Koaxialkabel

Koaxialkabelutskärningsmodell:
1. Själ eller inre konduktör
2. Isolering eller dielektrikum mellan inre ledare och kabelskärm
3. Ytterledare och skärm
4. Skyddsfodral

Koaxialkablar , eller korta koaxialkablar , är tvåpoliga kablar med en koncentrisk struktur. De består av en inre ledare (även kallad en kärna ), som på konstant avstånd omges av en ihålig cylindrisk yttre ledare . Den yttre ledaren skyddar den inre ledaren från störande strålning .

Utrymmet är en isolator eller dielektrikum . Det dielektriska kan helt eller delvis bestå av luft (se luftledning ). Den yttre ledaren är vanligtvis skyddad från utsidan av en isolerande, korrosionsbeständig och vattentät mantel. Den mekaniska strukturen och i synnerhet kabelns dielektrikum bestämmer kabelimpedansen och den frekvensberoende dämpningen av kabeln.

"Flygande" koaxialkablar utan fast installation används ofta som antennkablar för radio- eller tv -mottagning eller som cinch -anslutningar , särskilt inom ljudsektorn.

Vanliga koaxialkablar har en ytterdiameter på 2 till 15 mm, speciella former från 1 till 100 mm. Det finns också en koaxial design av luftledningar, fällinjen .

konstruktion

Koaxialkabel, avskalad

Flexibla koaxialkablar har vanligtvis inre ledare av tunna, flätade eller strängade koppartrådar och kabelskydd gjorda av likaledes flätade koppartrådar, varigenom skärmen kan kompletteras med en folie. Flätan kan då ha en lägre täckningsgrad. Stela koaxialkablar för högpresterande eller höga skärmningsfaktorer är konstruerade med en styv yttre ledare i form av ett rör.

Särskilda former av koaxialkablar har två inre ledare eller flera koaxialt anordnade yttre ledare. Dessa kablar med två yttre ledare är tillgängliga under namn som triaxialkablar och används till exempel i videoteknik när skärmningsfunktionen ska separeras från ytterledaren. En annan speciell form är en koaxialkabel med ferritmantel . Ferritbeläggningen fungerar som en common-mode choke , som stöder en push-pull- signal i en transformator och har en induktiv dämpningseffekt på en common-mode-signal . Överföringsimpedansen som en egenskap hos skärmningseffekten påverkas inte av ferrit, men avskärmningsdämpningen är det .

En variant av koaxialkabeln är den slitsade kabeln , som används som en långsträckt antenn. Den delade kabeln är en koaxialkabel med ofullständig skärmning. Dess yttre ledare har slitsar eller öppningar genom vilka HF -effekt kan avges och absorberas kontrollerat över hela kabelns längd.

Användningsområden

Ferritmantlad och vanlig koaxialkabel RG-58 i tvärsnitt.

Koaxial high-end ljudkabel med BNC-kontakter, anpassade för cinch.

Koaxialkablar är lämpliga för överföring av högfrekventa bredbandsignaler i frekvensområdet från några kHz till några GHz. Dessa kan vara högfrekventa radiosignaler, radarsignaler eller helt enkelt mätsignaler i ett testlaboratorium. Koaxialkablar användes också för Ethernet -nätverk fram till 1990 -talet. För vissa applikationer, till exempel för mikrofoner, överförs ibland också en likspänning för att förse en konsument med elektrisk energi ( fjärrförsörjning , tonkabeln , fantomförsörjning).

Koaxialkablar används för att överföra högfrekventa, obalanserade signaler; den yttre ledaren bär vanligtvis referenspotentialen, nämligen marken, den inre ledaren bär signalspänningen eller, vid fjärrmatning, även matningsspänningen. Bandkabeln används för att överföra högfrekventa symmetriska signaler.

Koaxialkablar hittar en speciell tillämpning i generationen av högeffektspulser inom radarteknik. Inga signaler överförs, men här fungerar kabeln som en högspänningskälla med ett exakt definierat internt motstånd , som har frigjort hela sin lagrade laddning efter en bestämd tid.

