4.1 Характеристики коаксиальных кабелей

В технике радиосвязи применяются различные типы фидерных линий, в зависимости от диапазонов передаваемых частот.

В диапазонах частот, используемых в радиоканальных системах охранной сигнализации, в качестве фидерных линий обычно применяются коаксиальные кабели, относящиеся к числу несимметричных линий.

В соответствии со своим названием, коаксиальный кабель состоит из двух цилиндрических проводников, имеющих общую ось (со-axia) и разделенных диэлектриком. Для защиты кабеля от механических повреждений и от коррозии внешнего проводника служит наружная оболочка кабеля, выполняемая из изоляционного материала.

Благодаря такой конструкции, в которой прямой и обратный высокочастотные токи в основном протекают (из-за поверхностного эффекта) по внешней поверхности центрального проводника и по внутренней поверхности внешнего проводника, выполняющего роль экрана, почти вся энергия электромагнитной волны распространяется внутри коаксиального кабеля.

Удельное сопротивление коаксиальной линии (в Омах на метр) равно:



где f - частота, МГц; d - диаметр центральной жилы, мм; D - внутренний диаметр экрана, мм; k₁ и k₂ - коэффициенты, зависящие от конструкций центральной жилы и экрана.

При выполнении центральной жилы диаметра d из одиночного провода k₁=1. Если центральная жила для повышения эластичности кабеля выполняется в виде скрутки из нескольких тонких проводов, имеющей тот же внешний диаметр (d), то k₁ > 1. Например, при 7-проводной скрутке k₁=1,1.

Внешний проводник (экран) гибкого коаксиального кабеля обычно выполняется в виде оплетки из многих тонких проводов. В этом случае коэффициент k₂=1,6…2,7 в зависимости от угла скрутки проводов оплетки. При сплошном (цельном) экране (у менее эластичных кабелей) k₂=1.

При монтаже фидерных линий необходимо иметь в виду, что по степени жесткости (эластичности) коаксиальные кабели разделяются на гибкие, полугибкие, полужесткие и жесткие.

Жесткость зависит не только от эластичности центральной жилы, но и от всех других элементов конструкции кабеля (диэлектрика, экрана, защитной оболочки).

Показатель жесткости определяет, в частности, такие важные эксплуатационные параметры, как минимально допустимые радиусы однократного и многократного изгибов кабеля, которые недопустимо занижать при монтаже соединителей, вводах в оконечные устройства, прокладке и эксплуатации кабеля на всех участках, во избежание ухудшения его электрических параметров из-за перегибов и смятий, вплоть до приведения фидерной линии в полную негодность.

Если допустимый радиус изгиба кабеля неизвестен (не указывается в справочнике), следует стремиться, чтобы при монтаже он не оказался меньше 5-10 внешних диаметров кабеля (по защитной оболочке).

С другой стороны, например, при подключении кабеля с низкими потерями (и, следовательно, со сравнительно большим диаметром) к узлу питания направленной антенны «волновой канал», у которой ось разъема гамма-согласователя перпендикулярна траверсе, образующаяся при подключении большая петля кабеля вблизи активного вибратора будет искажать диаграмму направленности антенны. Особенно у направленных антенн диапазона UHF. В таких случаях антенный конец кабеля следует оснащать не прямым, а уголковым разъемом, при котором изгиб кабеля не потребуется.

При выборе типа кабеля важнейшими из его параметров являются волновое сопротивление и удельные потери.

Волновое сопротивление кабеля Z_о зависит от отношения диаметров D/d и от ε_r. Удельные потери α минимальны при отношении D/d≈3,6, при воздушном диэлектрике (ε_r=1) и при сплошных центральной жиле и экране. При одном и том же отношении D/d удельные потери снижаются с увеличением D (толщина кабеля) и возрастают с увеличением ε_r и частоты f.

Если в имеющейся справочной литературе ближайшая частота f₁, для которой приведено значение коэффициента затухания выбранного типа кабеля α_f1, отличается от интересующей строителя фидерной линии рабочей частоты радиосистемы f₂ не более чем на 20-30%, то коэффициент затухания α_f2 на частоте f₂ для расчета собственных потерь в фидере можно приближенно вычислить по формуле:

При выборе типа кабеля для фидерной линии следует учитывать ряд других важных соображений.

Плотность оплетки экрана, обычно приводимая в %, непосредственно влияет на эффективность экранирования коаксиальной линии - выраженное в децибелах отношение напряженностей магнитного поля вблизи внутренней и внешней поверхностей экрана: .

Параметр Sэ характеризует излучение (а следовательно, утечку и дополнительные потери) передаваемой по кабелю энергии сигнала в окружающее пространство и проникновение в кабель внешних помех.

Поэтому низкая эффективность экранирования коаксиального кабеля всегда вредна для фидерных линий, но особенно тогда, когда на общей антенной мачте устанавливаются несколько антенн различного назначения либо монтируется несколько элементов сложной антенной системы (решетки). Однако существует целый класс коаксиальных кабелей с малым коэффициентом Sэ (в том числе, с волновым сопротивлением Z_о=50 Ом, как у фидерной коаксиальной линии), отрезки которых, чередуясь с участками фидера, специально используются в качестве излучающих элементов, образуя антенную систему. Например, при организации подвижной связи в шахтах, в метро и других подземных сооружениях.

Повышение эффективности экранирования гибких и полугибких кабелей, используемых в качестве фидеров, обычно достигается применением многослойных экранов, состоящих из двух оплеток либо из оплетки и слоя алюминиевой или медной фольги.

У кабелей с одинарной оплеткой эффективность экранирования достигает значений 50-60 дБ, при двойной оплетке она увеличивается на 25-30 дБ, а у дорогостоящих полужестких и жестких кабелей со сплошным экраном составляет 100 дБ и более.

Некоторые типы коаксиальных кабелей изготовляются с посеребренными поверхностями медных проводов центральной жилы и оплетки. Серебрение, удорожая кабель, несущественно улучшает его электрические характеристики (например, собственные потери и потери на излучение кабеля), но зато позволяет многократно повысить стабильность этих параметров во времени, которые у кабеля без такого покрытия ухудшаются в процессе эксплуатации линии в значительно большей степени.

При выборе коаксиального кабеля для строительства фидерной линии следует иметь в виду, что, кроме кабелей с номинальными волновыми сопротивлениями 50 Ом и 75 Ом (последние в основном используются в телевизионной технике), промышленность выпускает также кабели с Z_о=100 Ом, 150 Ом и другими номиналами Z_о.

При выборе конкретной марки кабеля для фидерной линии, наряду с его волновым сопротивлением Z_o=50 Ом, прежде всего учитываются длина линии l и приводимый в справочнике (при необходимости пересчитываемый для конкретной рабочей частоты) коэффициент затухания α, которые и определяют собственные потери в кабеле:

A = αl.

Собственные потери составляют основную часть суммарных потерь в фидерной линии. Потери на излучение, ничтожно малые по сравнению с А, оцениваются косвенно по конструктивным данным экрана кабеля, но обязательно принимаются во внимание в особых случаях (см. выше).

Характеристики некоторых коаксиальных кабелей приведены в Приложении 5.

Далее >>>