Коаксиальный кабель (от лат. co — совместно и axis — ось, то есть «соосный»), также известный как коаксиал (от англ. coaxial), — электрический кабель, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана. Обычно служит для передачи высокочастотных сигналов. Предложен в 1855 году Вильямом Томсоном (Лордом Кельвином), запатентован в 1880 году британским физиком Оливером Хевисайдом.
Коаксиальный кабель (см. рисунок) состоит из:
4 (A) — оболочки (служит для изоляции и защиты от внешних воздействий) из светостабилизированного (то есть устойчивого к ультрафиолетовому излучению солнца) полиэтилена, поливинилхлорида, повива фторопластовой ленты или иного изоляционного материала;
3 (B) — внешнего проводника (экрана) в виде оплетки, фольги, покрытой слоем алюминия пленки и их комбинаций, а также гофрированной трубки, повива металлических лент и др. из меди, медного или алюминиевого сплава;
2 (C) — изоляции, выполненной в виде сплошного (полиэтилен, вспененный полиэтилен, сплошной фторопласт, фторопластовая лента и т. п.) или полувоздушного (кордельно-трубчатый повив, шайбы и др.) диэлектрического заполнения, обеспечивающей постоянство взаимного расположения (соосность) внутреннего и внешнего проводников;
1 (D) — внутреннего проводника в виде одиночного прямолинейного (как на рисунке) или свитого в спираль провода, многожильного провода, трубки, выполняемых из меди, медного сплава, алюминиевого сплава, омеднённой стали, омеднённого алюминия, посеребрённой меди и т. п.
Благодаря совпадению осей обоих проводников у идеального коаксиального кабеля оба компонента электромагнитного поля полностью сосредоточены в пространстве между проводниками (в диэлектрической изоляции) и не выходят за пределы кабеля, что исключает потери электромагнитной энергии на излучение и защищает кабель от внешних электромагнитных наводок. В реальных кабелях ограниченные выход излучения наружу и чувствительность к наводкам обусловлены отклонениями геометрии от идеальности.
История создания коаксиального кабеля
1855 год — Уильям Томсон рассматривает коаксиальный кабель и получает формулу для погонной ёмкости.[1]
1880 год — Оливер Хевисайд получает британский патент № 1407 на коаксиальный кабель.[2]
1884 год — фирма Siemens & Halske патентует коаксиальный кабель в Германии (патент № 28978, 27 марта 1884).[3]
1894 год - Никола Тесла запатентовал электрический проводник для переменных токов (патент № 514167).
1929 год — Ллойд Эспеншид (англ. Lloyd Espenschied) и Герман Эффель из AT&T Bell Telephone Laboratories запатентовали первый современный коаксиальный кабель.
1936 год — AT&T построила экспериментальную телевизионную линию передачи на коаксиальном кабеле, между Филадельфией и Нью-Йорком.
1936 год — первая телепередача по коаксиальному кабелю с Берлинских Олимпийских Игр в Лейпциге.
1936 год — между Лондоном и Бирмингемом почтовой службой (теперь компания BT) проложен кабель на 40 телефонных номеров.
1941 год — первое коммерческое использование системы L1 в США, компанией AT&T. Между Миннеаполисом (Миннесота) и Стивенс Пойнт (Висконсин) запущен ТВ-канал и 480 телефонных номеров.
1956 год — проложена первая трансатлантическая коаксиальная линия, TAT-1.
Применение коаксиального кабеля
Основное назначение коаксиального кабеля — передача высокочастотного сигнала в различных областях техники:
системы связи;
вещательные сети;
компьютерные сети;
антенно-фидерные системы;
АСУ и другие производственные и научно-исследовательские технические системы;
системы дистанционного управления, измерения и контроля;
системы сигнализации и автоматики;
системы объективного контроля и видеонаблюдения;
каналы связи различных радиоэлектронных устройств мобильных объектов (судов, летательных аппаратов и др.);
внутриблочные и межблочные связи в составе радиоэлектронной аппаратуры;
каналы связи в бытовой и любительской технике;
военная техника и другие области специального применения.
Кроме канализации сигнала, отрезки кабеля могут использоваться и для других целей:
кабельные линии задержки;
четвертьволновые трансформаторы;
симметрирующие и согласующие устройства;
фильтры и формирователи импульса.
Существуют коаксиальные кабели для передачи низкочастотных сигналов (в этом случае оплётка служит в качестве экрана) и для постоянного тока высокого напряжения. Для таких кабелей волновое сопротивление не нормируется.
Классификация коаксиальных кабелей
По назначению — для систем кабельного телевидения, для систем связи, авиационной, космической техники, компьютерных сетей, бытовой техники и т. д.
