Простое средство передачи сигналов: коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель (коаксиальная пара) – это проводник, который состоит из центральной жилы и экрана. Они разделены изоляционным материалом или воздушной камерой, но расположены на одной оси. Он передает радиочастотные электрические сигналы. Отличием от экранированного провода является однородное сечение в направлении одной оси, изготовление изоляционного слоя из более качественных материалов, лучшее качество проводника. Все габаритные характеристики нормируются стандартами отрасли.

Данное изделие бывает тонким и толстым. Выбирают его в соответствии с параметрами сети. Тонкий имеет диаметр 5 мм, он обладает гибкостью, характеризуется простотой использования и является универсальным. Он подключается к платам сетевого адаптера компьютера, передает сигнал на расстояние 185 м без помех и затухания. Тонкий кабель оборудуется жилами из меди.

Толстый коаксиальный кабель имеет меньшую податливость изгибу, диаметр его составляет 10 мм. Его наименование часто указано как «стандартный Ethernet», что обусловлено его применением в сетевой архитектуре. Медная жила имеет большее сечение. Дальность сигнала составляет 500 м, поэтому он может применяться для объединения небольших сетей, состоящих из тонкого аналога.

Для соединения с толстым типом кабеля используется специальное устройство – трансивер, который оснащен разъемом vampire (piercing) tap – «зуб вампира» или «пронзающий ответвитель». Он способен пройти через изоляцию и установить соединение с жилой. Для подключения трансивера к сетевому адаптеру необходимо провод первого подключить к коннектору AUI платы. Он имеет название DIX-коннектор.

При увеличении площади сечения кабеля повышается сложность его прокладки. Тонкий имеет такие преимущества, как простота работы, небольшая стоимость, гибкость. Толстый в этом плане уступает своему аналогу, особенно если речь идет о прокладке трассы по трубам и желобам. Преимуществом его является способность передавать сигнал на большее расстояние.

Достоинства и недостатки

Высокая популярность кабеля обусловлена его преимуществами:

• небольшое затухание;
• стабильность работы при различной частоте сигнала;
• широкая полоса пропускания;
• безопасность и простота монтажа;
• невысокая цена, малый вес, гибкость, удобство в работе.

К эксплуатационным недостаткам относятся:

• меньшая полоса пропускания по сравнению с оптоволокном;
• потребность в коннекторах, сложность их установки и высокая стоимость;
• затратность монтажных работ с толстым кабелем;
• более сложная прокладка по сравнению с витой парой;
• подверженность механическим повреждениям.

Области применения

Коаксиальный кабель применяется в следующих областях:

• Коаксиальный кабель для ТВ или для другого типа вещания, будь то цифровое, эфирное или спутниковое; • радиоэлектронное оборудование и радиовещание; • простая армейская техника; • бытовые устройства; • системы дистанционного управления; • системы связи и любые коммуникационные соединения; • подходит для связи компьютеров с интернетом; • системы видеонаблюдения; • системы сигнализации; • антенно-фидерные системы; • системы связи; • системы измерения; • системы контроля; • оснащение связи на мобильных объектах: самолетах, кораблях и т.д.

Составные части

В состав коаксиального кабеля входят:

• 4 – оболочки, используемые в качестве изоляционного и защитного слоев. Они изготавливаются из светостабилизированного полиэтилена (ПЭ), ПВХ, витой фторопластовой ленты;
• 3 – внешний проводник (экран) изготавливается в виде оплетки, фольги с наружным покрытием из алюминия, гофротрубки, витых лент металла (меди, сплавов на основе алюминия и меди);
• 2 – изоляционный слой, представленный сплошным или полувоздушным диэлектрическим заполнением, которое обеспечивает соосность наружного и внутреннего проводника. Он может быть изготовлен из ПЭ, вспененного ПЭ, сплошного фторопласта, ленты из фторопласта, кордельно-трубчатого повива, шайбы и т.д.;
• 1 – внутренний проводник, представленный одиночным прямым или спиралевидным кабелем, многожильным проводником, трубкой из меди, сплава на ее основе, алюминиевого сплава, омедненной стали или алюминия, посеребренной меди.

