Введение

Индуктор в линии передачи

Загрузочная катушка или катушка нагрузки – это индуктор, который вставляется в электронную схему для увеличения её индуктивности. Термин возник в XIX веке для индукторов, использовавшихся для предотвращения искажения сигнала в телеграфных кабелях дальней связи. Этот термин также применяется к индукторам в радиоантеннах или между антенной и её линией питания, чтобы сделать электрически короткую антенну резонансной на рабочей частоте. Концепция загрузочных катушек была открыта Оливером Хевисайдом при изучении проблемы низкой скорости передачи сигналов первого трансатлантического телеграфного кабеля в 1860-х годах. Он пришел к выводу, что необходима дополнительная индуктивность для предотвращения искажения амплитуды и временной задержки передаваемого сигнала. Математическое условие для передачи без искажений известно как условие Хевисайда. Предыдущие телеграфные линии были наземными или короче, и, следовательно, имели меньшую задержку, поэтому потребность в дополнительной индуктивности была не столь велика. Подводные коммуникационные кабели особенно подвержены этой проблеме, но в начале XX века установки с использованием сбалансированных пар часто непрерывно нагружались железной проволокой или лентой, а не дискретно катушками, что позволило избежать проблем с герметизацией. Загрузочные катушки исторически также известны как катушки Пупина в честь Михаила Пупина, особенно при использовании для выполнения условия Хевисайда, а процесс их установки иногда называют пупинизацией.

Телефонные линии

Загрузочные катушки обычно применяются для улучшения частотных характеристик амплитуды звуковых частот в скрученных сбалансированных парах телефонного кабеля. Поскольку скрученная пара представляет собой сбалансированный формат, половина загрузочной катушки должна быть включена в каждую жилу пары для поддержания баланса. Как правило, обе эти обмотки формируются на одном сердечнике. Это увеличивает магнитную связь, без которой потребовалось бы увеличить число витков катушки. Несмотря на использование общего сердечника, такие загрузочные катушки не являются трансформаторами, поскольку не обеспечивают связь с другими цепями. Загрузочные катушки, периодически вставляемые последовательно с парой проводов, снижают затухание на более высоких звуковых частотах до частоты среза фильтра нижних частот, образованного индуктивностью катушек (плюс распределенной индуктивностью проводов) и распределенной емкостью между проводами. Выше частоты среза затухание быстро возрастает. Чем меньше расстояние между катушками, тем выше частота среза. Эффект среза является артефактом использования дискретных индукторов. При методах загрузки с использованием непрерывной распределенной индуктивности эффект среза отсутствует. Без загрузочных катушек частотная характеристика линии определяется сопротивлением и емкостью линии, при этом затухание плавно возрастает с частотой. При использовании загрузочных катушек с точно подобранной индуктивностью ни емкость, ни индуктивность не оказывают доминирующего влияния: частотная характеристика становится плоской, формы сигналов не искажаются, а характеристический импеданс остается резистивным до частоты среза. Случайное формирование звукового фильтра также полезно тем, что снижает уровень шума.

DSL

При использовании загрузочных катушек затухание сигнала в цепи остаётся низким для сигналов в полосе пропускания линии передачи, но быстро возрастает для частот выше частоты звукового ограничения. Если телефонная линия впоследствии используется для поддержки приложений, требующих более высоких частот, таких как аналоговые или цифровые системы передачи, или цифровая абонентская линия (DSL), загрузочные катушки необходимо удалить или заменить. Использование катушек с параллельными конденсаторами формирует фильтр с топологией m-фильтра, при этом также пропускается полоса частот выше частоты отсечения. Без удаления катушек, для абонентов, находящихся на значительном расстоянии, например, более 4 миль (6,4 км) от центрального офиса, поддержка DSL невозможна.

Системы носителей

Американские телефонные кабели начала и середины XX века имели нагрузочные катушки, установленные через каждую милю (1,61 км), обычно размещенные в кожухах, вмещающих множество катушек. Для передачи более высоких частот эти катушки требовалось удалять, однако кожухи катушек предоставляли удобные места для размещения ретрансляторов цифровых систем Т-несущих, которые могли передавать сигнал со скоростью 1,5 Мбит/с на такое расстояние. В европейских кабелях, из-за более узких улиц и высокой стоимости меди, использовались более тонкие провода и меньшие интервалы между катушками. Интервалы в один километр позволяли европейским системам передавать данные со скоростью 2 Мбит/с.