По волновому сопротивлению (хотя волновое сопротивление кабеля может быть любым), стандартными являются пять значений по российским стандартам и три по международным:
50 Ом — наиболее распространённый тип, применяется в разных областях радиоэлектроники. Причиной выбора данного номинала была, прежде всего, возможность передачи радиосигналов c минимальными потерями в кабеле со сплошным полиэтиленовым диэлектриком [4], а также близкие к предельно достижимым показания электрической прочности и передаваемой мощности;[5]
75 Ом — распространённый тип:
в СССР и России применяется преимущественно со сплошным диэлектриком в телевизионной и видеотехнике. Его массовое применение было обусловлено приемлемым соотношением стоимости и механической прочности при протягивании, так как метраж этого кабеля значителен. При этом потери не имеют решающего значения, так как сигналы большой мощности по таким кабелям обычно не передавались.
В США используется для кабельных телевизионных сетей — со вспененным диэлектриком. Эти кабели имеют центральную жилу из омеднённой стали [6], поэтому их стоимость незначительно зависит от диаметра центральной жилы. Поэтому по предположению авторов [6], причиной выбора этого номинала в США был компромисс между потерями в кабеле и гибкостью кабеля.
Также раньше имело значение согласование такого кабеля с волновым сопротивлением наиболее распространенного[источник не указан 287 дней] типа антенн — полуволнового диполя (73 ом). Но поскольку коаксиальный кабель несимметричен, а полуволновой диполь симметричен по определению, для согласования требуется симметрирующее устройство, иначе оплётка кабеля (фидер) начинает работать как антенна.
100 Ом — применяется редко, в импульсной технике и для специальных целей;
150 Ом — применяется редко, в импульсной технике и для специальных целей, международными стандартами не предусмотрен;
200 Ом — применяется крайне редко, международными стандартами не предусмотрен;
Имеются и иные номиналы; кроме того, существуют коаксиальные кабели с ненормируемым[источник не указан 1141 день] волновым сопротивлением: наибольшее распространение они получили в аналоговой звукотехнике.
По диаметру изоляции:
субминиатюрные — до 1 мм;
миниатюрные — 1,5—2,95 мм;
среднегабаритные — 3,7—11,5 мм;
крупногабаритные — более 11,5 мм.
По гибкости (стойкость к многократным перегибам и механический момент изгиба кабеля): жёсткие, полужёсткие, гибкие, особогибкие.
По степени экранирования:
со сплошным экраном
с экраном из металлической трубки
с экраном из лужёной оплётки
с обычным экраном
с однослойной оплёткой
с двух- и многослойной оплёткой и с дополнительными экранирующими слоями
излучающие кабели, имеющие намеренно низкую (и контролируемую) степень экранировки
Обозначения советских коаксиальных кабелей
По ГОСТ 11326.0-78 марки кабелей должны состоять из букв, означающих тип кабеля, и трёх чисел (разделённых дефисами).
Первое число означает значение номинального волнового сопротивления.
Второе число означает:
для коаксиальных кабелей — значение номинального диаметра по изоляции, округлённое до ближайшего меньшего целого числа для диаметров более 2 мм (за исключением диаметра 2,95 мм, который должен быть округлен до 3 мм, и диаметра 3,7 мм, который округлять не следует);
для кабелей со спиральными внутренними проводниками — значение номинального диаметра сердечника;
для двухпроводных кабелей с проводниками в отдельных экранах — значение диаметра по изоляции, округлённое так же, как и для коаксиальных кабелей;
для двухпроводных кабелей с проводниками в общей изоляции или скрученных из отдельно изолированных проводников — значение наибольшего размера по заполнению или диаметра по скрутке.
Третье — двух- или трёхзначное число — означает: первая цифра — группу изоляции и категорию теплостойкости кабеля, а последующие цифры означают порядковый номер разработки. Кабелям соответствующей теплостойкости присвоено следующее цифровое обозначение:
— обычной теплостойкости со сплошной изоляцией;
— повышенной теплостойкости со сплошной изоляцией;
— обычной теплостойкости с полувоздушной изоляцией;
— повышенной теплостойкости с полувоздушной изоляцией;
— обычной теплостойкости с воздушной изоляцией;
— повышенной теплостойкости с воздушной изоляцией;
— высокой теплостойкости.
К марке кабелей повышенной однородности или повышенной стабильности параметров в конце через тире добавляют букву С.
Наличие буквы А («абонентский») в конце названия обозначает пониженное качество кабеля — отсутствие части проводников, составляющих экран.
