Коаксиальный кабель

Коаксиа́льный ка́бель (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. Изобретён и запатентован в 1880 году британским физиком Оливером Хевисайдом.

Телевизионный коаксиальный кабель типа RG-59

Устройство коаксиального кабеля
1 — внутренний проводник,
2 — изоляция (сплошной полиэтилен),
3 — внешний проводник,
4 — оболочка (светостабилизированный полиэтилен)

Устройство

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

• 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

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

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 небольшими потерями в кабеле, а также близкие к предельно достижимым показания электрической прочности и передаваемой мощности;^[4]
• 75 Ом — распространённый тип, применяется преимущественно в телевизионной и радиотехнике (был выбран по причине^{[источник не указан 252 дня]}меньшего ослабления сигнала по сравнению с 50 Ом кабелем и хорошего согласования с волновым сопротивлением наиболее распространенного типа антенн — полуволнового диполя (73 ом); при этом потери в кабеле ниже, чем для 50 Ом);
• 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 666 дней]} 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

Обозначения советских 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:

• 1 — обычной теплостойкости со сплошной изоляцией;
• 2 — повышенной теплостойкости со сплошной изоляцией;
• 3 — обычной теплостойкости с полувоздушной изоляцией;
• 4 — повышенной теплостойкости с полувоздушной изоляцией;
• 5 — обычной теплостойкости с воздушной изоляцией;
• 6 — повышенной теплостойкости с воздушной изоляцией;
• 7 — 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.^[5]

Международные обозначения

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Системы обозначений в разных странах устанавливаются международными, национальными стандартами, а также собственными стандартами предприятий-изготовителей (наиболее распространённые серии марок RG, DG, SAT).^[6]

Категории

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-58 — «тонкий Ethernet» (Thinnet), 50 Ом. Стандарт 10BASE-2:

• RG-58/U — сплошной центральный проводник,
• RG-58A/U — многожильный центральный проводник,
• RG-58C/U — военный кабель;

• RG-59 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Российский аналог РК-75-х-х («радиочастотный кабель»);
• 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

• 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

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, — относительная диэлектрическая проницаемость ε материала внутренней изоляции.

Погонная ёмкость C_h (в системе СИ, результат выражен в фарадах на метр) вычисляется^[7] по формуле ёмкости цилиндрического конденсатора:

$C_h = \frac{2 \pi \varepsilon_0 \varepsilon}{\ln(D/d)},$

где ε₀ — электрическая постоянная.

Погонная индуктивность L_h (в системе СИ, результат выражен в генри на метр) вычисляется^[7] по формуле

$L_h = \frac{\mu_0 \mu}{2 \pi} \ln(D/d),$

где μ₀ — магнитная постоянная, μ — относительная магнитная проницаемость изоляционного материала, которая во всех практически важных случаях близка к 1.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля в системе СИ^[8]:

$Z = \sqrt{\frac{L_h}{C_h}} = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{\mu\mu_0}{\varepsilon\varepsilon_0}}\ln\frac{D}{d}\approx\frac {\lg(D/d)}{\sqrt{\varepsilon}}\cdot 138~\Omega$

(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

$v=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon\varepsilon_0 \mu\mu_0}} = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon \mu}},$

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 = √ε·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:

$V_p = \frac{Sd}{2} \ln(D/d).$

Интересные факты

Кабели с разрывами в экранирующей оболочке используются в качестве распределённых антенн.^{[источник не указан 123 дня]}

См. также

• Твинаксиальный кабель
• Витая пара
• Полосковая линия
• Радиоволновод
• Стриппер

Примечания

1. ↑ Thomson, W., [Lord Kelvin]. On the electro-statical capacity of a Leyden phial and of a telegraph wire insulated in the axis of a cylindrical conducting sheath // Phil. Mag. — IX. — 1885. — P. 531—535.
2. ↑ Paul J. Nahin. Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age. JHU Press, 2002. — P. xvi.
3. ↑ Wilfried Feldenkirchen. Werner von Siemens — Inventor and International Entrepreneur. — 1994. — ISBN 0-8142-0658-1
4. ↑ Изюмова, Свиридов, 1975, С. 51-52
5. ↑ Russian Hamradio — Высокочастотные кабели старых типов
6. ↑ Система обозначения коаксиальных кабелей фирмы HUBER&SUHNER
7. ↑ ^{1 2} Pozar, David M. Microwave Engineering. Addison-Wesley Publishing Company, 1993. ISBN 0-201-50418-9.
8. ↑ Elmore William C. Physics of Waves. — 1969. — ISBN 0-486-64926-1

Литература

• 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

• ГОСТ 11326.0-78. Кабели радиочастотные. Общие технические условия.
• 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.

Ссылки

• Высокочастотные кабели старых типов
• Таблица характеристик радиочастотных коаксиальных кабелей
• Американские коаксиальные кабели
• Критерии выбора видеокабеля
• Электрические характеристики коаксиальных кабелей
• Расчет и выбор коаксиального кабеля для аналоговых и цифровых линий

Для улучшения этой статьи желательно?: Викифицировать список литературы, используя шаблон {{книга}}, и проставить ISBN.