Что такое коаксиальный кабель, основные характеристики и где используется

Вряд ли есть человек, который ни разу не видел коаксиальный кабель. Коаксиальный кабель используется для передачи высокочастотных сигналов на небольшие расстояния. Он широко применяется в телекоммуникационной индустрии, включая передачу телевизионных сигналов и интернет-соединений. Коаксиальные кабели также используются в радиосвязи, видеонаблюдении, медицинском оборудовании и других приложениях, где необходима передача высокочастотных сигналов с минимальными потерями качества сигнала. Как он устроен, в чём его преимущества, каковы его области применения – в этом многим ещё предстоит разобраться.

Как устроен коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель — это вид кабеля, который состоит из двух концентрических проводников, разделенных изоляционным слоем. Внешний проводник состоит из металлической оплетки или фольги, а внутренний проводник может быть выполнен из меди или других материалов.

Коаксиальный кабель состоит из:

• внутреннего проводника (центральной жилы);
• диэлектрика;
• внешнего проводника (оплетки);
• внешнего покрытия.

Если рассмотреть кабель в поперечном сечении, то видно, что оба его проводника расположены на одной оси. Отсюда и название кабеля: по-английски coaxial – соосный.

Внутренний проводник в хорошем кабеле выполняют из меди. Сейчас в дешёвых изделиях применяют алюминий или даже обмеднённую сталь. Диэлектриком в качественном кабеле служит полиэтилен, а в высокочастотных кабелях – фторопласт. В недорогих вариантах применяются различные вспененные пластики.

Классический материал для оплётки – медь, причём оплётка качественной продукции выполняется с плотным плетением, без пропусков. В менее качественных кабелях для изготовления внешнего проводника применяют сплавы из меди, иногда стальные сплавы, для удешевления применяется редкое плетение, в некоторых случаях – фольга.

Область применения коаксиального кабеля, его плюсы и минусы

Наиболее распространено применение коаксиального кабеля для передачи токов высокой частоты (РЧ, СВЧ и выше). Во многих случаях так выполняют связь между антенной и передатчиком или между антенной и приёмником, а также в системах кабельного телевидения. Такой сигнал можно передать и с помощью двухпроводной линии – она дешевле.

В некоторых случаях так и делается, но у такой линии есть серьёзный недостаток – электрическое поле в ней проходит через открытое пространство, и если в него попадет сторонний проводящий предмет, это вызовет искажения сигнала – затухание, отражение и т.п. А у коаксиального кабеля электрическое поле находится полностью внутри, поэтому при прокладке не надо беспокоиться, что линия пройдет мимо металлических предметов (или они могут впоследствии оказаться в непосредственной близости к кабелю) – на работу линии передачи они воздействия не окажут.

Электрическое поле кабеля и двухпроводной линии.

К недостаткам коаксиального кабеля относят его высокую стоимость. Также минусом считается высокая трудоёмкость ремонта поврежденной линии.

Раньше коаксиальные кабели широко применялись и для организации линий передачи данных в вычислительных сетях. На сегодняшний день скорости передачи возросли до уровней, которые радиочастотный кабель обеспечить не может, поэтому такое применение стремительно сворачивается.

Отличие коаксиального кабеля от бронированного кабеля и экранированного провода

Часто коаксиальный кабель путают с экранированным проводом и даже с бронированным силовым кабелем. При наличии определенного внешнего сходства конструкции («жила-изоляция-металлический гибкий кожух») предназначение и принцип работы у них разный.

У коаксиального кабеля оплетка выполняет роль второго проводника, замыкающего цепь. По ней в обязательном порядке идёт ток нагрузки (иногда даже по внутренней и внешней сторонам различный). Оплётка может иметь контакт с заземлением в целях безопасности, может не иметь – на её работу это не влияет. Также неверно её называть экраном – глобально экранирующую функцию она не несёт.

У бронированного кабеля внешняя металлическая оплётка защищает изоляционный слой и жилу от механического воздействия. Она имеет высокую прочность, и её по требованиям безопасности заземляют всегда. В штатном режиме ток по ней не течёт.

У экранированного провода внешняя проводящая оболочка предназначена для защиты проводника от действия внешних помех. Если защищать надо от НЧ-помех (до 1 МГц), то экран заземляется только с одной стороны провода. Для помех выше 1 МГц экран служит хорошей антенной, поэтому его заземляют на всем протяжении в нескольких точках (как можно чаще). В нормальном режиме ток также не должен течь по экрану.

Технические параметры коаксиального кабеля

Один из главных параметров, на который надо обратить внимание при выборе кабеля, это его волновое сопротивление. Хотя этот параметр измеряется в омах, его не измерить обычным тестером в режиме омметра, и он не зависит от длины отрезка кабеля.