Пример условного обозначения радиочастотного коаксиального кабеля с номинальным волновым сопротивлением 50 Ом, со сплошной изоляцией обычной теплостойкости, номинальным диаметром по изоляции 4,6 мм и номером разработки 1 «Кабель РК 50-4-II ГОСТ (ТУ)*».
Старые обозначения советских кабелей
В 1950—1960-х годах в СССР применялась такая маркировка кабелей, в обозначении которой отсутствовали значимые компоненты. Маркировка состояла из букв «РК» и условного номера разработки. Например, обозначение «РК-50» означает не 50-омный кабель, а просто кабель с порядковым номером разработки «50», а его волновое сопротивление равно 157 Ом.[7]
Международные обозначения коаксиальных кабелей
Системы обозначений в разных странах устанавливаются международными, национальными стандартами, а также собственными стандартами предприятий-изготовителей (наиболее распространённые серии марок RG, DG, SAT).[8]
Категории коаксиальных кабелей
Кабели делятся по шкале Radio Guide. Наиболее распространённые категории кабеля:
RG-11 и RG-8 — «толстый Ethernet» (Thicknet), 75 Ом и 50 Ом соответственно. Стандарт 10BASE-5;
RG-6 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Кабель категории RG-6 имеет несколько разновидностей, которые характеризируют его тип и материал исполнения. Российский аналог РК-75-х-х;
RG-11- магистральный кабель, практически незаменим, если требуется решить вопрос с большими расстояниями. Этот вид кабеля можно использовать даже на расстояниях около 600 м. Укреплённая внешняя изоляция позволяет без проблем использовать этот кабель в сложных условиях (улица, колодцы). Существует вариант S1160 с тросом, который используется для надёжной проброски кабеля по воздуху, например, между домами;
RG-62 — ARCNet, 93 Ом.
"Тонкий" Ethernet
Был наиболее распространённым кабелем для построения локальных сетей. Диаметр примерно 6 мм и значительная гибкость позволяли ему быть проложенным практически в любых местах. Кабели соединялись друг с другом и с сетевой платой в компьютере при помощи T-коннектора BNC. Между собой кабели могли соединяться с помощью I-коннектора BNC (прямое соединение). На обоих концах сегмента должны быть установлены терминаторы. Поддерживает передачу данных до 10 Мбит/с на расстояние до 185 м.
"Толстый" Ethernet
Более толстый, по сравнению с предыдущим, кабель — около 12 мм в диаметре, имел более толстый центральный проводник. Плохо гнулся и имел значительную стоимость. Кроме того, при присоединении к компьютеру были некоторые сложности — использовались трансиверы AUI (Attachment Unit Interface), присоединённые к сетевой карте с помощью ответвления, пронизывающего кабель, т. н. «вампирчики». За счёт более толстого проводника передачу данных можно было осуществлять на расстояние до 500 м со скоростью 10 Мбит/с. Однако сложность и дороговизна установки не дали этому кабелю такого широкого распространения, как RG-58. Исторически фирменный кабель RG-8 имел жёлтую окраску, и поэтому иногда можно встретить название «Жёлтый Ethernet» (англ. Yellow Ethernet).
Вспомогательные элементы коаксиального тракта
Коаксиальные разъёмы — для подключения кабелей к устройствам или их сочленения между собой, иногда кабели выпускаются из производства с установленными разъёмами.
Коаксиальные переходы — для сочленения между собой кабелей с непарными друг другу разъёмами.
Коаксиальные тройники, направленные ответвители и циркуляторы — для разветвлений и ответвлений в кабельных сетях.
Коаксиальные трансформаторы — для согласования по волновому сопротивлению при соединении кабеля с устройством или кабелей между собой.
Оконечные и проходные коаксиальные нагрузки, как правило, согласованные — для установления нужных режимов волны в кабеле.
Коаксиальные аттенюаторы — для ослабления уровня сигнала в кабеле до необходимого значения.
Ферритовые вентили — для поглощения обратной волны в кабеле.
Грозоразрядники на базе металлических изоляторов или газоразрядных устройств — для защиты кабеля и аппаратуры от атмосферных разрядов.
Коаксиальные переключатели, реле и электронные коммутирующие коаксиальные устройства — для коммутации коаксиальных линий.
Коаксиально-волноводные и коаксиально-полосковые переходы, симметрирующие устройства — для состыковки коаксиальных линий с волноводными, полосковыми и симметричными двухпроводными.
Проходные и оконечные детекторные головки — для контроля высокочастотного сигнала в кабеле по его огибающей.