Соосность сводит к минимуму потери электромагнитной энергии на излучение и обеспечивает защиту от помех. Это обусловлено сосредоточенностью обоих компонентов электромагнитного поля в пространстве между проводниками и невозможностью выхода их за пределы кабеля. В реальности такие отклонения могут происходить, поэтому показатели не является идеальными, а основная часть сигнала проводится по сердечнику.

Пример расшифровки

Конструктивные особенности

В последние несколько лет коаксиальный кабель начали заменять современными беспроводными технологиями, которые позволяют быстрее передавать сигнал. Именно поэтому разработчики придумали альтернативные варианты. Но в разных традиционных сферах деятельности он остался востребованным. Его применяют для организации компьютерной сети, кабельного телевидения, систем видеонаблюдения, инженерных комплексов радиотехники.

Конструктивная особенность кабеля заключается в простоте устройства. Внутри расположена медная жила, которая выполняет главную функцию. Она обязательно защищается прочной оболочкой. Это изоляционный материал высокого качества, который предотвращает возникновение короткого замыкания. Сверху есть оплётка из металла. Последний защитный слой — оболочка из мягкого материала.

В некоторых моделях предусмотрена двойная экранизация. Для этого производители добавляют тонкий слой фольги. Это особая технология, которая появилась недавно. В магазинах можно купить кабели, в которых предусмотрено четыре дополнительных слоя. Они позволяют обеспечить максимальную защиту от сильных и посторонних помех. Иногда можно встретить модификации с сочетанием фольги и металлической оплётки.

На рынке и в магазинах можно найти конструкции с дополнительной металлической сеткой. Она выполняет важную функцию дополнительного экрана. В результате обеспечивается надёжная защита передаваемых по кабелю данных.

Характеристики коаксиального кабеля

К основным характеристикам коаксиального кабеля относятся:

Погонное волновое сопротивление

Главное преимущество несимметричной передачи видеосигнала основано на том, что характеристический импеданс передающей среды не зависит от частоты (это относится, главным образом, к средним и высоким частотам), в то время как сдвиг фазы пропорционален частоте.

Короткие провода и кабели, используемые в обычных электронных блоках оборудования, имеют незначительные омическое сопротивление, индуктивность и емкость и не влияют на сигнал. Однако если сигнал должен быть передан на довольно большое расстояние, в сложную картину передачи информации включается множество разных факторов. Особенно подвержены влиянию высокочастотные сигналы. Тогда сопротивление, индуктивность и емкость начинают играть значительную роль и ощутимо влияют на передачу сигнала.

С точки зрения электродинамики коаксиальный кабель можно представить в виде схемы, состоящей из сопротивлений (R), индуктивностей (L), конденсаторов (С) и проводников (G) на единицу длины (рис. 3). Если кабель имеет значительную длину, то совокупность элементов R, L и С действует как грубый фильтр нижних частот, который, в свою очередь, воздействует на амплитуду и фазу различных компонентов видеосигнала. Чем выше частоты сигнала, тем больше на них влияют неидеальные свойства кабеля.

Рис. 3 Представление коаксиального кабеля

Каждый кабель имеет однородное строение и собственный характеристический импеданс (полное сопротивление), который определяется элементами R, L, С и G на единицу длины.

Главное преимущество несимметричной передачи видеосигнала основано на том, что характеристический импеданс передающей среды не зависит от частоты (это относится, главным образом, к средним и высоким частотам), в то время как сдвиг фазы пропорционален частоте.

Амплитудные и фазовые характеристики коаксиального кабеля на низких частотах в большой степени зависят от самой частоты, но так как в подобных случаях длина кабеля достаточно мала по сравнению с длиной волны сигнала, то влияние на передачу сигнала оказывается незначительным.