Волновое сопротивление линии определяется отношением его погонной индуктивности к погонной ёмкости, которое, в свою очередь, зависит от соотношения диаметров центральной жилы и оплетки, а также от свойств диэлектрика. Поэтому в отсутствие приборов «измерить» волновое сопротивление можно с помощью штангенциркуля – надо найти диаметр жилы d и оплетки D, и подставить значения в формулу.

Здесь также:

• Z₀ – искомое волновое сопротивление;
• E_r – диэлектрическая проницаемость диэлектрика (для полиэтилена можно принять 2,5, а для вспененного материала – 1,5).

Сопротивление кабеля может быть любым при разумных размерах, но стандартно выпускаются изделия со значениями:

• 50 Ом;
• 75 Ом;
• 120 Ом (довольно редкий вариант).

Говорить о том, что кабель 75 Ом лучше кабеля 50 Ом (либо наоборот) нельзя. Каждый должен быть применён на своем месте – волновое сопротивление выхода передатчика Z_и, линии связи (кабеля) Z₀ и нагрузки должно быть одинаковым Z_н, только в этом случае передача энергии от источника в нагрузку произойдет без потерь и отражений.

Существуют определённые практические ограничения на изготовление кабелей с большим волновым сопротивлением. Кабель на 200 Ом и выше должен быть с очень тонкой жилой или с большим диаметром внешнего проводника (чтобы соблюсти большое соотношение D/d). Такое изделие сложнее использовать, поэтому для трактов с большим сопротивлением используют либо двухпроводные линии, либо согласующие устройства.

Другой важный параметр коаксиала – затухание. Измеряется в дБ/м. В общем случае, чем толще кабель (точнее, чем больше диаметр центральной жилы), тем меньше в нём затухает сигнал с каждым метром длины. Но на этот параметр также влияют материалы, из которых изготовлена линия связи. Омические потери определяет материал центральной жилы и оплётки. Свой вклад вносят потери в диэлектрике. Эти потери увеличиваются с ростом частоты сигнала, для их снижения применяются специальные изолирующие материалы (фторопласт и т.п.). Применяемые в недорогих кабелях вспененные диэлектрики способствуют повышенному затуханию.

Ещё одна важная характеристика коаксиального кабеля – коэффициент укорочения. Этот параметр нужен там, где надо знать длину кабеля в длинах волны передаваемого сигнала (например, в трансформаторах сопротивления). Электрическая длина и физическая длина кабеля не совпадают, потому что скорость света в вакууме больше скорости света в диэлектрике кабеля. Для кабеля с полиэтиленовым диэлектриком К_укор=0,66, для фторопласта – 0,86. Для дешевых изделий с вспененным изолятором – непредсказуемо, но ближе к 0,9. В зарубежной технической литературе используется величина коэффициент замедления – К_замедл=1/К_укор.

Также у коаксиального кабеля имеются и другие характеристики – минимальный радиус изгиба (зависит, в основном, от внешнего диаметра), электрическая прочность изолятора и т.п. Они тоже иногда нужны для выбора коаксиала.

Маркировка коаксиальных кабелей

У продукции отечественного производства имелась цифро-буквенная маркировка (её можно встретить и сейчас). Кабель обозначался буками РК (радиочастотный кабель), дальше шли цифры, обозначающие:

• волновое сопротивление;
• толщину кабеля в мм;
• каталожный номер.

Так, кабель РК-75-4 обозначал продукцию с волновым сопротивлением 75 Ом и диаметром по изоляции 4 мм.

Международное обозначение также начинается с двух букв:

• RG-радиочастотный кабель;
• DG – кабель для цифровых сетей;
• SAT, DJ – для сетей спутникового вещания (высокочастотный кабель).

Далее идет цифра, в явном не несущая технической информации (для её расшифровки придётся заглянуть в паспорт кабеля). Дальше могут быть ещё буквы, означающие дополнительные свойства. Пример обозначения – RG8U – радиочастотный кабель 50 Ом со сниженным диаметром центральной жилы и уменьшенной плотностью оплётки.

Разобравшись в отличиях коаксиального кабеля от другой кабельной продукции и усвоив влияние его параметров на эксплуатационные характеристики, можно успешно применять это изделие в тех областях, для которых оно предназначено.

Какой антенный кабель лучше использовать для телевизора — все критерии

Какие провода бывают — все разновидности кабелей и проводов

Что такое силовой электрический кабель и из чего он состоит?

Какой кабель выбрать для подключения к интернету: витая пара или коаксиальный?

Как рассчитать необходимое сечение провода по мощности нагрузки?

Чем отличаются аналоговый сигнал от цифрового — примеры использования