Основные нормируемые характеристики коаксиальных кабелей
Волновое сопротивление
Погонное ослабление на разных частотах
Погонная ёмкость
Погонная индуктивность
Коэффициент укорочения
Диаметр центральной жилы
Внутренний диаметр экрана
Внешний диаметр оболочки
Коэффициент стоячей волны
Максимальная передаваемая мощность
Максимальное допустимое напряжение
Минимальный радиус изгиба кабеля
Расчёт характеристик коаксиальных кабелей
Номограмма для определения волнового сопротивления кабеля
Определение погонной ёмкости, погонной индуктивности и волнового сопротивления коаксиального кабеля по известным геометрическим размерам проводится следующим образом.
Сначала необходимо измерить внутренний диаметр D экрана, сняв защитную оболочку с конца кабеля и завернув оплетку (внешний диаметр внутренней изоляции). Затем измеряют диаметр d центральной жилы, сняв предварительно изоляцию. Третий параметр кабеля, который необходимо знать для определения волнового сопротивления, — диэлектрическая проницаемость ε материала внутренней изоляции.
Погонная ёмкость Ch (в системе СИ, результат выражен в фарадах на метр) вычисляется[9] по формуле ёмкости цилиндрического конденсатора:
где ε0 — электрическая проницаемость эфира.
Погонная индуктивность Lh (в системе СИ, результат выражен в генри на метр) вычисляется[9] по формуле
где μ0 — магнитная проницаемость эфира, μ — относительная магнитная проницаемость изоляционного материала, которая во всех практически важных случаях близка к 1.
Волновое сопротивление коаксиального кабеля в системе СИ[10]:
(приближённое равенство справедливо в предположении, что μ = 1).
Волновое сопротивление коаксиального кабеля можно также определить по номограмме, приведённой на рисунке. Для этого необходимо соединить прямой линией точки на шкале D/d (отношения внутреннего диаметра экрана и диаметра внутренней жилы) и на шкале ε (диэлектрической проницаемости внутренней изоляции кабеля). Точка пересечения проведённой прямой со шкалой R номограммы соответствует искомому волновому сопротивлению.
Скорость распространения сигнала в кабеле вычисляется по формуле
где c — скорость света. При измерениях задержек в трактах, проектировании кабельных линий задержек и т. п. бывает полезно выражать длину кабеля в наносекундах, для чего используется обратная скорость сигнала, выраженная в наносекундах на метр: 1/v = v-1·3,33 нс/м.
Предельное электрическое напряжение, передаваемое коаксиальным кабелем, определяется электрической прочностью S изолятора (в вольтах на метр), диаметром внутреннего проводника (поскольку максимальная напряжённость электрического поля в цилиндрическом конденсаторе достигается возле внутренней обкладки) и в меньшей степени диаметром внешнего проводника:
Кабели с разрывами в экранирующей оболочке используются в качестве распределённых антенн.
Электрические характеристики коаксиальных кабелей
Электрические характеристики радиочастотных коаксиальных кабелей со сплошной ПЭ изоляцией
Н. И. Белоруссов, И. И. Гроднев. Радиочастотные кабели. 2-е изд., перераб. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.
Т. И. Изюмова, В. Т. Свиридов. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. — М.: Энерия, 1975.
Д. Я. Гальперович, А. А. Павлов, Н. Н. Хренков. Радиочастотные кабели. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник/Н. И. Белоруссов, А. Е. Саакян, А. И. Яковлева: Под ред. Н. И. Белоруссова. — 5 изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 536 с.; ил.
Любительская радиосвязь на КВ. Под ред. Б. Г. Степанова. — М.: Радио и связь, 1991.
Справочная книга радиолюбителя-конструктора. Под ред. Н. И. Чистякова. — М.: Радио и связь, 1990.
Дж. Дэвис, Дж. Дж. Карр. Карманный справочник радиоинженера. Пер. с англ. — М.: Додэка-XXI, 2002.
Нормативно-техническая документация на коаксиальные кабели
IEC 60078(1967). Кабели радиочастотные коаксиальные. Волновое сопротивление и размеры.
IEC 60096-1(1986). Кабели радиочастотные. Часть 1: Общие требования и методы измерений.
IEC 60096-2(1961). Кабели радиочастотные. Часть 2: Частные технические условия на кабели.
IEC 60096-3(1982). Кабели радиочастотные. Часть 3: Общие требования и испытания одножильных коаксиальных кабелей для использования в кабельных распределительных системах.
MIL-C-17 Coaxial Cable (военный стандарт США).
МЭК 78-67, МЭК 96-0-70, МЭК 96-1-86, МЭК 96-3-82.
ТУ 16.К99-006-2001, ТУ16-505.858-81, ТУ16-705.125-79, ТУ16-505.166-77.
Знаете ли Вы, что такое "усталость света"? Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г. На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях. Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