Когда характеристический импеданс коаксиального кабеля соответствует выходному импедансу источника видеосигнала и входному импедансу приемного устройства, происходит максимальная передача энергии между источником и приемником, такая линия передачи называется согласованной.

Для высокочастотных сигналов, каким является видеосигнал, согласование полного сопротивления имеет первостепенную важность.

Для высокочастотных сигналов, каким является видеосигнал, согласование полного сопротивления имеет первостепенную важность. Когда импеданс не согласован, видеосигнал целиком или частично отражается назад к источнику, воздействуя не только на выходной каскад, но и на качество изображения. Отражение 100% сигнала происходит, когда конец кабеля либо замкнут накоротко, либо оставлен открытым (незамкнут). Вся (100%) энергия сигнала (напряжение, умноженное на ток) передается только тогда, когда есть согласование между источником, средствами передачи и приемником. Вот почему последний элемент в цепи видеосигналов всегда заканчивается нагрузкой в 75 Ом, которую называют терминатором (см. рис. 4).

СОВЕТ
Для гарантированного согласования между источником, средствами передачи и приемником последним элементом в коаксиальной линии включайте 75-Омный терминатор.

Рис. 4. Элементы конструкции коаксиальной линии

75 Ом коаксиального кабеля – это комплексное сопротивление, определяемое отношением напряжения/тока в каждой точке кабеля. Это не активное сопротивление, и поэтому его нельзя измерить обычным мультиметром.

В телевидении для всего оборудования, передающего или принимающего видеосигналы, принят характеристический импеданс 75 Ом. Поэтому нужно использовать коаксиальный кабель с полным сопротивлением 75 Ом. Но производители выпускают и другое оборудование, например, с импедансом 50 Ом (которое в отдельных случаях используется для вещательного или ВЧ-оборудования), но тогда между такими источниками и 75-омными приемниками должны использоваться преобразователи импеданса (пассивные или активные).

75 Ом коаксиального кабеля – это комплексное сопротивление, определяемое отношением напряжения/тока в каждой точке кабеля. Это не активное сопротивление, и поэтому его нельзя измерить обычным мультиметром.

Полное сопротивление коаксиального кабеля определяется по формуле:

Характеристический импеданс не зависит от длины кабеля и частоты, но зависит от емкости и индуктивности на единицу длины.

Эта формула означает, что характеристический импеданс не зависит от длины кабеля и частоты, но зависит от емкости и индуктивности на единицу длины. Однако, это не так, если длина кабеля превышает 200 метров. В этом случае сопротивление и емкость имеют значение и оказывают влияние на видеосигнал.

Потери в коаксиальном кабеле складываются из двух составляющих: диэлектрические потери и потери в проводниках. Потери в изоляции зависят только от её диэлектрических свойств и не зависят от размера кабеля. Потери в проводниках жестко связаны с их размерами, причем в большей мере с сечением центрального проводника, т.к. основная часть электромагнитного поля распространяется в кабеле вдоль него, сильно убывая по направлению к экрану. Очевидно, что с увеличением размеров кабеля концентрация поля вокруг центрального проводника уменьшается, следовательно, уменьшаются и потери.

Потери в коаксиальном кабеле складываются из двух составляющих: диэлектрические потери и потери в проводниках.

Отклонения погонного волнового сопротивления кабельной линии выражают с помощью возвратных потерь

.

Оценка режима работы линии характеризуется коэффициентом бегущей волны (КБВ)

, который характеризует собой степень согласования линии с нагрузкой. Если КБВ равен единице, линия полностью согласована с нагрузкой. На практике таких линий не бывает из-за невозможности идеального согласования нагрузки с линией.

Величина, обратная коэффициенту бегущей волны, называется коэффициентом стоячей волны

.