Koaxialkablar används också för elektrisk överföring av stereo eller flerkanaliga digitala ljudsignaler mellan olika enheter. Det vanliga S / PDIF -gränssnittet finns på CD -spelare, DAT -inspelare, MiniDiscs , mellan DVD -spelare och hemmabiomottagare, ljudsystem i fordon och digitala ljudkort i datorer.

Fysikaliska egenskaper

I koaxialkablar överförs den användbara signaleffekten i dielektrikummet mellan den inre ledaren och den yttre ledaren. Matematiskt beskrivs detta av Poynting -vektorn , som helst bara har ett annat värde än noll i dielektrikum. I detta fall finns det ingen elektrisk fältkomponent i den ideala ledaren i vågutbredningsriktningen. I dielektrikum är den elektriska fältkomponenten för en elektromagnetisk våg orienterad vertikalt mellan den inre och yttre ledaren, magnetfältkomponenten är orienterad cylindriskt runt den inre ledaren och Poynting -vektorn är orienterad i linjens längdriktning. Vid höga frekvenser kan koaxialkabeln ses som en vågledare , ytorna på den metalliska inre och yttre ledaren fungerar som en gräns för att styra en elektromagnetisk våg. Eftersom detta vanligtvis är oönskat måste ytterledarens omkrets vara mindre än våglängden λ. Detta begränsar användbarheten av koaxialkablar vid mycket höga frekvenser, eftersom oönskade vågledare lägen då kan uppstå.

Huvudskillnaden mellan en koaxialkabel och en vågledare är den inre ledaren som finns i koaxialkabeln och därmed begränsningen till TEM -läget för vågutbredning i kabeln.

Koaxialkablar har en definierad vågimpedans . För radio- och tv -mottagningsteknik är det vanligtvis 75 Ω, för andra applikationer är det 50 Ω. Dämpningen av en koaxialkabel bestäms av förlustfaktorn för isolatormaterialet och motståndskiktet . Förlusterna i dielektrikummet, nämligen isoleringsmaterialet, bestäms av dess permittivitet ; de är avgörande för ledarbeläggningen på ledningen . När det gäller en koaxialkabel är avståndet mellan den inre ledaren och den yttre ledaren och materialet i detta utrymme ( dielektriskt ) avgörande för vågmotståndet.

Det finns olika anledningar till att den karakteristiska impedansen för vanliga koaxialkablar är mellan 30 Ω och 75 Ω:
- Linjeförlust (dämpning), beroende på isolatorn och ledningens ohmiska motstånd
- överförbar kraft
Linjeförlusten per längdenhet beror på materialet som skiljer de inre och yttre ledarna.
- Om luft används som isolator är förlusterna minimala vid Z = 75 Ω ^[1]
- För polyeten är det optimala värdet 50 Ω.

Effekten som kan överföras via en koaxialkabel beror på den karakteristiska impedansen. Den maximala effekten som kan överföras är vid en vågimpedans på 30 ohm. ^[2]

Vågmotståndet väljs därför beroende på applikationen.

TV- och radioteknik: 75 Ω för att hålla förlusterna låga. Eftersom dessa system inte sänder, väljs punkten med minst förlust.
Kommunikationsteknik: 50 Ω för att ha goda överföringsegenskaper för både mottagning och överföring. (Medelvärde mellan 30 Ω och 75 Ω)

Vid högre utgångar och för att minimera signalförluster kan dielektrikummet ersättas med tunna distanser eller skum mellan de inre och yttre ledarna, det återstående utrymmet mellan ledarna fylls med luft. Som dielektrikum möjliggör luft en nästan förlustfri överföring. För luftfyllda ledningar uppstår förluster nästan uteslutande i metallens metall. Sådana koaxialkablar tillverkas ofta med yttre ledare av sluten plåt och fasta inre ledare. Men de är då mekaniskt inte särskilt flexibla och används bara i fasta installationer. Exempel är anslutningsledningar mellan sändare och antenn med överföringseffekter från cirka 100 kW och kabelnät.

