Что такое волновое сопротивление коаксиального кабеля

Что такое волновое сопротивление коаксиального кабеля

50 или 75 Ом?

При равном диаметре (по внутренней изоляции) 77-омная коаксиальная линия с проводниками из меди и воздушным диэлектриком оптимизирована по минимуму коэффициента затухания, 60-омная — по наибольшему пробивному напряжению, а 30-омная — по максимальной передаваемой мощности. У коаксиальных кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией минимум потерь соответствует волновому сопротивлению 50 Ом, с пенистым полиэтиленом — 60 Ом, но все эти различия не ярко выражены и гораздо большее значение имеет качество материалов и тщательность изготовления. Поэтому при выборе волнового сопротивления кабеля достаточно руководствоваться соображениями удобства согласования.

Если выбор конкретных типов кабеля ограничен, имеет смысл просчитать, что выгоднее с точки зрения минимизации потерь: использование кабеля с высокой степенью естественного согласования сопротивлений, но с большим затуханием или менее подходящего по волновому сопротивлению, но более качественного кабеля с дополнительными согласующими цепями (учитывая дополнительные потери в этих цепях!). В ряде случаев может оказаться, что выгоднее согласиться с повышенной величиной КСВ, применив без всяких согласующих цепей имеющийся в наличии высококачественный кабель с волновым сопротивлением, отличающимся от сопротивления нагрузки.

Вот характерный пример: антенна имеет входное сопротивление 50 Ом на резонансной частоте. В нашем распоряжении есть 50-омный кабель, который при требуемой длине имеет собственные потери (при КСВ=1) на рабочей частоте 2 дБ, и 75-омный с потерями 0,5 дБ при тех же условиях.

Используя кабель 75 Ом, получим КСВ=1,5 на резонансной частоте. Дополнительные потери из-за рассогласования не превысят 0,1 дБ. При отходе от резонансной частоты, даже если КСВ поднимется до 4, дополнительные потери не станут больше 0,5 дБ. Таким образом, с этим 75-омным кабелем суммарные потери составят от 0,6 до 1 дБ.

Если с 50-омным кабелем КСВ на краю рабочего диапазона частот поднимется только до 2, то дополнительные потери станут 0,3 дБ. В итоге, с имеющимся 50-омным кабелем суммарные потери будут в пределах 2 — 2,3 дБ.

Выигрыш, благодаря использованию "неправильного" 75-омного кабеля вместо "правильного" 50-омного, в данном случае будет приблизительно такой же, какой могло бы дать, например, удлинение антенны Yagi примерно на треть!

Дополнительная согласующая цепь между антенной и фидером 50/75 Ом вполне может внести потери порядка 0,5 дБ. Если мы с ее помощью попытаемся улучшить КСВ в 75-омном фидере, то получим суммарные потери от 1 до 1,2 дБ (полагая, что так КСВ не поднимется выше 2 на краях диапазона) — то есть не уменьшим, а увеличим потери на 0,2 — 0,4 дБ. Но они будут все же значительно ниже, чем при применении 50-омного кабеля с большими собственными потерями.

Важно только иметь в виду, что при любом рассогласовании, как с одним, так и с другим кабелем, передатчик "видит" на конце кабеля комплексное сопротивление, которое может значительно отличаться и от волнового сопротивления фидера, и от входного сопротивления антенны. Чтобы передатчик смог отдать в фидер расчетную мощность, его выходные цепи должны быть настроены соответствующим образом.

Коаксиальный кабель — практические советы

1) При строительстве антенн нельзя экономить на кабеле. Дешевый некачественный кабель легко может "съесть" весь выигрыш от хорошей антенны. Самое неприятное здесь в том, что если затухание в кабеле велико, антенна может выглядеть на первый взгляд даже лучше, чем с хорошим кабелем: КСВ в начале фидера (около передатчика) низкий в широкой полосе, на прием — шумов из эфира не много, а диаграмма направленности у поворотной антенны сохраняется. Только не всегда хватает имеющейся мощности передатчика, чтоб дозваться DX ‘а …

Именно так может сложиться ситуация, когда на простой диполь с хорошим кабелем даже при далеком от идеального согласовании будут отвечать лучше, чем на хорошую Yagi при КСВ = 1.

Слишком толстым кабель не бывает!

2) Кабель с полиэтиленовой изоляцией в течение 10-20 лет может сильно состариться, даже при хранении в идеальных условиях. Старение выражается в значительном увеличении потерь. Иногда также возникают трещины на наружной оболочке.

Если планируется использовать кабель, со дня выпуска которого прошло более 5-7 лет, следует предварительно измерить его затухание на рабочей частоте и тщательно осмотреть его наружную оболочку. Кабель, который уже использовался вне помещения (даже недолго), надо проверять обязательно. Время от времени, если есть возможность, полезно проверять потери в фидерах действующих антенн.

3) Популярно мнение, что кабель с фторопластовой изоляцией имеет меньшие потери, чем с полиэтиленовой. Но достаточно сравнить их паспортные данные, чтобы убедиться, что по погонному затуханию эти два вида кабелей при равных диаметрах практически равноценны.

Достоинством фторопластовой изоляции является лучшая термостойкость и стабильность параметров во времени. К сожалению, большинство кабелей с ленточной фторопластовой изоляцией не предназначено для наружной прокладки и уличная влага их быстро портит.