Понятно, что однородность кабеля по длине имеет большое значение для соответствия требованиям характеристического импеданса. Качество кабеля зависит от точности и однородности центральной жилы, диэлектрика и экрана. Эти факторы определяют значения С и L на единицу длины кабеля. Вот почему надо уделить особое внимание прокладке кабеля и его концевой заделке.

Классификация

Типы коаксиальных кабелей по области применения:

• для авиации;
• для кабельного TV;
• для бытовой техники;
• для космической техники;
• для компьютерных сетей;
• для коммуникации.

Волновое сопротивление может отличаться от указанных в классификации значений, для удобства предусмотрено разделение кабелей на группы. В России предусмотрено пять классов, а в международных нормах – три. Аналоговая звукотехника часто использует проводники, которые не нормируются. В зависимости от волнового сопротивления выделяют:

• 50 Ом – кабель пользуется наибольшей популярностью, используется в радиотехнике. Он передает радиосигналы, максимальные по мощности и электрической прочности при минимальных потерях;
• 75 Ом – второй по востребованности проводник, используется в TV системах. Он характеризуется механической прочностью и невысокой стоимостью, применяется при небольшой мощности, но значительной протяженности сети. Потери его несколько выше;
• 100 Ом – используется в импульсной технике и специальных целях;
• 150 Ом – является аналогом с повышенным сопротивлением;
• 200 Ом – характеризуется самым высоким сопротивлением, предусмотрен только нормами РФ.

Классификация по диаметру изоляции разделяет коаксиальный кабель на группы:

• субминиатюрный – до 1 мм;
• миниатюрный – 1,5-2,95 мм;
• среднегабаритный – 3,7-11,5 мм;
• крупногабаритный – больше 11,5 мм.

По виду экрана провод делится на:

• из трубки, изготовленной из металла;
• сплошной;
• с луженой оплеткой;
• с двойной и многослойной оплетка, дополнительным слоем;
• с однослойной оплеткой;
• стандартный экран;
• излучающий проводник (со специально заниженной, но контролируемой степенью экранирования).

В зависимости от гибкости выделяют:

• жесткий;
• полужесткий;
• гибкий;
• особо гибкий кабель.

Правила монтажа

Представленные провода довольно гибкие, поэтому процесс установки не составит труда. Важно помнить, что радиус поворота во время прокладки не может превышать 12-кратную величину изгиба оболочки кабеля.

Если мастер не соблюдает рекомендации, то перегиб будет постепенно разрушать целостность оболочки. Центральная жила продавит диэлектрический слой, поэтому на экране произойдёт короткое замыкание. Важно не подвешивать кабель на гвоздь, иначе он будет растягиваться под собственным весом и приведет к обрыву центральной жилы.

Необходимо правильно разделывать концы, чтобы присоединить разъёмы, от этого зависит точность работы электрических приборов. Следует делать это таким образом:

1. Обрезать кабель под прямым углом по отношению к оболочке.
2. Вставить зачищенный конец провода в специальный инструмент для снятия изоляционного слоя.
3. Сжать инструмент, в результате изоляция снимется и оголится медная жила.
4. Хорошо зажать кабель, провернуть его несколько раз.
5. Сделать еще несколько проворотов при помощи кольца, не разжимая инструмента.

Вам это будет интересно Кабель ВВГ: расшифровка аббревиатуры и виды маркировки

После этой процедуры мастер получает полностью зачищенный кабель, который готов к дальнейшему подключению.

Оболочка защищает от проникновения влаги внутрь медного провода и предотвращает различные внешние повреждения во время всего периода эксплуатации. Кабель никогда не прокладывают под землёй, а также во влажных местах. Вода просачивается внутрь защитной оболочки, поэтому происходит её постепенное разрушение, окисление и короткое замыкание центрального стержня. Но его можно эксплуатировать на поверхности при небольших показателях влажности, а также в дождливую погоду.

