополнительной S-образной полимерной пленки делает ее неудобной для подключения к широко распространенным в системах IP-видеонаблюдения оконцевателям на основе IDC-контактов за счет того, что перед подключением отдельные изолированные провода витой пары необходимо освободить от дополнительной S-образной полимерной пленки. Кроме того, общая оболочка с круглым поперечным сечением увеличивает стоимость кабеля.
Известна конструкция симметричного двухпарного кабеля, содержащая четыре одинаковые однопроволочные медные жилы в круглой диэлектрической изоляции, сцепленные по изоляции с помощью дополнительной тонкостенной перемычки, скрученные в пары с различным шагом и находящиеся в общей оболочке с овальным поперечным сечением, плотно охватывающей витые пары (Патент на полезную модель RU 102836, МПК Н01В 11/02, опубликовано: 10.03.2011). Конструкция ориентирована на применение в системах охранно-пожарной сигнализации в зданиях и сооружениях, рассчитана на передачу узкополосных аналоговых сигналов и низкоскоростных цифровых данных.
Недостатком известной конструкции является ее малая ширина полосы пропускания, которая не превышает 1 МГц. Эта величина недостаточна для использования в системах IP-видеонаблюдения, для которых необходима верхняя граничная частота полосы пропускания по меньшей мере 16 МГц. Кроме того, применение в известной конструкции пар, сцепленных по изоляции, делает ее неудобной для подключения к широко распространенным в системах IP-видеонаблюдения оконцевателям на основе IDC-контактов за счет того, что перед подключением отдельные изолированные провода витых пар необходимо отделить друг от друга по дополнительной тонкостенной перемычке.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция симметричного двухпарного кабеля, содержащая четыре одинаковые многопроволочные медные жилы в круглой диэлектрической изоляции, скрученные в пары с различным шагом в диапазоне от 50 до 200 мм и находящиеся в общей оболочке с близким к овальному поперечным сечением, плотно охватывающей витые пары (патент на полезную модель RU 159450, МПК Н01В 11/02, опубликовано: 10.02.2016).
Известная конструкция имеет ряд недостатков. Первым из них является то, что, кабель не позволяет добиться дальности связи свыше 130-140 м из-за повышенного по сравнению с известными конструкциями затухания отдельных витых пар, определяемого использованной в качестве их основы многопроволочных токопроводящих жил. Второй недостаток состоит в отсутствии возможности контроля и корректировки волнового сопротивления, которое может превышать 100 Ом, что приводит к дополнительным потерям за счет рассогласования на передающем и приемном концах линии. Третий недостаток заключается в выборе шагов скрутки в диапазоне от 50 до 200 мм, что не позволяет получить междупарное переходное затухание выше норм категории 3, задаваемых стандартом ISO/IEC 11801:2016, уменьшает верхнюю граничную частоту полосы пропускания до значения 16 МГц и сопровождается ухудшением качества передаваемого изображения. Это дополнительно ограничивает максимальную скорость передачи данных при использовании стандартных сетевых интерфейсов значением 10 Мбит/с, что недостаточно для систем IP-видеонаблюдения, требующих скорость 100 Мбит/с.
Проблема состоит в том, что сетевой интерфейс Ethernet, работающий на скорости 100 Мбит/с и подключаемый тракту на основе кабелей из витых пар, гарантированно сохраняет свою работоспособность при величине шлейфового сопротивления не свыше 25 Ом. Величина шлейфового сопротивления кабеля категории 5е, характеристики которого задаются стандартом ISO/IEC 11801, составляет 20 Ом. Таким образом, максимальная дальность связи по каналу, образованному стандартными сетевыми интерфейсами, работающими на скорости 100 Мбит/с и подключаемым к ним трактом на основе стандартного по ISO/IEC 11801 кабеля из витых пар, не превышает 120 м.
Задача состоит в том, что бы максимальная дальность связи по каналу, образованному стандартными сетевыми интерфейсами, работающими на скорости 100 Мбит/с была не менее 200 м.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, состоит в увеличении дальности связи при обеспечении скорости передачи 100 Мбит/с.
Указанный технический результат достигается в симметричном двухпарном кабеле связи для систем IP-видеонаблюдения, содержащем одинаковые однопроволочные медные токопроводящие жилы, скрученные с заданным шагом и находящиеся в общей оболочке с близкой к овальной формой, без зазора охватывающей кабель, круглую диэлектрическую изоляцию, тем, что упомянутые однопроволочные медные токопроводящие жилы заключены в круглую диэлектрическую изоляцию каждая и образуют две витые пары, которые скручены с шагом в диапазонах, соответственно, 13-14 мм и 15-16 мм, а диаметр токопроводящих жил витых пар увеличен до диапазона 0,7-0,8 мм.
Кроме того, соотношение между диаметром однопроволочной медной токопроводящей жилы и диаметром круглой диэлектрической изоляции, а также относительная диэлектрическая проницаемость материала круглой диэлектрической изоляции подобраны из условия равенства волнового сопротивления витой пары 100 Ом.
Устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана конструкция симметричного двухпарного кабеля связи для систем IP-видеонаблюдения.
На фиг. 2 приведена диаграмма примерного количественного соотношения между отдельными элементами конструкции.
На фиг. 3 приведена зависимость относительной стоимости двухпарного кабеля связи для систем IP-видеонаблюдения с волновым сопротивлением 100 Ом, содержащим одинаковые однопроволочные медные жилы 2 в круглой диэлектрической изоляции 3, скрученных в две пары 1 с различным шагом и находящихся в общей оболочке 4.