På grund av sin koncentriska struktur och förläggning av referenspotentialen i den yttre ledaren erbjuder koaxialkablar en elektromagnetisk skärmningseffekt. Överföringsimpedansen är ett mått på denna skärmningseffekt och beskriver kvaliteten på en koaxialkabelskärm.

parameter

De viktiga parametrarna för en koaxialkabel inkluderar:

den karakteristiska impedansen (kabelimpedansen) Z _L - den är oberoende av linjelängden och (för högfrekventa signaler ungefär) för signalfrekvensen, enheten är ohm . Koaxialkablar med en karakteristisk impedans på 50 ohm (allmän HF -teknik) eller 75 ohm (tv -teknik) är vanliga, sällan 60 ohm (gamla system) eller 93 ohm. Värdet kan bestämmas experimentellt med hjälp av tidsdomänreflektometri . Vågen motstånd beräknas från förhållandet mellan den inre diametern D av den yttre ledaren och d hos den inre ledaren hos kabeln diameter och de dielektriska egenskaperna ( relativ permittivitet $\varepsilon _{\rm {r}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ rm {r}}}$ $\ varepsilon _ {\ rm {r}}$ ) av isoleringsmaterialet ( dielektriskt ):

Z_{L}={\frac {Z_{o}}{2\pi {\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}}\,\ln \left({\frac {D}{d}}\right)\approx {\frac {60~\Omega }{\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}\,\ln \left({\frac {D}{d}}\right)={\sqrt {\frac {L'}{C'}}}

{\ displaystyle Z_ {L} = {\ frac {Z_ {o}} {2 \ pi {\ sqrt {\ varepsilon _ {\ rm {r}}}}}} \, \ ln \ vänster ({\ frac { D} {d}} \ höger) \ approx {\ frac {60 ~ \ Omega} {\ sqrt {\ varepsilon _ {\ rm {r}}}}}} \, \ ln \ vänster ({\ frac {D} {d}} \ right) = {\ sqrt {\ frac {L '} {C'}}}}

Z_ {L} = {\ frac {Z_ {o}} {2 \ pi {\ sqrt {\ varepsilon _ {{{\ \ rm {rm {r}}}}}}}}} \ \ \ \ ln \ vänster ( {\ frac {D} {d}} \ right) \ approx {\ frac {60 ~ \ Omega} {{\ sqrt {\ varepsilon _ {{{\ \ rm {r}}}}}}}} \ \, \ ln \ vänster ({\ frac {D} {d}} \ höger) = {\ sqrt {{\ frac {L '} {C'}}}}

med vakuumets vågmotstånd

Z_{0}

{\ displaystyle Z_ {0}}

Z_ {0}

Ett beräkningsprogram finns i Ref. ^[3] Ovanstående formel och programmet försummar avledningsbeläggningen G 'och motståndsbeläggningen R' på linjen. Denna förenkling är tillåten vid högfrekvensdrift.

Eftersom förhållandet D / d är begränsat av mekaniska skäl och är logaritmiskt starkt undervärderat, kan vågmotståndet för koaxialkablar inte heller produceras godtyckligt. Koaxialkablar kan därför endast implementeras i praktiken i intervallet 30 till 100 ohm karakteristisk impedans.

dämpningen per längd, angiven i decibel per meter eller per kilometer - det beror på frekvensen. Koaxialkablar med låg förlust har största möjliga diameter, ledarna är silverpläterade ( hudeffekt ), dielektrikummet är tillverkat av teflon eller skummaterial (hög andel luft). Lågförlustkablar har en spiral av isolerande material för att stödja den inre ledaren; dielektrikummet består då huvudsakligen av luft eller en skyddsgas (SF6, svavelhexafluorid ).
kapacitansen per längdenhet för en 50 ohm koaxialkabel är ungefärlig