4) Влага, прон икшая внутрь кабеля, увеличивает потери и понижает его волновое сопротивление, а со временем необратимо его портит. Конец кабеля и места его сростки, находящиеся на открытом воздухе, следует тщательно герметизировать силиконовым герметиком (никакая изолента здесь не поможет) и термоусаживаемыми трубками. Около точки присоединения к клемме или разъему антенны кабель следует изогнуть в виде петли так, что его конец приходил бы к месту присоединения не снизу вверх, а сверху вниз, чтобы избежать затекания в него дождевой воды, если нарушится герметизация.

5) Кабель лучше всего прокладывать по северной стороне антенной мачты, здания, и вообще такими путями, где он меньше открыт прямым солнечным лучам.

Особенно это важно для кабелей, имеющих оболочку не черного цвета. Солнечный ультрафиолет рано или поздно разрушает наружную оболочку, а как только в ней появилась хоть одна микротрещина — влага проберется внутрь незамедлительно.

Коаксиальный кабель с почти любым волновым сопротивлением

Если есть в распоряжении 150-омный коаксиальный кабель, например РК-150-7, в котором центральная жилка свободно пропущена в воздушном канале полиэтиленовой изоляции (обычно эта жилка для сохранения центровки бывает зигзагообразно изогнута, но свободно скользит внутри кабеля), то продернуть вместо нее провод другого диаметра не представляет труда. Таким образом можно получить кусок кабеля с любым нестандартным волновым сопротивлением от 40 до 180 Ом. Для центровки, если понадобится, на провод следует насадить (не слишком часто, а для УКВ — и на не слишком равных расстояниях друг от друга) бусинки из фторопласта, полистирола или полиэтилена, зафиксировав их на проводе соответствующим клеем.

Определить полученное волновое сопротивление легко — достаточно измерить индуктивность короткозамкнутого отрезка кабеля и его же емкость при незамкнутом конце: W = (L/C) 1/2 .

Можно даже сделать плавный согласующий коаксиальный переход от 40…70 Ом на 50…180 Ом. Для этого нужно продернуть провод переменного сечения, например, многожильный с постепенным уменьшением количества жил к высокоомному концу. Разумеется, все места, где более короткие жилки заканчиваются, а более длинные продолжаются, необходимо пропаять и сгладить. Если такой переход сделать достаточно длинным (порядка 0,5 — 2 наибольшей рабочей длины волны) и с экспоненциальным изменением его волнового сопротивления по длине, то можно получить очень высокую степень согласования в широком диапазоне частот.

Целый ряд низких нестандартных значений волнового сопротивления можно получить и другим путем. Многим, вероятно, известно, что соединяя параллельно два отрезка кабелей по 75 Ом одинаковой электрической длины, получим экранированную линию с волновым сопротивлением 37,5 Ом, а два по 50 Ом — 25 Ом. Но не все, наверное, знают, что точно так же можно параллелить и кабели с разным волновым сопротивлением, причем любое число и в любых сочетаниях. Результирующее волновое сопротивление полученной линии вычисляется по такому же правилу, как и для резисторов. Важно только, чтобы электрическая длина всех отрезков была идентична. Таким образом, например, соединив параллельно 75-омный и 50-омный отрезки, получим 30-омную линию.

Фазирующая линия для активного питания элементов Log-Yag или KLM

Открытая двухпроводная линия подвержена погодным влияниям, близко расположенные конструктивные элементы антенны тоже влияют на ее работу, и эти влияния трудно прогнозировать при расчетах. Во многих случаях волновое сопротивление фазирующей линии требуется около 70 — 180 Ом, но сопротивление двухпроводной линии ниже 200 Ом трудно реализовать, а полосковая линия конструктивно не очень удобна.

Удобная симметричная экранированная линия получается из двух коаксиальных, расположенных физически параллельно, а электрически включенных последовательно (волновое сопротивление линии при этом удваивается). Но, из-за укорочения длины волны в кабеле, для сохранения требуемого набега фазы физическая длина кабеля получается меньше, чем расстояние между соединяемыми элементами антенны.

Для решения этой задачи можно использовать не перекрещенную линию на половину волны длиннее, чем расстояние между элементами (все длины — с учетом коэффициента укорочения используемого кабеля). Тогда физическая длина линии будет больше, чем расстояние между соединяемыми элементами антенны, а набег фазы в ней окажется равным набегу фазы волны между элементами антенны в воздухе плюс 180 градусов. Перекрещивание проводов линии делать не нужно, так как оно требовалось именно для поворота фазы на 180 градусов.

Центральные жилы двух кабелей присоединяются к клеммам разрезных вибраторов, а оплетки соединяются между собой на обоих концах, но никуда не подключаются. Тем, кто привык к использованию только коаксиальных линий, это может показаться странным, но в данном случае у нас симметричная экранированная линия, экран которой имеет нулевой потенциал. Если используются петлевые вибраторы, экран линии можно присоединять к центрам их сплошных трубок, а если несимметричный фидер присоединяется к первому питаемому элементу через BALUN, имеющий клемму с нулевым потенциалом (средний вывод), например, симметрирующий трансформатор на ферритовом кольце или полуволновое U-колено, то экран симметричной линии соединяется с этой клеммой.

Читайте также:  Какая форма листа у дуба

Стоомная линия из пары кабелей по 50 Ом может неплохо подойти для получения входного сопротивления антенны 33 — 50 Ом, а 150-омная линия из пары кабелей по 75 Ом — для получения входного сопротивления 50-75 Ом. Используя самодельный коаксиальный кабель 40 — 100 Ом (изготовленный из 150-омного) можно получить симметричную линию от 80 до 200 Ом. Если нужно волновое сопротивление симметричной линии ниже 80 — 100 Ом, можно соединять кабели попарно впараллель. Запас физической длины позволяет корректировать сдвиг фазы в линии (этот параметр целесообразно предварительно попытаться немного варьировать при компьютерном моделировании).