Чтобы влага не проникала внутрь, нужно тщательно обработать места стыков. Для этого применяют силиконовые герметики. Изолента и пластилин не являются проверенными способами защиты. Также можно купить разъёмы, которые устойчивы к негативному воздействию влаги. Соединения, которые делают при помощи пайки, могут изменить уровень волнового сопротивления.

Что это такое?

Коаксиальный электропровод представляет собой одинарный шнур из меди, изолированный пеной и окруженный специальным металлическим экраном, поверх покрытый защитой из пластика. Благодаря такой защите кабель является высокочастотным и передает широкий диапазон волн.

Существует два вида этого кабеля. Первый RG-58/U имеет диаметр всего полсантиметра, из-за повышенной гибкости его пропускная способность составляет до 10 мегабит в секунду.

Толстый коаксиальный шнур имеет повышенную жесткость. Две категории RG-11 и RG-8 обеспечат сопротивление 75 и 50 Ом соответственно.

Молодые инженеры уже не застали того периода, когда коаксиалы были основой всего сетевого оборудования в стране. Прежде они использовались во многих отраслях, ведь некоторые их характеристики выше, чем у витой пары. Из-за появления витой пары данный вид кабеля медленно вытесняется из применения: у него отличаются скорость передачи информации, практичность в установке и обслуживании.

Однако коаксиальный кабель все еще занимает свою нишу в спутниковом оборудовании и телекоммуникационных устройствах.

Руководство по установке

Радиочастотный коаксиальный кабель широко используется для передачи сигнала от передатчика или к приемнику. Хотя он очень прост в установке, чтобы он прослужил долго, необходимо соблюсти определенные условия. Это особенно важно, потому что часто он устанавливается снаружи и должен выдерживать суровые условия окружающей среды.

Такие факторы, как попадание влаги, с течением времени могут ухудшить его эффективность. Такое снижение остается незамеченным до тех пор, пока оно не достигнет такой степени, когда его будет невозможно использовать. Несколько простых мер предосторожности позволят сохранить эффективность коаксиального кабеля и существенно замедлят его деградацию.

Защита от неблагоприятных погодных условий

При наружном монтаже, например, коаксиального кабеля для видеонаблюдения очень важно обеспечить его надлежащую защиту. Это имеет большое значение, потому что любая влага приведет к значительному увеличению потерь. Если намокнет диэлектрик, разделяющий внутренний и внешний проводники, то это ухудшит его характеристики и увеличит затухание. Влажность также приводит к окислению оплетки и снижению ее проводимости.

Поэтому так важно герметизировать конец кабеля, если он используется вне помещений, и не допускать попадания влаги. Необходимо обеспечить, чтобы внешняя оболочка оставалась целостной и не повреждалась во время монтажа и дальнейшей эксплуатации.

Дополнительным методом предотвращения попадания большого количества влаги в кабель является формирование петли вверх и вниз. Это мешает воде, проникнувшей внутрь, двигаться дальше. Однако влага все же будет распространяться капиллярным способом, поэтому всегда лучше убедиться, что концы правильно герметизированы и защищены.

Оконцовка

При установке коаксиального кабеля важно правильно его оконцевать. В большинстве случаев физическим завершением является штекер, а конечным устройством – либо антенна, либо приемник. Соединения должны быть выполнены правильно и качественно.

Хотя разъемы для бытовых установок часто имеют плохие радиочастотные характеристики, альтернатив мало. Для профессиональных нужд необходимы соединения более высокого качества, хотя и в этом случае следует убедиться, что они подходят для используемых частот. Некоторые дешевые модели не соответствуют требованиям и ухудшают работу коаксиального кабеля. Поэтому лучше приобретать разъемы у проверенных продавцов.

Правильный монтаж коаксиального кабеля обеспечит многие годы его службы. Однако износ и воздействие окружающей среды приведут к тому, что через некоторое время потребуется его замена. Поскольку ухудшение производительности происходит медленно, ее можно не заметить. Она становится очевидной только после полной замены кабеля.