100 pF / m

induktansen per längdenhet för en 50 ohm koaxialkabel är ungefärlig

250 nH / m

Förökningshastighet och förkortningsfaktor . Högsta möjliga utbredningshastighet ges av ljusets hastighet i vakuum och är 299 792 455 km / s. Detta motsvarar cirka 30 cm per nanosekund (30 cm / ns; se även: lätt fot ). I jordens atmosfär minskar luftens permittivitet hastigheten till cirka 299 700 km / s. Utbredningshastigheten i kablar reduceras ytterligare på grund av permittiviteten hos det dielektrikum som används. Den så kallade förkortningsfaktorn används för beräkningen, vilket är det ömsesidiga av kvadratroten för permittiviteten ${\varepsilon _{\rm {r}}}$ ${\ displaystyle {\ varepsilon _ {\ rm {r}}}}$ ${\ varepsilon _ {{{\ rm {r}}}}}$ av kabeldielektrikum, så ${\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {\ sqrt {\ varepsilon _ {\ rm {r}}}}}}}$ ${\ frac {1} {{\ sqrt {\ varepsilon _ {{{\ rm {rm}}}}}}}}}$ . För polyeten (PE), som ofta används som kabeldielektrikum, med $\varepsilon _{\rm {r}}=2{,}25$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ rm {r}} = 2 {,} 25}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ rm {r}} = 2 {,} 25}$ detta resulterar i en förkortningsfaktor på strax under 0,67. Detta innebär att fortplantningshastigheten är cirka 200 000 km / s och fördröjningstiden beräknas till cirka 5 ns per meter kabel (för jämförelse: endast cirka 3,33 ns / m i vakuum). Teflon med en $\varepsilon _{\rm {r}}\approx 2$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ rm {r}} \ ca 2}$ $\ varepsilon _ {{{\ rm {r}}}} \ ca 2$ vilket ger en fördröjningstid på cirka 4,7 ns per meter.
Skyddande dämpning i decibel eller överföringsimpedans i mOhm / m. Skärmdämpningen används inte för kablar. Överföringsimpedansen är den vanliga uppmätta variabeln. Mätmetoderna för överföringsimpedans är standardiserade.

Linjematchning och reflektioner

Koaxialkablar för högfrekventa applikationer drivs i allmänhet med linjematchning . Kabelns lastmotstånd ska så nära som möjligt motsvara den karakteristiska impedansen så att inga reflektioner uppstår vid slutet av linjen som kan orsaka stående vågor och ökade förluster. Graden av fel matchning bestäms med stående vågmätanordningar eller tidsdomänreflektometri . För signaler med låg bandbredd kan värdet på belastningsmotståndet ändras med hjälp av en resonanstransformator .

Reflektioner och frekvensberoende egenskaper hos dielektrikumet ändrar också kantbrantheten hos digitala signaler (se dispersions- och pulsschema ).

Reflektioner uppstår vid alla punkter där vågmotståndet ändras, även med olämpliga anslutningspunkter (pluggar) vid högre frekvenser.

Signalstörning

Ingressmätning utan hackfilter 5–18 MHz

Ingressmätning med hackfilter 5–18 MHz, indikerat av frånvaron av signalen i diagrammets vänstra område

Under Ingress ( engl. , Infiltration '), även kallad exponering, avser elektromagnetiska störningar i koaxialkablar genom att sända utrustning , hushållsapparater, kraftledningar, byta strömförsörjning etc. Störningarna uppstår främst när kabeln eller dess skärmning är skadad, plugganslutningarna är defekta (eller dåligt skärmade) eller skärmdimensionen (minst 85 dB) på själva kabeln är för låg. Även om förstärkarna är överdrivna eller om en defekt i överföringspunkten eller på den inkommande kabeln är en yttre mantelbrott. Om en gren eller distributör i marken skadas kan inträngning också inträffa. Ingress kan också uppstå från dåligt skärmade antennuttag , kontakter och distributörer. Därför bör endast klass A -komponenter användas. Störningsstrålningen bör inte överstiga 40 dB.