Продевание кабеля в длинный шланг

Ватный тампон с привязанной к нему тонкой рыболовной леской легко засасывается пылесосом даже через очень длинный ребристый шланг и даже тогда, когда он еще свернут в бухту. Нужно только достаточно герметично присоединить конец шланга к пылесосу, подобрать размер клочка ваты и обеспечить легкое разматывание лески с катушки. Для увеличения тяги можно вынуть из пылесоса пылевой фильтр. Тонкой леской продергиваем в шланг проволоку или толстую леску, а ей — и сам кабель. Мне приходилось таким образом легко надевать на кабель защитный шланг длиной около 100 м.

Увеличение допустимой мощности эквивалента нагрузки

И недостаток иногда можно обратить в достоинство. Неизбежное зло — затухание в коаксиальных кабелях — можно использовать для поглощения ими части мощности, если имеющийся эквивалент нагрузки ее не вмещает. Из имеющихся запасов коаксиального кабеля с соответствующим волновым сопротивлением надо соcтавить (если и временно — то все равно аккуратно) максимально длинную "змею". Начало линии — наиболее толстый кабель, к концу — тоньше и тоньше. Конец последнего отрезка нагружаем на имеющийся маломощный эквивалент. Особенно эффективно такой аттенюатор действует на УКВ.

Антенный провод

Когда для изготовления антенн приходится использовать провод из неизвестного материала, полезно убедиться, что это хороший проводник на ВЧ. Оценивать возможные потери я предлагаю следующим образом. Изготовить две совершенно идентичные по конструкции катушки индуктивности — одну из проверяемого провода, другую — из медного эмалированного (или иного, который принимаем за эталон). Нужно принять все меры, чтобы конструкция катушек обеспечивала их максимальную добротность. Образцы исследуемых проводов следует предварительно "состарить" на открытом воздухе, чтобы их поверхности были покрыты слоем таких же веществ (коррозией), которые со временем появятся в процессе эксплуатации антенны. С помощью Q-метра или иным способом измерить добротность полученных катушек на рабочей частоте будущей антенны. Сравнив измеренные величины, можно судить о разнице омических потерь в проводах. С учетом всех прочих потерь (особенно в земле) можно вычислить изменение общего КПД антенны, вызванного применением данного материала вместо эталонного.

Капроновые оттяжки

Плохая репутация оттяжек из капрона не обоснована. Все хорошо на своем месте. Где статические нагрузки невелики, а имеются в основном динамические — там плетеные (а не просто витые!) капроновые тросы достаточного сечения служат надежно. Важно только, чтобы они ни обо что не терлись и чтобы были правильно заделаны в местах крепления. Но чтобы они не вытягивались, их надо заранее готовить: дать им вытянуться и "задубеть" на открытом воздухе под солнцем и дождем в течение не менее 2-3 недель (дольше — лучше). Достаточно просто развесить их в удобном месте с сильным натягом. Если есть где повесить вертикально — то с грузом на конце, если горизонтально — то груз прикрепить к свободно катающемуся по капрону ролику. Желательно, чтобы за время "тренировки" веревки несколько раз вымокли и высохли.

Особенности кевлара

Кевлар — хороший материал для оттяжек, но его нельзя использовать на открытом воздухе без надежного защитного покрытия от ультрафиолетового излучения солнца. Оттяжки из голого кевларового волокна даже под нашим северным солнцем превращаются в гнилую солому за 4-5 лет. Будучи, в принципе, чрезвычайно прочным на разрыв, шнур из кевларового волокна совершенно не стоек к истиранию, а также не допускает завязывания узлов — под нагрузкой он сам себя перерезает.

НОВОСТИ ФОРУМА
Рыцари теории эфира
01.10.2019 — 05:20: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education ->
[center][Youtube]69vJGqDENq4[/Youtube][/center]
[center]14:36[/center]
Osievskii Global News
29 сент. Отправлено 05:20, 01.10.2019 г.’ target=_top>Просвещение от Вячеслава Осиевского — Карим_Хайдаров.
30.09.2019 — 12:51: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education ->
[center][Ok]376309070[/Ok][/center]
[center]11:03[/center] Отправлено 12:51, 30.09.2019 г.’ target=_top>Просвещение от Дэйвида Дюка — Карим_Хайдаров.
30.09.2019 — 11:53: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education ->
[center][Youtube]VVQv1EzDTtY[/Youtube][/center]
[center]10:43[/center]

интервью Раввина Борода https://cursorinfo.co.il/all-news/rav.
мой телеграмм https://t.me/peshekhonovandrei
мой твиттер https://twitter.com/Andrey54708595
мой инстаграм https://www.instagram.com/andreipeshekhonow/

[b]Мой комментарий:
Андрей спрашивает: Краснодарская синагога — это что, военный объект?
— Да, военный, потому что имеет разрешение от Росатома на манипуляции с радиоактивными веществами, а также иными веществами, опасными в отношении массового поражения. Именно это было выявлено группой краснодарцев во главе с Мариной Мелиховой.

