Kabel Koncentryczny | Teleinf Edu

Budowa kabla koncentrycznego

Kabel koncentryczny to kabel elektryczny o określonej geometrii, przeznaczony do przenoszenia sygnałów wysokiej częstotliwości. Zastosowanie współosiowych przewodników, które mają wspólną oś, pomaga kontrolować pole elektromagnetyczne, tłumienie i podatność na zakłócenia zewnętrzne. Użyteczne pasmo częstotliwości i tłumienie zależą od budowy kabla oraz określonych dla niego limitów pracy. Sama impedancja znamionowa nie określa pasma.

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) określają parametry elektryczne kabla.
Przewód zewnętrzny (ekran): Metalowa warstwa, często w postaci oplotu z cienkich drucików miedzianych lub folii aluminiowej, otaczająca dielektryk. Pełni funkcję drugiego przewodnika obwodu i chroni rdzeń przed zewnętrznymi .
Płaszcz Ochronny: Najbardziej zewnętrzna warstwa, zazwyczaj wykonana z PVC, zapewniająca ochronę mechaniczną i odporność na warunki środowiskowe.

Jak kabel koncentryczny prowadzi falę TEM

Struktura współosiowa ogranicza większość energii elektromagnetycznej między przewodem wewnętrznym a zewnętrznym. W przewidzianym zakresie pracy sygnał rozchodzi się głównie jako .

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 $(z)$ .

Ograniczenie pola wspiera ekranowanie i zmniejsza wydostawanie się energii sygnału poza kabel. Rzeczywiste parametry zależą także od budowy ekranu, złączy i sposobu zakończenia kabla.

Pierwotne Parametry Elektryczne (RLCG)

Dla jednorodnej linii koncentrycznej zachowanie toru opisuje się czterema rozłożonymi parametrami pierwotnymi, podawanymi na jednostkę długości (np. na metr lub kilometr).

Rezystancja $(R)$ : Reprezentuje straty omowe w przewodzie wewnętrznym i zewnętrznym. Wzrasta z częstotliwością z powodu .
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 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 $Z_c$

Impedancja falowa jest impedancją, jaką linia transmisyjna przedstawia dla rozchodzącej się fali. Dopasowanie źródła, linii, złączy i obciążenia ogranicza odbicia, a maksymalny transfer mocy zależy także od warunków źródła i obciążenia.

Wzór Ogólny

$Z_c = \sqrt{\frac{R + j\omega L}{G + j\omega C}}$

Przybliżenie Wysokoczęstotliwościowe

(dla linii niskostratnych)

$Z_c \approx \sqrt{\frac{L}{C}}$

Dla jednorodnego kabla koncentrycznego z dielektrykiem o względnej przenikalności $\epsilon_r$ przybliżenie bezstratne można zapisać jako $Z_0 \approx \frac{60}{\sqrt{\epsilon_r}} \ln\left(\frac{D}{d}\right)$ , gdzie $D$ oznacza średnicę wewnętrzną przewodu zewnętrznego, a $d$ średnicę przewodu wewnętrznego.

Standardowe impedancje kabli koncentrycznych to 50 Ω (używane w sprzęcie pomiarowym RF i wielu systemach radiowych) oraz 75 Ω (używane w systemach wideo i telewizyjnych). W idealizowanych konstrukcjach z dielektrykiem powietrznym kompromis teoretyczny przypada w pobliżu 77 Ω dla minimalnego tłumienia oraz 30 Ω dla maksymalnej obciążalności mocą. Praktyczne kable wykorzystują wartości znormalizowane wraz z określoną geometrią i dielektrykiem.

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

Ekranowanie kabla koncentrycznego opisuje się za pomocą kilku miar elektrycznych:

Impedancja transferowa $Z_t$ : Miara sprzężenia prądu płynącego po wewnętrznej stronie ekranu z jego stroną zewnętrzną, gdzie powstaje napięcie. Mierzy się ją w $\Omega/\text{m}$ . Niższa wartość oznacza skuteczniejsze ekranowanie.
Skuteczność ekranowania (SE): Mierzona w decybelach (dB), jest stosunkiem natężenia padającego pola zewnętrznego do natężenia pola, które przez ekran dociera do przewodu wewnętrznego. Wyższa wartość w dB oznacza skuteczniejsze ekranowanie.
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)