Диэлектрическая и магнитная проницаемость диэлектрического материала кабеля

Абсолютная диэлектрическая проницаемость используемого в коаксиальном кабеле диэлектрика определяет скорость распространения сигнала в кабеле. Обычно эта величина обозначается греческой буквой ε

(эпсилон) и представляет собой меру сопротивления электрическому полю в данном материале. В диэлектрике электрическое поле уменьшается. В системе СИ диэлектрическая проницаемость измеряется в фарадах на метр (Ф/м). Вакуум имеет наименьшую диэлектрическую проницаемость. В связи с этим диэлектрическая проницаемость вакуума была выбрана в качестве константы — электрической постоянной
ε0
= 8,854187817…×10−12 Ф/м. Ранее она носила название диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемости вакуума. Эта постоянная не имеет какого-либо физического смысла, это просто
размерный
коэффициент и именно поэтому он теперь называется электрической постоянной.

Для конкретного диэлектрического материала диэлектрическая проницаемость обычно выражается в виде отношения его диэлектрической проницаемости к диэлектрической проницаемости вакуума, то есть

Скорость света в вакууме c0

связана с магнитной постоянной
μ0
и электрической постоянной следующей формулой:

или

Магнитная проницаемость — мера способности материала поддерживать в нем магнитное поле. Обычно она обозначается греческой буквой μ

и измеряется в СИ. Относительная магнитная проницаемость, обычно обозначаемая как
μr
(от англ. relative — относительный), представляет собой отношение магнитной проницаемости данного материала к магнитной проницаемости вакуума (магнитной постоянной). Относительная магнитная проницаемость абсолютного большинства используемых в коаксиальных кабелях диэлектриков равна
μr
= 1.

Магнитная постоянная, ранее называемая магнитной проницаемостью вакуума, численное значение которой вытекает из определения силы тока ампера с учетом образования магнитного поля при протекании тока по проводнику или при движении электрического заряда. Она равна

μ0

= 4π × 10−7 ≈ 1,256637806 × 10–6 Гн/м

Магнитная проницаемость μ

и диэлектрическая проницаемость
ε
определяют фазовую скорость распространения электромагнитного излучения в диэлектрике

В вакууме эта формула изменяется на

Для немагнитных материалов (то есть для диэлектриков, используемых в коаксиальных кабелях), формула для фазовой скорости упрощается:

Как мы видим, чем выше диэлектрическая и магнитная проницаемость, тем ниже фазовая скорость распространения электромагнитного излучения в диэлектриках.

Байонетные коаксиальные радиочастотные соединители (разъемы, коннекторы) типа BNC широко используются для присоединения кабелей для передачи цифровых и аналоговых аудио и видеосигналов к испытательному оборудованию, электронным устройствам, антеннам и авиационным приборам. Обычно на кабелях устанавливают вилки (на жаргоне — «папы»), а на панелях оборудования — розетки (на жаргоне — «мамы»).

История создания

Радиочастотный коаксиальный кабель является важной частью современной электроники. Первая известная его реализация появилась в 1884 г., когда Эрнст фон Сименс (один из основателей компании Siemens) запатентовал свою идею, но в то время применений для нее не нашлось. Только в 1929 г. Bell Laboratories запатентовала современные коммерческие коаксиальные кабели, хотя их использование было относительно небольшим. Например, они применялись в 1934 г. для передачи телевизионного изображения с берлинской Олимпиады в Лейпциг. В 1936 г. между Лондоном и Бирмингемом был проведен коаксиальный кабель на 40 телефонных соединений, а в США, между Нью-Йорком и Филадельфией, была создана экспериментальная линия для передачи телевизионных изображений.

После начала коммерческого использования открылись и другие применения, хорошо себя зарекомендовавшие и получившие широкое распространение в бизнесе и дома.