[center][Youtube]CLegyQkMkyw[/Youtube][/center]
[center]10:22 [/center]

Доминико Риккарди: Россию ждёт страшное будущее (хотелки ЦРУ):
https://tainy.net/22686-predskazaniya-dominika-rikardi-o-budushhem-rossii-sdelannye-v-2000-godu.html

Завещание Алена Даллеса / Разработка ЦРУ (запрещено к ознакомлению Роскомнадзором = Жид-над-рус-надзором)
http://av-inf.blogspot.com/2013/12/dalles.html

[center][b]Сон разума народа России [/center]

[center][Youtube]CLegyQkMkyw[/Youtube][/center]
[center]10:22 [/center]

Доминико Риккарди: Россию ждёт страшное будущее (хотелки ЦРУ):
https://tainy.net/22686-predskazaniya-dominika-rikardi-o-budushhem-rossii-sdelannye-v-2000-godu.html

Завещание Алена Даллеса / Разработка ЦРУ (запрещено к ознакомлению Роскомнадзором = Жид-над-рус-надзором)
http://av-inf.blogspot.com/2013/12/dalles.html

[center][b]Сон разума народа России [/center]

Существует стойкое предубеждение и, можно даже сказать, заблуждение многих людей относительно высокочастотных кабелей. Меня, как разработчика антенн, являющегося одновременно и руководителем фирмы по их производству, постоянно одолевают этим вопросом. Попытаюсь раз и навсегда поставить точку в этом вопросе и закрыть тему применения 75 Ом кабелей вместо 50 Ом для целей передачи сигналов небольшой мощности. Я постараюсь не утруждать читателя сложными терминами с формулами, хотя некоторый минимум математики все же необходим для понимания вопроса.

В низкочастотной радиотехнике для передачи сигнала с заданными параметрами ток-напряжение нужен проводник, обладающий некоторыми свойствами изоляции от окружающей среды и погонным сопротивлением, таким, чтобы в точке приема НЧ сигнала мы получили достаточный для последующей обработки сигнал. Иными словами любой проводник обладает сопротивлением, и желательно, чтобы это сопротивление было как можно меньше. Это простое условие для техники низких частот. Для сигналов с малой передаваемой мощностью нам достаточно тонкого провода, для сигналов с большой мощностью мы должны выбирать более толстый провод.

В отличие от низкочастотной радиотехники, в технике высоких частот приходится учитывать много других параметров. Несомненно, как и в НЧ технике, нас интересует передаваемая по среде передачи мощность и сопротивление. То, что на низких частотах мы обычно называем сопротивлением линии передачи, на высоких частотах называют потерями. На низкой частоте потери, прежде всего, определяются собственным погонным сопротивлением линии передачи, тогда как на ВЧ появляется, так называемый, Скин-эффект. Скин-эффект – приводит к тому, что ток, вытесняемый высокочастотным магнитным полем течет лишь по поверхности проводника, вернее в его тонком поверхностном слое. Из-за чего эффективное сечение проводника, можно сказать, уменьшается. Т.е. при равных условиях для прокачки одной и той же мощности на низкой частоте и высокой требуются провода разного сечения. Толщина скин-слоя зависит от частоты, с увеличением частоты толщина скин-слоя уменьшается, что приводит к потерям большим, нежели на более низких частотах. Скин-эффект присутствует при переменном токе любой частоты. Для наглядности приведу некоторые примеры.

Так для тока частотой 60 герц, толщина скин-слоя составляет 8,5 мм. А для тока 10 МГц тощина скин-слоя составит всего 0,02 мм. Не правда ли разительная разница? А для частот 100, 1000 или 2000 МГц, толщина проводящего слоя будет и того меньше! Не вдаваясь в математику, скажу, что толщина скин-слоя зависит, прежде всего от удельной проводимости проводника и частоты. Поэтому для передачи максимально большей мощности на ВЧ нам нужно брать кабель с наибольшей площадью поверхности центральной жилы. При этом учитывая, что на СВЧ толщина скин-слоя мала нам вовсе необязательно использовать цельный медный кабель. Разницы от использования кабеля со стальным центральным проводником покрытым тонким слоем меди вы вероятно даже не заметите. Разве что он будет более жестким на изгиб. Разумеется, что желательно наличие более толстого слоя меди на стальном проводнике. Использование цельного медного кабеля имеет, конечно, преимущества, он более гибкий, по нему можно передавать большую мощность на более низких частотах. Также зачастую по коаксиальному кабелю передают напряжение питания постоянного тока предусилителей, и тут также вне конкуренции медный кабель. Но для передачи небольшой мощности не более 10-200 мВт на СВЧ с экономической точки зрения, более оправданным будет применение именно омедненного кабеля. Будем считать, что вопрос выбора между омедненными и медными кабелями закрыли.

Для понимания различия кабелей в волновом сопротивлении, я не стану рассказывать, что такое волновое сопротивление кабеля. Как ни странно, это не нужно для понимания разницы. Для начала разберемся, почему существуют кабели с разными волновыми сопротивлениями. Прежде всего, это связанно с историей становления радиотехники. На заре радиотехники выбор изолирующих материалов для коаксиальных кабелей был сильно ограничен. Это сейчас мы нормально воспринимаем наличие огромного ряда пластиков, вспененных диэлектриков, резины со свойствами проводников или керамики. 80 лет назад ничего этого не было. Была резина, полиэтилен, парафин, бакелит, в 30-х годах изобретен фторопласт (он же тефлон). Волновое сопротивление кабелей определяется соотношением диаметров центрального внутреннего проводника и внешнего диаметра кабеля.

Читайте также:  Как одеваются чехлы на кресло

Ниже приведена номограмма.