Радиоантенна

Другой тип загрузочной катушки используется в радиоантеннах. Монопольные и дипольные радиоантенны предназначены для работы в качестве резонаторов для радиоволн; мощность от передатчика, подаваемая на антенну через линию передачи, возбуждает стоячие волны напряжения и тока в элементе антенны. Для "естественного" резонанса антенна должна иметь физическую длину, равную одной четверти длины волны используемых радиоволн (или кратной этой длины, при этом обычно предпочтительны нечетные кратные). В состоянии резонанса антенна электрически ведет себя как чистое сопротивление, поглощая всю приложенную к ней мощность от передатчика. Во многих случаях, по практическим соображениям, необходимо изготавливать антенну короче резонансной длины, что называется электрически короткой антенной. Антенна, длина которой меньше четверти длины волны, представляет емкостное реактивное сопротивление для линии передачи. Часть приложенной мощности отражается обратно в линию передачи и возвращается к передатчику. Два тока одинаковой частоты, текущие в противоположных направлениях, вызывают стоячие волны в линии передачи, измеряемые как коэффициент стоячей волны (КСВ), превышающий единицу. Повышенные токи рассеивают энергию в виде тепла в проводе и могут даже перегреть передатчик. Для обеспечения резонанса электрически короткой антенны в цепь с антенной последовательно включается загрузочная катушка. Катушка рассчитана на создание индуктивного реактивного сопротивления, равного по величине и противоположного по знаку емкостному реактивному сопротивлению короткой антенны, чтобы компенсировать реактивные сопротивления. При такой нагрузке антенна представляет собой чистое сопротивление для линии передачи, предотвращая отражение энергии. Загрузочная катушка часто размещается у основания антенны, между ней и линией передачи (базовая загрузка), но для повышения эффективности излучения она иногда устанавливается вблизи середины элемента антенны (центровая загрузка). Загрузочные катушки для мощных передатчиков могут предъявлять сложные требования к конструкции, особенно на низких частотах. Радиационное сопротивление коротких антенн может быть очень низким, всего несколько Ом в диапазонах LF или VLF, где антенны обычно короткие и наиболее необходима индуктивная нагрузка. Поскольку сопротивление обмотки катушки сопоставимо или превышает радиационное сопротивление, загрузочные катушки для чрезвычайно коротких антенн должны иметь чрезвычайно низкое активное сопротивление на рабочей частоте. Для снижения потерь на скин-эффект катушка часто изготавливается из трубок или литцендрата, с однослойной обмоткой, с разнесенными витками для уменьшения сопротивления эффекту близости. Они также должны выдерживать высокие напряжения. Для снижения потерь мощности на диэлектриках катушка часто подвешивается в воздухе на тонких керамических полосках. Антенны с емкостной нагрузкой, используемые на низких частотах, имеют очень узкую полосу пропускания, поэтому при изменении частоты загрузочная катушка должна быть регулируемой для настройки антенны в резонанс с новой частотой передатчика. Часто используются вариометры.

Передача мощности в объеме

Для снижения потерь, вызванных высокой ёмкостью на линиях передачи больших мощностей на большие расстояния, в схему можно ввести индуктивность с помощью гибкой системы передачи переменного тока (FACTS), статического компенсатора реактивной мощности или статического синхронного последовательного компенсатора. Последовательную компенсацию можно рассматривать как индуктор, включенный последовательно в цепь, если он обеспечивает индуктивность этой цепи.

Джон Стоун

Джон С. Стоун работал в компании American Telephone & Telegraph Company (AT&T) и первым попытался применить идеи Хевисайда к реальным системам связи. Идея Стоуна (1896) заключалась в использовании запатентованного им биметаллического кабеля из железа и меди. Этот кабель Стоуна должен был увеличить индуктивность линии за счет содержания железа и потенциально соответствовать условию Хевисайда. Однако Стоун покинул компанию в 1899 году, и эта идея так и не была реализована. Кабель Стоуна являлся примером сплошной (непрерывной) загрузки, принцип, который впоследствии был реализован на практике в других формах, например, кабель Крарупа, о котором говорится далее в этой статье.

Джордж Кэмпбелл

Джордж Кэмпбелл был еще одним инженером AT&T, работавшим на их предприятии в Бостоне. Кэмпбеллу было поручено продолжить изучение биметаллического кабеля Стоуна, но вскоре он отказался от этой идеи в пользу использования загрузочных катушек. Его открытие было независимым: Кэмпбелл был знаком с работой Хевисайда по открытию условия Хевисайда, но не знал о предложении Хевисайда использовать загрузочные катушки для обеспечения соответствия линии этому условию. Причиной смены направления исследований стал ограниченный бюджет Кэмпбелла. Ему было сложно организовать практическую демонстрацию на реальном телефонном маршруте в рамках выделенного бюджета. Поразмыслив о том, что его искусственные модели линий использовали сосредоточенные элементы, а не распределенные параметры, характерные для реальной линии, он задумался, нельзя ли внедрить индуктивность с помощью сосредоточенных элементов вместо распределенной линии Стоуна. Когда его расчеты показали, что люки на телефонных линиях расположены достаточно близко друг к другу, чтобы установить загрузочные катушки без необходимости раскапывать маршрут или прокладывать новые кабели, он перешел к этому новому плану. Первая демонстрация использования загрузочных катушек на телефонном кабеле состоялась 6 сентября 1899 года на 46-мильном участке так называемого Питтсбургского кабеля (испытания проходили фактически в Бостоне, кабель ранее использовался для испытаний в Питтсбурге) и была проведена самим Кэмпбеллом и его помощником. Первым телефонным кабелем с загруженными линиями, введенным в коммерческую эксплуатацию, стал кабель между Ямайка-Плейн и Вест-Ньютоном в Бостоне 18 мая 1900 года. Работа Кэмпбелла над загрузочными катушками заложила теоретическую основу для его последующих исследований в области фильтров, которые оказались крайне важными для мультиплексирования с частотным разделением. Эффект обрыва сигнала в загрузочных катушках, нежелательное побочное явление, можно использовать для получения желаемой частотной характеристики фильтра.

