В епоху широкого розповсюдження бездротових технологій фундаментом надійного обміну інформацією залишаються високочастотні з’єднання з використанням коаксіального кабелю.

Розбираючись, що таке коаксіал, варто вивчити його параметри. Стандартним значенням хвильового опору є 50 Ом – це вивірений баланс між передачею потужності та мінімізацією втрат.

Коаксіальний кабель – що це таке простими словами

Основна частина – це центральний провідник, який передає сигнал. Навколо нього є ізолятор, а потім – другий металевий шар у вигляді циліндричного обплетення чи фольги.

Високочастотні кабелі концентрують всередині себе електромагнітне поле, що несе сигнал. Принцип чимось нагадує водопровідну трубу, у якій весь корисний вантаж знаходиться всередині.

Основна характеристика коаксіального кабелю – це популярне значення хвильового опору – 50 Ом. Таке значення є результатом компромісу між кількома електричними та механічними параметрами, що забезпечує: 

  • добре передавання потужності, досить наближене до оптимального значення;

  • прийнятний рівень загасання;

  • механічну міцність – конструкція з 50 Ом дозволяє створити досить міцний кабель, зручний для виробництва та монтажу.

Застосування коаксіального кабелю в системах, де всі компоненти мають однаковий імпеданс, свідчить про їхню повну узгодженість. В такому разі вся ВЧ-енергія ефективно випромінюється в ефір. 

Як влаштований ВЧ коаксіальний кабель

Конструкція кабелю має кілька важливих елементів. З чого складається коаксіальний кабель:

  1. Внутрішня жила. Зазвичай вона виготовлена із цільної чи лакованої міді (для більшої жорсткості та зменшення «скін-ефекту»). Жила може бути як суцільною, так і багатожильною для більшої гнучкості.

  2. Екран. Електрично ізольоване екранування виконує одразу дві функції – слугує зворотним провідником для ВЧ-сигналу та захищає від зовнішніх перешкод.

  3. Зовнішня оболонка. Цей захисний шар захищає внутрішні компоненти кабелю від механічних пошкоджень та агресивного впливу навколишнього середовища. Зазвичай виготовляється з ПВХ (PVC) для приміщень або із поліетилену (PE) для зовнішнього застосування. Існують також види коаксіальних кабелів з вогне-, морозостійкою і броньованою оболонкою для специфічних умов експлуатації.

  4. Діелектрик. Цей шар оточує центральний провідник і відокремлює його від зовнішнього екрану.

Кожен із цих елементів визначає властивості ВЧ-кабелю, його довговічність та придатність для конкретних завдань.

Основні характеристики ВЧ коаксіальних кабелів

Під час вибору різних провідників варто враховувати низку ключових електричних показників.

Імпеданс 

50 Ом – це критично важливий параметр, який визначає узгодженість кабелю з передавачем та антеною. Імпеданс залежить від товщини коаксіалу та діелектричної проникності ізолятора.

Загасання (втрати)

Вимірюється в дБ/м або дБ/100 м. Це важлива характеристика коаксіального кабелю, яка показує послаблення потужності сигналу під час його проходження хвилеводом. Втрати зростають зі збільшенням частотної характеристики хвилі та загальної відстані, яку вона має подолати. Мінімізація загасання – одне з найважливіших завдань під час проектування ВЧ-ліній.

Частотний діапазон

Максимальна та мінімальна частоти, на яких кабель здатний ефективно передавати сигнал без надмірних втрат чи викривлень. Зазвичай визначається типом діелектрика та конструкцією екрану. Високочастотні кабелі – це прилади для роботи в конкретних діапазонах, і якщо частоти значно перевищують робочі, загасання стають неприйнятно високими.

Довжина хвилі

Одна із фундаментальних характеристик. Це фізична відстань, яку долає одна електромагнітна хвиля за період. Значення довжини хвилі в характеристиках коаксіального кабелю є критичним для узгодження імпедансів, фаз та точності вимірів.

Максимальна потужність передавання

Для чого коаксіальному кабелю цей параметр? Він демонструє здатність лінії витримувати певну потужність сигналу без перегріву чи пробою ізоляції. Вимірюється у ватах (Вт).

Коефіцієнт відбиття або КСХН

Показник узгодження імпедансів. Ідеальне значення КСХН = 1:1, що означає відсутність відбиття і повне передавання потужності. Значення понад 1:1 (наприклад, 1,5:1 або 2:1) вказують на те, як працює коаксіальний кабель в режимі неузгодженості (втрати потужності тощо).

Типи та марки 50-омних ВЧ кабелів

Різноманітність 50-омних коаксіальних кабелів зумовлена широким спектром застосувань, що вимагають різних компромісів між гнучкістю, загасанням, потужністю та вартістю.

Найбільш відомі типи коаксіального кабелю:

  1. RG-58. Один із найпоширеніших та недорогих гнучких кабелів. Має невеликий діаметр (близько 5 мм). Має різні модифікації (наприклад, RG-58/U з цільною жилою, RG-58A/U з багатожильною).

  1. RG-213. Товстіший (близько 10 мм) і потужний аналог RG-58. Характеризується міцною конструкцією і часто використовується для професійного радіозв’язку.