Толщина центрального проводника определяется его способностью пропускать наибольшую мощность. Внешний диаметр выбирается в зависимости от используемого диэлектрика – заполнителя находящегося между двумя проводниками. Используя номограмму становится понятно, что диапазон удобных для промышленного изготовления волновых сопротивлений кабелей лежит в пределах 25 – 100 Ом.

Итак, один из критериев – технологичность изготовления. Следующим критерием является максимальная передаваемая мощность. Опустив математику сообщу, что для передачи максимальной мощности с использованием наиболее широко распространенных диэлектриков оптимально волновое сопротивление в диапазоне 20-30 Ом. В тоже время минимальному затуханию соответствуют волновые сопротивления 50-75 Ом. Причем кабели с волновым сопротивлением в 75 Ом имеют меньшее затухание, чем кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Становится более-менее понятно, что для передачи малых мощностей выгоднее использовать 75 Ом кабель, а для передачи большой мощности — 50 Ом.

Теперь считаю необходимым рассмотреть менее важный вопрос о согласовании линии передачи. Попытаюсь просто ответить на вопросы о том, можно ли подключить 75 Ом кабель вместо 50 Ом.

Понимание вопросов согласования требует специальных познаний в радиотехнике. Поэтому ограничимся лишь констатацией фактов. А факты таковы, что для передачи сигнала с наименьшими потерями внутреннее сопротивление источника сигнала должно быть равным волновому сопротивлению кабеля. В тоже время волновое сопротивление кабеля должно быть равным волновому сопротивлению нагрузки. Иными словами источник сигнала – передатчик, нагрузка – антенна. Разберем несколько ситуаций, в которых для упрощения будем считать кабель идеальным без потерь, и передаваемая по кабелю мощность небольшая — до 100-200 милливатт (20 dBm).

Рассмотрим ситуацию, когда выходное волновое сопротивление передатчика 50 Ом, мы подключаем к нему 50 Ом кабель и 75 Ом антенну. В этом случае потери составят 4% от выходной мощности. Много ли это? Ответ неоднозначный. Дело в том, что в ВЧ радиотехнике оперируют в основном логарифмическими величинами, приведенными к децибелам. И если 4% перевести в децибелы, то потери в линии составят всего 0,18 дБ.

Если мы подключаем передатчик с 50 Ом выходом к 75 Ом кабелю и далее к 50 Ом антенне. В этом случае теряется 8% мощности. Но приведя это значение к децибелам, выясняется, что потери составят всего лишь 0,36 дБ.

Теперь рассмотрим типовые затухания кабелей для частоты 2000 МГц. И сравним, что лучше применить: 20 метров кабеля 75 Ом или 20 метров кабеля 50 Ом.

Затухание на 20 метрах для известного дорогого кабеля марки Radiolab 5D-FB составляет 0,3*20= 6 дБ.

Затухание на 20 метрах для качественного кабеля Cavel SAT703 составляет 0,29*20= 5,8 дБ.

Учтя потери на рассогласовании – 0,36 дБ, мы получим, что выигрыш от применения 50 Ом кабеля составляет всего 0,16 дБ. Это примерно соответствует 2-м лишним метрам кабеля.

А теперь сравним цену. 20 метров кабеля Radiolab 5D-FB стоят в лучшем случае примерно 80*20=1600 руб. В тоже время 20 метров кабеля Cavel SAT703 стоит 25*20=500 руб. Разница в цене 1100 руб. весьма ощутимая. К достоинствам 75 Ом кабелей можно отнести также легкость их разделки, доступность разъемов.

Коаксиальный кабель характеризуется следующими электрическими показателями:

  • полоса частот (МГц);
  • потери передачи в заданной полосе частот (дБ);
  • волновое сопротивление (Ом);
  • показатель возвратных потерь (дБ);
  • сопротивление по постоянному току (Ом);
  • коэффициент экранирования (дБ).

Эти характеристики приводятся в документации производителя или в рекламных проспектах. Существуют и другие, менее значимые для выбора кабеля характеристики, например, напряжение пробоя или передаваемая мощность, которые тоже приводятся в документации. Далее подробнее рассмотрим каждую из перечисленных характеристик, а также связанные с ними понятия.

Напомним, что важнейшим физическим явлением, характеризующим принцип работы коаксиального кабеля при передаче по нему высокочастотного сигнала, является поверхностный эффект (скин-эффект). Известно, что сопротивление металлического проводника зависит от его размеров. Если увеличить диаметр проводника, то область протекания электронов станет шире и сопротивление проводника по постоянному току уменьшится. То же самое справедливо и для переменного тока — проводник большего размера вносит меньшие потери в передаваемый сигнал — однако на разных частотах затухание по переменному току оказывается различным. Причиной этого и является скин-эффект, возникающий в металлическом проводнике. Суть его состоит в том, что в области, близкой к наружной поверхности проводника протекает больше электронов, чем в центре проводника. Чем выше частота сигнала, тем более выражен скин-эффект. На тех частотах, которые используются в системах КТВ, скин-эффект становится довольно ощутимым. Таким образом, скин-эффект объясняет зависимость затухания радиочастотного сигнала в кабеле от частоты. На высоких частотах во внешней приповерхностной области проводника протекает больше электронов, чем на низких частотах. В результате на высоких частотах в передачу вносятся большие потери, поскольку увеличение частоты влечет уменьшение (сужение) той области проводника, в которой распространяется поток электронов.