Майкл Пупин

Майкл Пупин, изобретатель и сербский иммигрант в США, также сыграл свою роль в истории с загрузочными катушками. Пупин подал патент, конкурирующий с патентом Кэмпбелла. Этот патент Пупина датируется 1899 годом. Существует более ранний патент (1894, заявлен в декабре 1893 года), который иногда ошибочно называют патентом Пупина на загрузочные катушки, но на самом деле это нечто иное. Спутать их легко понять, поскольку сам Пупин утверждал, что впервые задумался об идее загрузочных катушек во время восхождения на гору в 1894 году, хотя в то время ничего не опубликовал на эту тему. Патент Пупина 1894 года "загружает" линию конденсаторами, а не индукторами – схема, которая подверглась критике как теоретически несостоятельная и никогда не была реализована на практике. Чтобы добавить неясности, один из вариантов конденсаторной схемы, предложенной Пупином, действительно включает катушки. Однако они не предназначены для компенсации линии каким-либо образом. Их задача – лишь восстановить постоянное токовое сопротивление линии, чтобы её можно было проверить стандартным оборудованием. Пупин утверждает, что индуктивность должна быть настолько высокой, чтобы блокировать все переменные сигналы выше 50 Гц. Следовательно, только конденсатор вносит значительный импеданс в линию, и "катушки не окажут существенного влияния на полученные результаты".

Юридическая битва

Хевсайд никогда не патентовал свою идею; более того, он не извлекал никакой коммерческой выгоды из своих работ. Несмотря на юридические споры, связанные с этим изобретением, несомненно, что Кэмпбелл был первым, кто фактически построил телефонную цепь, используя нагрузочные катушки. Также нет сомнений в том, что Хевисайд был первым, кто опубликовал свои результаты, и многие оспаривают приоритет Пупина. AT&T вела судебную тяжбу с Пупином из-за его претензий. Пупин первым запатентовал изобретение, но Кэмпбелл уже продемонстрировал его практическую работоспособность до того, как Пупин даже подал заявку на патент (в декабре 1899 года). Задержка Кэмпбелла с подачей заявки была вызвана бюрократическими проволочками внутри AT&T. Однако AT&T по глупости удалила из предложенной Кэмпбеллом патентной заявки все таблицы и графики, содержащие подробную информацию о необходимом значении индуктивности, до подачи заявки. Поскольку патент Пупина содержал (менее точную) формулу, AT&T подверглась риску обвинений в неполном раскрытии информации. Опасаясь, что судебная тяжба может завершиться признанием изобретения непатентоспособным из-за более ранней публикации Хевисайда, они решили отказаться от оспаривания и приобрести опцион на патент Пупина за ежегодную плату, чтобы AT&T контролировала оба патента. К январю 1901 года Пупину было выплачено 200 000 долларов (13 миллионов долларов в 2011 году), а к 1917 году, когда монополия AT&T прекратила свое существование и выплаты были остановлены, он получил в общей сложности 455 000 долларов (25 миллионов долларов в 2011 году).

Выгода для AT&T

Изобретение имело огромную ценность для AT&T. Теперь телефонные кабели можно было использовать на вдвое большем расстоянии, чем ранее, или, альтернативно, кабель вдвое худшего качества (и дешевле) можно было использовать на том же расстоянии. Когда руководство рассматривало вопрос о разрешении Кэмпбеллу провести демонстрацию, их инженеры оценили, что компания сможет сэкономить 700 000 долларов только на новых затратах по установке в Нью-Йорке и Нью-Джерси. По оценкам, AT&T сэкономила 100 миллионов долларов в первом квартале 20-го века. Хевисайд, с которого все началось, не получил ничего. Ему предложили небольшое вознаграждение, но он отказался, желая признания за свою работу. Он иронично заметил, что если бы его более ранняя публикация была принята во внимание, это "нарушило бы движение денежных средств в нужном направлении".