  1. LMR-400 (і аналоги). Сучасний тип коаксіального кабелю, розроблений для мінімізації втрат. При цьому він залишається відносно гнучким.

  1. RG-174. Дуже тонкий та гнучкий кабель (близько 2,8 мм), використовується для коротких з’єднань або там, де потрібна максимальна компактність.

Також виробники виділяють будову коаксіального кабелю за показником конструктивної жорсткості. Вони бувають гнучкими (Flexible Coaxial Cables, той самий RG-58), напівжорсткими (Semi-Rigid Coaxial Cables) і жорсткими (Rigid Coaxial Cables). RCC-траси мають мінімальне загасання, але дуже громіздкі та негнучкі. Використовуються для високопотужних передавачів, антенних фідерів на мовних станціях, у хвилеводних системах.

Інші важливі відмінності:

  1. Екран. Він може складатися з простого, подвійного (потрійного) обплетення, багатошарової комбінації з фольги, а також цілісних трубок. Чим кращий екран, тим нижчі втрати і вищий захист від перешкод.

  2. Діелектрик. Часто використовуються різні типи поліетилену. У більшості дорогих коаксіалів – це спінений діелектрик та тефлон, оскільки він забезпечує в рази менше загасання.

  3. Діаметр. Прямо впливає на загасання і потужність передавання.

Вибір конкретного типу та марки кабелю напряму залежить від умов експлуатації.

Застосування 50-омних коаксіальних кабелів

50-омні коаксіали є ключовою складовою безлічі систем:

  1. Радіозв’язок. Якщо аналізувати, де використовується коаксіальний кабель, – цей напрямок найбільш очевидний.

  2. Wi-Fi та мобільний зв’язок. У точках доступу вони з’єднують внутрішні компоненти із зовнішніми антенами. В базових станціях сотового зв’язку (2G, 3G, 4G, 5G) застосовують високоякісні товсті 50-омні кабелі з малим коефіцієнтом втрат (наприклад, LMR-400 та інші).

  3. Вимірювальні системи. Щоб з’єднати осцилографи та інші прилади з тестувальними пристроями, потрібна малошумна лінія. Саме таке з’єднання є тим, для чого використовується коаксіальний кабель.

  4. Супутниковий зв’язок. Невеликі VSAT-термінали чи великі тарілки використовують 50-омні коаксіали як лінії між конвертером (LNB), підсилювачем (BUC) і внутрішнім обладнанням.

  5. Радіолокація та військова сфера. Тут необхідні кабелі із винятковими характеристиками – високою потужністю, малими втратами, стійкістю до екстремальних умов та зовнішніх перешкод.

Прикладів, де і навіщо потрібен коаксіальний кабель досить багато. У всіх сферах, де існує необхідність ВЧ-передавання, коаксіал – головний елемент.

Переваги та недоліки

50-омні ВЧ коаксіальні кабелі мають як сильні, так і слабкі сторони. Їх необхідно враховувати під час проектування та експлуатації.

Розглянемо плюси та мінуси коаксіального кабелю. Ось головні переваги:

  • стабільний імпеданс на всій довжині, що мінімізує відбиття сигналу;

  • ефективний захист від наведень, радіоперешкод; 

  • використання у більшості систем радіомовлення;

  • передбачувані характеристики – електричні параметри коаксіальних кабелів гарно вивчені, а це дає можливість інженерам точно розраховувати продуктивність системи.

Головний недолік коаксіального кабелю – втрати на великих дистанціях та високих частотах. На гігагерцових діапазонах навіть відносно короткі ділянки кабелю можуть вносити значне послаблення.

Як правильно обрати ВЧ коаксіальний кабель

Ми розглянули, що означає коаксіальний кабель і де він потрібен, а тепер час поговорити про його вибір. Ось ключові фактори, на які варто звернути увагу:

  1. Діапазон частот. Кабель, який відмінно працює на 100 МГц, може бути зовсім непридатним для 2,4 ГГц чи вище. Завжди дивіться на графік загасання, який надає виробник для різних частот.

  2. Потужність. У місцях, де використовується коаксіальний кабель, який вибрали неправильно, лінія буде перегріватися, а в найгіршому випадку відбудеться пробій діелектрика. 

  3. Довжина лінії. Дистанція напряму впливає на загальне загасання сигналу. Для довгих фідерних ліній (десятки та сотні метрів) необхідно використовувати кабелі із дуже низьким послабленням.

  4. Умови монтажу (вологість, температура, гнучкість). Якщо лінію планують використовувати у складних умовах, обирайте покращені характеристики коаксіального кабелю – спеціальні покриття, бронь, хім. захист тощо.

  5. Тип роз’ємів. Важливо розуміти, що вибраний коаксіал має підходити до наявних чи майбутніх конекторів (BNC, SMA, UHF тощо). 

Детальний аналіз цих параметрів дозволить точно розуміти, для чого потрібен коаксіальний кабель конкретної марки. Надалі це дозволить спроектувати надійну та безвідмовну RF-систему.

Висновки

Інвестиції у якісну та правильно підібрану 50-омну трасу гарантовано окупаються її надійністю. Розуміння будови коаксіального кабелю, що це таке і для чого він потрібен – фундаментальні знання, які дозволяють спроектувати ефективну ВЧ-лінію.