Полоса частот и потери передачи

Полоса частот, которую предоставляет кабель для передачи сигнала, напрямую связана с величиной затухания сигнала на разных частотах радиочастотного спектра, которая, в свою очередь зависит от качества используемых в кабеле материалов. Бессмысленно говорить о ширине полосы пропускания кабеля без указания соответствующей ей величины затухания. Речь здесь идет лишь о ширине полосы при допустимом затухании. В принципе коаксиальный кабель способен пропускать радиочастотный сигнал очень высоких частот и доступная для передачи полоса частот может быть очень широкой. По этой характеристике коаксиальный кабель уступает только волоконно-оптическому кабелю. Другие среды передачи (витая пара, радиоканал) имеют существенно худшие показатели затухание-полоса. Коаксиальные кабели нового поколения способны работать в частотном диапазоне до 2 ГГц. Этого вполне достаточно для создания сетей КТВ, имеющих стандартную полосу 5 — 1000 МГц.
Потери в коаксиальном кабеле происходят вследствие рассеяния энергии сигнала на металлических проводниках кабеля. Результат этого рассеяния выражается в том, что в процессе распространения по кабелю уровень сигнала падает. Потери в кабеле определяются разностью между уровнями сигнала на выходе и на входе кабеля;

S = Sвых — Sвх .

Затухание (потери) сигнала в заданной полосе частот является основной исходной характеристикой на этапе проектирования магистрального усилительного участка и распределительной сети. Исходя из этого параметра и предполагаемой длины магистральной линии передачи, рассчитывается возможная протяженность усилительного участка и выбирается усиление усилителей, достаточное для компенсации потерь на этом участке. Потери задаются для определенной частоты, находящейся в пределах доступной полосы и для определенной длины кабеля (обычно на 100 м), поскольку затухание сигнала, кроме частоты зависит, очевидно, и от пройденного им по кабелю расстояния. Чем длиннее кабель, тем большая часть входной энергии рассеется в нем и тем ниже будет уровень выходного сигнала. Таким образом, любое значение потерь сигнала данного кабеля всегда задается относительно частоты передачи и длины отрезка кабеля. В спецификации обязательно указывается, при какой частоте и длине отрезка было измерено данное значение затухания. В магистральной сети к величине потерь предъявляются более высокие требования, чем в домовой сети.

На разных частотах затухание различно, и, чем выше частота, тем сильнее затухание. Экспериментально установлено, что зависимость коэффициента затухания от частоты f имеет нелинейный характер, причем затухание растет с ростом частоты в заданной полосе пропорционально квадратному корню из частоты:

L = а + bf + c(f^1/2) ,

где а, Ь, с — коэффициенты (c >>а, с>>Ь), значения которых зависят от конкретной серии кабеля. Затухание в кабеле является функцией от диаметров проводников кабеля, физических свойств используемого металла и диэлектрического материала кабеля. Сплошной медный кабель имеет меньшие потери, чем алюминиевый или стальной. Кабель с твердым полимерным диэлектриком при тех же размерах имеет большее затухание. Для кабеля большего диаметра с тем же диэлектриком затухание сигнала будет ниже. Эти особенности марки кабеля и учитываются коэффициентами а, Ь, с в приведенной формуле. В результате для каждой марки кабеля вид зависимости потерь от частоты. Неизменным будет только нелинейный характер зависимости.

Зависимость потерь в кабеле от его длины, очевидно, является линейной. Поэтому потери задаются как удельная величина, рассчитанная для определенной длины, обычно на 100 м.

В табл. 8.2 представлены значения потерь передачи в полосе частот 5-1750 МГц для кабеля разных типов (абонентский RG-59, распределительные RG-6 и RG-11, магистральный серии 540). Приведенные значения не являются стандартными, а только характеризуют кабель определенной марки и могут несколько отличаться у разных производителей.

Волновое сопротивление

Поскольку затухание в кабеле зависит от частоты, необходимо ввести некоторую характеристику, не зависящую от частоты, чтобы для расчета мощности передаваемого сигнала можно было использовать закон Ома.

Такой характеристикой кабеля является его полное волновое сопротивление (импеданс). Любая металлическая линия передачи, будь то витая пара или коаксиальный кабель, характеризуется волновым сопротивлением. Волновое сопротивление коаксиального кабеля является функцией отношения диаметра внутреннего проводника к диаметру внешнего проводника и свойства используемого в кабеле диэлектрика. Основной показатель электромагнитных свойств любого диэлектрического материала — это его диэлектрическая постоянная. В коаксиальных кабелях могут использоваться разные диэлектрические материалы с разными значениями диэлектрической постоянной. Так, для воздуха диэлектрическая постоянная равна 1, для твердых полимерных материалов диэлектрическая постоянная находится в пределах от 2 до 2,5. Диэлектрическая постоянная полутвердых или вспененных полимеров, представляющих собой пористую структуру, заполненную воздухом или инертным газом, составляет около 1,5.

Волновое сопротивление имеет размерность резистивного сопротивления (Ом). Существует приблизительная эмпирическая формула для расчета импеданса Z коаксиального кабеля с некоторым диэлектриком:

где D — диаметр внешнего проводника; d — диаметр внешнего проводника; к -диэлектрическая постоянная материала.

Читайте также:  Требования пожарной безопасности к электроустановкам

Эта формула показывает, что можно изготовить коаксиальные кабель любых размеров и независимо от этого импеданс будет одним и тем же, если все параметры кабеля меняются пропорционально и между ними сохраняется соответствующее постоянное соотношение. Например:

1) D = 0,886 см, d= 0,254, к= 1,0;
2) D = 0,443 см, d =0,127 см, к = 1,0;
3) D = 1,905 см, d = 0,444 см, к = 1,5.