Utgång betyder det motsatta fenomenet där signalen kommer ut. I en svagare signal kan detta leda till RF -störningar och utstrålad störning från angränsande enheter. Därför bör endast klass A -komponenter användas här också.

Anslutningar

Konstruktion och ytterdiameter samt önskat frekvensområde avgör vilka koaxiala anslutningsdelar som kan användas, HF -kontakterna. Man skiljer mellan kontakter ("hankontakt" eller "kontakt") och uttag ("honkontakt" eller "uttag"). Det finns också "könslösa" kontakter, till exempel APC -anslutningar . Kopplingarna skiljer sig åt i den yttre ledarens innerdiameter D, storleken och homogeniteten hos deras linjevågmotstånd och de använda isoleringsmaterialen. Detta, liksom vågimpedansens homogenitet, bestämmer i hög grad den maximala driftsfrekvensen (avstängningsfrekvens). Vanliga är BNC -kontakterna som används på laboratorie- och radioutrustning och tidigare på nätverkskablar. De är tillgängliga med linjeimpedanser på 50 ohm och 75 ohm.

UHF -kontakter ( amatörradio )
Belling-Lee-kontakt (kabel-tv, markantennkontakter)
F -kontakt (satellit -tv); i dessa används den inre ledaren också som en kontaktstift.

Följande tabell listar exempel på kontakter med hög avstängningsfrekvens:

diameter	beteckning	Avbrottsfrekvens
7,00 mm	APC-7, N.	0 18 GHz
3,50 mm	(SMA)	0 34 GHz
2,92 mm	K	0 40 GHz
2,40 mm	-	0 50 GHz
1,85 mm	V	0 67 GHz
1,00 mm	W.	110 GHz

Kabeltyper

Koaxialkabel för hög överföringskapacitet. Det mesta av dielektrikum är luft. Distanser mellan de inre och yttre ledarna används för att säkerställa de mekaniska dimensionerna

Styv koaxialkabel med 1,5 tum yttre ledardiameter

Kabelbeteckning

I Joint Electronics Type Designation System (JETDS, MIL-STD-196), som ett system för namngivning av elektronisk utrustning som utvecklats av det amerikanska krigsdepartementet under andra världskriget, betecknades koaxialkablar med bokstäverna RG för Radioguide. Med revisionen D i januari 1985 raderades beteckningen. ^[4] Av denna anledning uppfyller kablar som säljs idag under RG-xx-märkningen inte nödvändigtvis militära specifikationer.

För busstopologi i basbandet

10BASE5: 10 Mbit / s, basband (basband), 500 m
- RG -8 - Tjockt Ethernet eller YellowCable
  - Karakteristisk impedans 50 Ω
  - max. längd 500 m per segment
  - max. 100 anslutningar per segment
  - min. avstånd mellan anslutningar 2,5 m
  - min. böjningsradie 0,2 m
  - 5-4-3 regel :
    - max. fem segment
    - max fyra repeaters
    - max. tre segment med datoranslutningar (befolkade segment)
  - Diameter 1,27 cm
  - Anslutning av datorer med invasiva pluggar (även kallade vampyrklämmor, vampyrgrenar eller vampyrkran)
10BASE2:. 10 Mbit / s, basband (basband), ca 185 m
- RG -58 - Tunn Ethernet eller CheaperNet
  - Karakteristisk impedans 50 Ω
  - max. längd 185 m per segment
  - max. 30 anslutningar per segment
  - min. avstånd mellan anslutningar 0,5 m
  - min. böjningsradie 0,05 m (= 5 cm)
  - 5-4-3 regel :
    - max. fem segment
    - max fyra repeaters
    - max. tre segment med datoranslutningar (befolkade segment)
  - Diameter 0,64 cm
  - Anslutning av datorn med ett T-stycke
    - RG -58 U - inre ledare av massivt koppar
    - RG -58 A / U - Inre ledare strängad koppar
    - RG-58 C / U-militär spec. Från RG-58 A / U

För stjärntopologi i basbandet

ARCNET :
- RG-62
  - Karakteristisk impedans 93 Ω
  - max längd 300 m

Bredband

till exempel kabel -TV, satellit -TV
- RG-59
  - Karakteristisk impedans 75 Ω
  - Diameter 6,4 mm
S-videokabel.