На фиг. 1 показаны позиции:
1 - витая пара с диаметром токопроводящих жил 0,7-0,8 мм;
2 - однопроволочная токопроводящая жила с шагами скрутки в диапазонах 13-14 мм и 15-16 мм;
3 - круглая диэлектрическая изоляция;
4 - общая оболочка с близким к овальному поперечным сечением.
В конструкции симметричного двухпарного кабеля использованы четыре однопроволочные токопроводящие жилы 2, которые скручены с шагом в диапазонах 13-14 мм и 15-16 мм в пары 1. Диаметр токопроводящих жил всех пар увеличен сверх 0,64 мм, разрешенных стандартом СКС. Волновое сопротивление пар 1 поддерживается равным 100 Ом за счет соответствующего подбора соотношения диаметров круглой в сечении изоляции 3 и однопроволочной токопроводящей жилы 2. Это позволяет устранить дополнительное затухание за счет рассогласования на передающем и приемном концах линии, реализуемой на 2-парном кабеле.
Симметричный двухпарный кабель связи для систем IP-видеонаблюдения обеспечивает увеличение дальности связи. Это достигается следующим образом.
Наращивание диаметра токопроводящей жилы 1 сверх 0,64 мм уменьшает шлейфовое сопротивление пар 1. Это снижает коэффициент затухания, что позволяет увеличить отношение сигнала к шуму на входе приемника сетевого интерфейса, что улучшает качество функционирования линии связи IP-видеонаблюдения или при неизменном качестве связи позволяет увеличить протяженность линии.
Одновременно уменьшение шлейфового сопротивления пар 1 позволяет увеличить дальность связи за счет того, что датчик (не показан) сетевого интерфейса срабатывает при большей по сравнению с известными конструкциями протяженности кабеля.
В предлагаемом симметричном кабеле из витых пар диаметр токопроводящей жилы всех пар увеличен до диапазона 0,7-0,8 мм, что позволяет снизить коэффициент затухания и шлейфовое сопротивление в 1,96 раза.
Соотношение между диаметром токопроводящей жилы 2 и диаметром круглой изоляции 3, которая задает расстояние между центрами токопроводящих жил 2, а также относительная диэлектрическая проницаемость материала, из которого изготовлена круглая диэлектрическая изоляция 3, подобраны таким образом, чтобы волновое сопротивление витой пары 1 было равно 100 Ом. Это позволяет устранить дополнительные потери, возникающие за счет рассогласования на передающем и приемном концах линии.
Шаги скрутки однопроволочных токопроводящих жил 2 составляют диапазоны 13-14 мм и 15-16 мм. Это позволяет увеличить верхнюю граничную частоту тракта до 100 МГц, нормируемой требованиями категории 5е, а также величину междупарного переходного затухания до значения, обеспечивающего функционирование сетевого интерфейса на скорости 100 Мбит/с с требуемым качеством.
Уменьшение коэффициента затухания, шлейфового сопротивления и отсутствие рассогласования, вносящего дополнительные потери за счет рассогласования на передающем и приемном концах линии, а также увеличение междупарного переходного затухания до уровня требований стандарта ISO/IEC 11801:2016 к категории 5е позволяют увеличить предельную дальность связи и довести ее до 235 м.
Помимо достижения основного результата симметричный двухпарный кабель связи для систем IP-видеонаблюдения обеспечивает улучшенные экономические параметры по сравнению с типовыми для современных систем IP-видеонаблюдения 4-парными кабелями категории 5е. Это достигается за счет того, что количество витых пар 1 уменьшено до двух. Это позволяет до определенных пределов увеличить диаметр токопроводящей жилы 2 без превышения стоимости типовых 4-парных кабелей категории 5е.
В конструкции симметричного двухпарного кабеля с волновым сопротивлением 100 Ом использована общая оболочка 4 с близким к овальному поперечным сечением. За счет отказа от круглого поперечного сечения сокращается расход материала на ее изготовление. Дополнительный выигрыш достигнут за счет того, что по сравнению с 4-парными кабелями категории 5е использован плотный охват оболочкой сердечника, собранного из витых пар 1.
При выборе диаметра токопроводящей жилы 2 учитывалось то, что для кабелей с количеством витых пар не свыше четырех действует соотношение между отдельными укрупненными элементами конструкции, приведенное на фиг. 2. С учетом высокомеханизированного характера производства это соотношение может быть использовано в качестве меры стоимости всего кабеля.
Зависимость относительной стоимости двухпарного кабеля связи для систем IP-видеонаблюдения с волновым сопротивлением 100 Ом, содержащим одинаковые однопроволочные медные жилы 2 в круглой диэлектрической изоляции 3, скрученных в две пары 1 с различным шагом и находящихся в общей оболочке 4, приведена на фиг. 3. Она показывает целесообразность наращивания диаметра токопроводящей жилы 2 витых пар 1 до 0,7 мм.
Дополнительно учитывалась совместимость с коммутационным оборудованием. Известно, что IDC-контакты оконцевателей розеток и вилок прямого оконцевания, применяемых при создании линии IP-видеонаблюдения, обеспечивают возможность подключения к ним однопроволочных и многопроволочных проводов витых пар диаметром вплоть до 0,8 мм. Ограничения с этой стороны не наступает.
Таким образом, за счет реализации предлагаемого технического решения достигается увеличение дальности связи. Помимо достижения основного результата достигается также уменьшение относительной стоимости двухпарного кабеля связи с волновым сопротивлением 100 Ом для систем IP-видеонаблюдения.