Хотя во всех трех случаях значения параметров кабеля различны, импеданс оказывается примерно равным 75 Ом.

Значение 75 Ом стандартизовано для систем кабельного телевидения. Чтобы понять, почему именно это значение выбрано как стандартное, нужно рассмотреть влияние импеданса на важнейшие качественные характеристики кабеля — потери сигнала на радиочастотах, эффективность передачи мощности по постоянному току и напряжение пробоя (каждый фактор учитывается при постоянстве двух остальных). Понятно, что потери должны быть минимальны, передаваемая мощность максимальна и напряжение пробоя также максимально. На рис. 8.3 показаны характерные зависимости всех трех факторов от величины импеданса коаксиального кабеля.

По рисунку видно, что каждая зависимость имеет свою точку оптимального импеданса. Оптимальный с точки зрения потерь передачи импеданс кабеля составляет около 76 Ом. Если же оценивать величину волнового сопротивления по критерию максимума напряжения пробоя, то оптимальным является значение 60 Ом. С точки зрения повышения эффективности передачи мощности сигнала более подойдет кабель с импедансом около 33 Ом. Обратите внимание, что на участке между 30 и 75 Ом зависимости затухания и мощности передачи имеют один характер. Это можно объяснить следующим образом. Уменьшая размер центрального проводника и оставляя неизменным размер внешнего проводника, увеличиваем импеданс кабеля и сопротивление центрального проводника, следовательно, для передачи по кабелю сигнала той же мощности потребуется меньший ток через проводник. С другой стороны, уменьшая размер центрального проводника, сужаем область протекания потока электронов, т.е. уменьшаем область действия скин-эффекта, что в свою очередь ведет к увеличению потерь передачи на радиочастотах. Получается, что увеличивая импеданс, снижаем потери, но в то же время снижаем эффективность передачи сигнала. Стандартное значение было выбрано на основе компромисса между этими факторами. Поскольку в системах КТВ передаются сигналы с довольно низкими уровнями мощности, а протяженность коаксиальных кабельных линий часто очень велика, то более предпочтителен компромисс в пользу снижения потерь передачи на радиочастотах за счет уменьшения переносимой мощности.

Чтобы снизить потери при постоянном значении импеданса 75 Ом, можно просто увеличить диаметры и внешнего и внутреннего проводников, сохраняя их соотношение, однако, на изготовления кабеля большего размера расходуется больше материала и стоимость такого кабеля будет выше.

Показатель возвратных потерь

С величиной волнового сопротивления тесно связан другой параметр кабеля — показатель возвратных потерь (RL). Показатель возвратных потерь является для кабеля менее критичным параметром, чем другие. Далее, при рассмотрении отражений в кабельных системах, будет показано, что в нормальных условиях возвратные потери во внутренней структуре кабеле гораздо выше, чем для любого прибора. Это значит, что уровень отраженного сигнала (возвратной волны) очень мал и при расчетах его не учитывают. Существенные внутренние отражения в кабеле возникают на неоднородностях волнового сопротивления, которые образуются только за счет механических дефектов во внутренней структуре или при наличии повреждений вдоль отрезка кабеля. Напомним, что волновое сопротивление кабеля зависит от диаметров внутреннего и внешнего проводника и диэлектрической постоянной изолирующего материала. При изменении любого из этих параметров меняется и волновое сопротивление. Это может произойти во время производства, прокладки или эксплуатации кабеля. Однако, процесс производства тщательно контролируется добросовестным производителем, поэтому более вероятны две другие причины. Если при прокладке на кабеле образуется сильный перегиб или петля, то в структуре кабеля возникнет механическое напряжение и геометрия поперечного сечения кабеля меняется.

Случайные повреждения в процессе эксплуатации кабеля происходят из-за неосторожного обращения, результатом которого может быть передавливание кабеля или повреждение его внешней оболочки. При сдавливании пенистого материала меняется его диэлектрическая постоянная, а передавливание проводников может вызывать появление микротрещин и менять их электрические параметры. Такие изменения, как правило, трудно контролируемы и плохо поддаются измерению. Однократное случайное изменение импеданса в некоторой точке скорее всего не окажет никакого влияния на работу кабеля, но несколько наличие нескольких таких периодично расположенных точек может вызвать существенное суммарное отражение сигнала, превышающее допустимый уровень. Особенно это актуально для процесса прокладки, при котором зачастую интервалы между точками крепления кабеля подчинены периодичности городской инфраструктуры. Если отражения от нескольких нерегулярностей складываются друг с другом в фазе, то формирующееся отражение может вызывать очень серьезные потери сигнала.

Величина возвратных потерь в кабеле характеризуется параметром SRL (Structual Return Loss), который эквивалентен коэффициенту отражения и показывает степень подавления возвратной волны. Этот параметр определяется путем измерения величины отраженного сигнала в кабеле во всей полосе системы передачи с помощью генератора качающейся частоты (sweep-генератора). При выборе кабеля надо учитывать, что он должен иметь различную величину SRL для разных типов кабеля. Согласно стандарту EN-50083 для магистральных кабелей величина SRL должна быть не ниже 30 дБ (соответствует коэффициенту отражения не более 3%), а для распределительных и абонентских кабелей не хуже 20 дБ.