Lågt ljud

Denna kabelfamilj utvecklades speciellt för applikationer där mekaniska krafter som t.ex. B. vibrationer, böjningar eller vridningsrörelser verkar på kabeln. Med konventionella kablar kan betydande störningar uppstå från sådana yttre krafter. Ljudlösa kablar har å andra sidan ett speciellt halvledande dielektrikum för att minimera denna störning.

Tekniska specifikationer

Tekniska data för några utvalda kabeltyper: ^[5] ^[6]

beteckning	Utanför- genom- kniv (mm)	min. Böjning radie (mm)	Linje vågor- motstånd	Dämpning vid (dB / 100 m)			Ver förkortning faktor	Paraply- mätte ^a
beteckning	Utanför- genom- kniv (mm)	min. Böjning radie (mm)	Linje vågor- motstånd	145 MHz	432 MHz	1.3 GHz	Ver förkortning faktor	Paraply- mätte ^a
RG174A / U	2,60	15: e	50 ± 2 Ω	38.4	68,5	> 104,2	0,66
RG58C / U	4,95	25: e		17.8	33.2	64,5
RG213 / U	10.30	50		8.5	15.8	30,0		60 dB
Aircell 5	5.00	30: e		11.9	20.9	39,0	0,82
Aircell 7	7.30	25: e		7.9	14.1	26.1	0,83	83 dB
Aircom Plus	10.30	55		4.5	8.2	15.2	0,85	85 dB
Ecoflex 10	10.20	44		4.8	8.9	16.5	0,86	> 90 dB
Ecoflex 15	14.60	150		3.4	6.1	11.4		> 90 dB
Ecoflex 15 Plus	14.60	140		3.2	5.8	10.5		> 90 dB
H1000	10.30	75		4.3 ^b	9,1 ^c	18.3	0,83	> 85 dB

^a Specifikationen för en skärmdimension utan att specificera frekvensen eller de valda referensvärdena (t.ex. strömstyrka, spänning eller fältstyrka) är inte klar. Skyddseffekten av en koaxialkabel är starkt beroende av frekvens. Mer information om koaxialkablarnas avskärmningseffekt och deras standardmässiga mätning finns i artikeln Överföringsimpedans .

^b vid 100 MHz

^c vid 400 MHz

webb-länkar

Commons : Koaxialkabel - Samling av bilder, videor och ljudfiler

Wiktionary: coaxial cable - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar

Individuella bevis

↑ Grunder och tillämpningar av koaxialkablar (PDF; 545 kB)
↑ Varför 50 ohm?
↑ microwaves101.com - program för att beräkna vågimpedansen
^ MIL-STD-196D. I: everyspec.com. Hämtad 17 juli 2020 .
↑ Undersökningsfrågor teknik amatörradio klass A med formulär (PDF) Federal Network Agency 2007, s. 136
↑ Datablad för kablar som oftast används i amatörradio från Friedrich Kusch

[1] Grunder och tillämpningar av koaxialkablar (PDF; 545 kB)

[2] Varför 50 ohm?

[3] rowaves101.com - program för att beräkna vågimpedansen

[4] MIL-STD-196D. I: everyspec.com. Hämtad 17 juli 2020 .

[5] Undersökningsfrågor teknik amatörradio klass A med formulär (PDF) Federal Network Agency 2007, s. 136

[6] Datablad för kablar som oftast används i amatörradio från Friedrich Kusch

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]