Подводные кабели

Искажение представляет особую проблему для подводных коммуникационных кабелей, отчасти из-за их большой длины, позволяющей накапливаться большему количеству искажений, но также и потому, что они более подвержены искажениям, чем открытые провода на опорах, из-за свойств изоляционного материала. Различные длины волн сигнала распространяются в материале с разной скоростью, вызывая дисперсию. Именно эта проблема с первым трансатлантическим телеграфным кабелем побудила Хевисайда изучить её и найти решение. Загрузочные катушки решают проблему дисперсии, и их первое применение на подводном кабеле было осуществлено в 1906 году компаниями Siemens и Halske на кабеле через Боденское озеро. Существует ряд сложностей при использовании загрузочных катушек с тяжелыми подводными кабелями. Выступы загрузочных катушек не могли легко проходить через оборудование для прокладки кабелей на кабельных судах, и судну приходилось снижать скорость во время прокладки катушки. Разрывы в местах установки катушек создавали напряжения в кабеле во время прокладки. Без должной осторожности кабель мог порваться, и его было бы трудно отремонтировать. Дополнительной проблемой было то, что материаловедение того времени испытывало трудности с герметизацией соединения между катушкой и кабелем, чтобы предотвратить проникновение морской воды. В случае проникновения воды кабель приходил в негодность. Непрерывная загрузка была разработана для решения этих проблем, и она также имеет преимущество в виде отсутствия частоты среза.

Кабель Краупа

Датский инженер Карл Эмиль Краруп изобрел тип кабеля с непрерывной нагрузкой, который решил проблемы, связанные с дискретными нагрузочными катушками. Кабель Крарупа состоит из железных проволок, непрерывно обмотанных вокруг центрального медного проводника, при этом соседние витки соприкасаются друг с другом. Этот кабель стал первым применением непрерывной загрузки в любом телекоммуникационном кабеле. В 1902 году Краруп опубликовал свою работу на эту тему и стал свидетелем прокладки первого кабеля между Хельсингёром (Дания) и Хельсингборгом (Швеция).

Кабель из пермалоя

Несмотря на то, что кабель Крарупа добавил индуктивность к линии, этого оказалось недостаточно для выполнения условия Хевисайда. Компания AT&T искала лучший материал с более высокой магнитной проницаемостью. В 1914 году Густав Элмен открыл пермаллой – сплав никеля и железа, подвергнутый отжигу. Оливер Э. Бакли, Х. Д. Арнольд и Элмен, все из Bell Labs, значительно повысили скорость передачи данных, предложив метод создания подводных коммуникационных кабелей с использованием пермаллоевой ленты, обернутой вокруг медных проводников. Кабель был испытан в 1923 году в ходе испытаний на Бермудских островах. Первый пермаллоевый кабель, введенный в эксплуатацию, соединил Нью-Йорк и Хорту (Азорские острова) в сентябре 1924 года. Первый трансатлантический кабель обеспечивал скорость всего две слова в минуту.

Кабель из металла

Му-металл обладает схожими магнитными свойствами с пермаллоем, но добавление меди в сплав повышает его пластичность и позволяет вытягивать металл в проволоку. Кабель из му-металла проще в изготовлении, чем кабель из пермаллоя, поскольку му-металл наматывается вокруг медного токопроводящего сердечника аналогично тому, как железная проволока наматывается в кабеле Краупа. Дополнительным преимуществом кабеля из му-металла является то, что его конструкция позволяет создавать профиль переменной нагрузки, при котором нагрузка уменьшается к концам. Му-металл был изобретен в 1923 году компанией Telegraph Construction and Maintenance Company в Лондоне, которая изначально производила кабель для Western Union Telegraph Co. Western Union конкурировала с AT&T и Western Electric Company, которые использовали пермаллой. Патент на пермаллой принадлежал Western Electric, что не позволяло Western Union его использовать.

Загрузка патча

Непрерывная загрузка кабелей обходится дорого и поэтому применяется только при абсолютной необходимости. Дискретная загрузка с использованием катушек дешевле, но имеет недостатки в виде сложных уплотнений и наличия определенной частоты среза. Компромиссным решением является патч-загрузка, при которой кабель непрерывно загружается на повторяющихся участках, а промежуточные участки остаются незагруженными.

Текущая практика

Загруженный кабель больше не представляет собой полезную технологию для подводных коммуникационных кабелей, уступив место сначала коаксиальному кабелю с электрическими линейными повторителями, а затем оптоволоконному кабелю. Производство загруженных кабелей сократилось в 1930-х годах и впоследствии было вытеснено другими технологиями после Второй мировой войны. Загрузочные катушки до сих пор можно встретить в некоторых стационарных телефонных линиях, однако в новых установках используются более современные технологии.