Сопротивление по постоянному току

Еще одной электрической характеристикой кабеля, не зависящей от частоты, является его сопротивление по постоянному току. Сопротивление по постоянному току обычно определяется отдельно для центрального проводника, внешнего проводника и полной цепи. Затухание сигнала в заданной полосе частот и сопротивление по постоянному току являются двумя наиболее важными и критичными характеристиками при проектировании системы питания кабельной сети наряду со значениями токов, потребляемых усилителями, и длинами кабельных участков. Сопротивление кабельной цепи является определяющим фактором для расчета напряжения, потребляемого всей сетевой структурой. Питание осуществляется по магистральному кабелю с помощью так называемых устройств вставки питания (инсертеров питания). Эффективность передачи постоянного тока к потребляющим устройствам определяется сопротивлением кабельной цепи. Этот параметр особенно важен в системах с высоким уровнем потребления электроэнергии. В современных сетях наблюдается рост потребляемой мощности, связанный с использованием перестраиваемых модульных усилителей с более сложной структурой и подключением к сети интерфейсных устройств кабельной телефонии и передачи данных. Без сомнения эта тенденция сохранится и в будущем. Общее число источников питания в системе зависит от суммарного потребления энергии активными элементами и от сопротивления кабельного контура. Выбор кабеля с низким сопротивлением постоянному току может привести к уменьшению необходимого числа источников питания. Кроме того, использование кабеля с низким сопротивлением позволяет снизить затраты на энергопотребление.

Коэффициент экранирования

Одной из важнейших характеристик коаксиальных кабелей, является коэффициент экранирования, называемый также screen-фактором. Он показывает степень защиты передаваемого сигнала от влияния внешних электромагнитных помех. Измеряется этот показатель также в децибелах, а определяется он как отношение уровня полезного сигнала к уровню помехи по мощности в некоторой точке кабеля. Величина коэффициента экранирования особенно важна, когда уровень сигналов эфирных передатчиков ТВ и радио, а также уровни бытовых электромагнитных помех очень высоки, что характерно для городских условий. К кабелям разных типов предъявляются разные требования по коэффициенту экранирования. Стандарт EN-50083 устанавливает, что этот параметр должен быть в любом случае не ниже 75 дБ в полосе частот прямого канала 30 — 1000 МГц. Для таких крупных городов как Санкт-Петербург и Москва экранирование распределительных кабелей должно составлять не менее 85 — 90 дБ, а экранирование абонентских кабелей не менее 80 дБ. Для магистральных кабелей экранирование должно составлять не менее 100 дБ. Считается, что в средних условиях кабель с показателем экранирования 100 дБ обеспечивает практически полную защиту передаваемого сигнала от внешних помех.

В настоящее время выпускаются кабели со стандартной (двойной), трехкратной и четырехкратной степенью экранирования. Стандартная экранирующая конструкция состоит из алюминиевой фольги, нанесенной на слой полипропилена и дополнительной алюминиевой оплетки. Фольга должна была герметичной для предотвращения попадания воды внутрь кабеля, поэтому она накладывается на полипропилен с допуском, гарантирующим сохранение герметичности при сгибах. Такая конструкция обеспечивает степень экранирования около 90 дБ. Кабели с трехкратным экранированием содержат конструкцию, включающую кроме стандартной комбинации фольги с оплеткой еще и наложенную поверх оплетки негерметичную фольгу, что увеличивает степень экранирования примерно до 105 дБ. Ввиду того, что трехкратная экранирующая конструкция становится более хрупкой и жесткой, она является эффективной при отсутствии сильных изгибов кабеля. То же самое относится и к четырехкратному экранированию. В структуре с четырехкратным экране добавлена еще одна внешняя оплетка. Такой экран обеспечивает максимальную степень экранирования, которая при отсутствии изгибов кабеля может достигать 120 дБ. Коэффициенты экранирования для разных степеней экранирования представлены в табл. 8.3.

Та или иная степень экранирования выбирается в зависимости от уровня электромагнитных помех в месте прокладки сети. Кабель со стандартным экраном можно использовать при низком и среднем уровне электромагнитных помех, например в сельской местности или в небольшом городе. Кабель с трехкратным экраном рекомендуется для условий, где уровень электромагнитного шума выше среднего, например в больших городах. Кабель с четырехкратным экранированием предназначен для использования в местах с очень высоким уровнем электромагнитных излучений, например в индустриальных районах вблизи мощных электрических установок, мощных радиопередатчиков, линий электропередачи и метрополитена. В будущем, по мере распространения цифровых сетей передачи стандартная степень экранирования (90 дБ) будет рассматриваться как минимально допустимая. При наличии обратного канала это требование ужесточается и необходимым минимумом становится трехкратное или даже четырехкратное экранирование.

Ссылка на основную публикацию
Что означают цифры на чертежах
Основная надпись, образующая часть графического документа называемого «чертёж». В основной надписи записываются необходимые сведения такие как: обозначение чертежа, наименование чертежа,...
Черемуха с красными листьями
№ 17(458) от 14.05.2015 [«Аргументы Недели », подготовила Мария ДУТОВА ] Год назад я приобрела на садовом рынке красивый кустик...
Черенки винограда на зиму в землю
Разведение винограда путем нарезки черенков набирает все большую популярность. О заготовке осенью и хранению их до весны пойдёт речь в...
Что отпугивает комаров в домашних условиях
Чтобы эффективно бороться с комарами, следует понимать их особенности жизнедеятельности и способы ведения охоты. Подробные знания, чего боятся комары, помогли...
Adblock detector