Czym Jest Kabel Koncentryczny?

Kabel koncentryczny (współosiowy) to typ kabla elektrycznego o specyficznej budowie, przeznaczonego do przenoszenia sygnałów wysokiej częstotliwości z minimalnymi stratami i ochroną przed zewnętrznymi zakłóceniami. Jego unikalna geometria współosiowa – gdzie wszystkie komponenty dzielą wspólną oś – jest kluczem do jego wydajności.

Główne Komponenty:

• Przewód Wewnętrzny (Rdzeń): Centralna żyła, zazwyczaj z litego drutu miedzianego lub stali miedziowanej, która przenosi sygnał wysokiej częstotliwości.
• Izolator (Dielektryk): Warstwa materiału izolacyjnego otaczająca rdzeń, oddzielająca go elektrycznie od ekranu. Właściwości dielektryka (np. polietylen, teflon) są kluczowe dla parametrów elektrycznych kabla.
• Przewód Zewnętrzny (Ekran): Metalowa warstwa, często w postaci oplotu z cienkich drucików miedzianych lub folii aluminiowej, otaczająca dielektryk. Pełni funkcję drugiego przewodnika obwodu oraz chroni rdzeń przed zewnętrznymi Zakłóceniami Elektromagnetycznymi (EMI).
• Płaszcz Ochronny: Najbardziej zewnętrzna warstwa, zazwyczaj wykonana z PVC, zapewniająca ochronę mechaniczną i odporność na warunki środowiskowe.

Jak to Działa: Fala TEM

Struktura współosiowa działa jak falowód, zamykając energię elektromagnetyczną sygnału między przewodem wewnętrznym a zewnętrznym. Energia ta rozchodzi się głównie jako Fala Poprzeczna Elektromagnetyczna (TEM).

Dla fali TEM w kablu koncentrycznym:

• Linie Pola Elektrycznego $(E)$ rozchodzą się promieniście od przewodu wewnętrznego do ekranu zewnętrznego.
• Linie Pola Magnetycznego $(H)$ tworzą koncentryczne okręgi wokół przewodu wewnętrznego.
• Oba pola są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się sygnału wzdłuż osi kabla $(z)$.

Takie zamknięcie pola jest tym, co daje kablowi koncentrycznemu doskonałe właściwości ekranujące i niską emisję zakłóceń.

Pierwotne Parametry Elektryczne (RLCG)

Zachowanie linii koncentrycznej jest w pełni opisane przez cztery rozłożone parametry pierwotne, podawane na jednostkę długości (np. na metr lub kilometr).

• Rezystancja $(R)$: Reprezentuje straty omowe w przewodzie wewnętrznym i zewnętrznym. Wzrasta z częstotliwością z powodu efektu naskórkowości.
• Indukcyjność $(L)$: Wynika z energii pola magnetycznego zmagazynowanej wokół i wewnątrz przewodników. Składa się z części wewnętrznej (zależnej od częstotliwości) i dominującej części zewnętrznej (zależnej od geometrii).
• Pojemność $(C)$: Wynika z energii pola elektrycznego zmagazynowanej w dielektryku między przewodnikami. Jest określona przez geometrię kabla (stosunek średnic) i przenikalność elektryczną dielektryka ($\epsilon_r$). Wzór: $C = \frac{2 \pi \epsilon_0 \epsilon_r}{\ln(\frac{D}{d})}$
• Upływność $(G)$: Reprezentuje straty energii w dielektryku izolacyjnym z powodu upływu prądu. Rośnie z częstotliwością i jest proporcjonalna do tangensa kąta stratności dielektryka.

Wtórne Parametry Falowe

Chociaż parametry RLCG w pełni opisują linię, w praktyce wygodniej jest pracować z parametrami wtórnymi (falowymi), które bezpośrednio opisują, jak porusza się sygnał.

Impedancja Falowa $Z_c$

To prawdopodobnie najważniejszy parametr. Jest to impedancja, jaką linia transmisyjna prezentuje dla rozchodzącej się fali. Aby zapewnić maksymalny transfer mocy i brak odbić sygnału, impedancja źródła, linii, złączy i obciążenia muszą być dopasowane.

Standardowe impedancje kabli koncentrycznych to 50 Ω (używane w sprzęcie pomiarowym RF, sieciach danych) i 75 Ω (używane w systemach wideo i telewizyjnych). Wartości te są kompromisem inżynierskim: minimalne tłumienie występuje przy około 77 Ω, a maksymalna przenoszona moc przy około 30 Ω.

Stała Propagacji $\gamma$

Ta liczba zespolona opisuje, jak zmienia się amplituda i faza sygnału podczas jego propagacji wzdłuż linii. Wzór: $\gamma = \sqrt{(R + j\omega L)(G + j\omega C)}$. Składa się z dwóch części:

• Stała Tłumienia $\alpha$: Część rzeczywista $\gamma$, mierzona w neperach/m lub dB/m. Opisuje wykładniczy zanik amplitudy sygnału z odległością.
• Stała Fazowa $\beta$: Część urojona $\gamma$, mierzona w radianach/m. Opisuje szybkość zmiany fazy sygnału z odległością. Jest związana z długością fali w kablu: $\beta = \frac{2\pi}{\lambda_{\text{kabel}}}$.

Skuteczność Ekranowania

Główną zaletą kabla koncentrycznego jest jego doskonałe ekranowanie. Skuteczność tego ekranu jest kwantyfikowana za pomocą kilku miar:

• Impedancja Transferowa $Z_t$: Miara tego, jak prąd płynący po wewnętrznej stronie ekranu "przecieka", indukując napięcie na zewnętrznej stronie ekranu. Mierzona jest w $\Omega/\text{m}$, a niższa wartość oznacza lepszy ekran.
• Skuteczność Ekranowania (SE): Mierzona w decybelach (dB), jest stosunkiem natężenia zewnętrznego pola elektromagnetycznego do natężenia pola, które przenika przez ekran do przewodu wewnętrznego. Wyższa wartość w dB oznacza lepszy ekran.

  Wzór: $SE_{\text{[dB]}} = 20 \cdot \log_{10} \left( \frac{E_{\text{padające}}}{E_{\text{wewnętrzne}}} \right)$

Popularne Zastosowania

Kable koncentryczne są używane w szerokim zakresie zastosowań, w tym:

• Dystrybucja telewizji kablowej (CATV)
• Instalacje telewizji satelitarnej (łączenie talerza z dekoderem)
• Linie zasilające anteny radiowe (np. w radioamatorstwie, stacjach bazowych komórkowych)
• Starsze sieci komputerowe (np. 10Base-2 "Thinnet" Ethernet)
• Wysokoczęstotliwościowy sprzęt testowy i pomiarowy
• Połączenia wideo (np. kompozytowe, SDI)