Какие характеристики коаксиального кабеля определяют его частотные свойства

Эти характеристики приводятся в документации производителя или в рекламных проспектах. Существуют и другие, менее значимые для выбора кабеля характеристики, например, напряжение пробоя или передаваемая мощность, которые тоже приводятся в документации. Далее подробнее рассмотрим каждую из перечисленных характеристик, а также связанные с ними понятия.

Напомним, что важнейшим физическим явлением, характеризующим принцип работы коаксиального кабеля при передаче по нему высокочастотного сигнала, является поверхностный эффект (скин-эффект). Известно, что сопротивление металлического проводника зависит от его размеров. Если увеличить диаметр проводника, то область протекания электронов станет шире и сопротивление проводника по постоянному току уменьшится. То же самое справедливо и для переменного тока – проводник большего размера вносит меньшие потери в передаваемый сигнал – однако на разных частотах затухание по переменному току оказывается различным. Причиной этого и является скин-эффект, возникающий в металлическом проводнике. Суть его состоит в том, что в области, близкой к наружной поверхности проводника протекает больше электронов, чем в центре проводника. Чем выше частота сигнала, тем более выражен скин-эффект. На тех частотах, которые используются в системах КТВ, скин-эффект становится довольно ощутимым. Таким образом, скин-эффект объясняет зависимость затухания радиочастотного сигнала в кабеле от частоты. На высоких частотах во внешней приповерхностной области проводника протекает больше электронов, чем на низких частотах. В результате на высоких частотах в передачу вносятся большие потери, поскольку увеличение частоты влечет уменьшение (сужение) той области проводника, в которой распространяется поток электронов.

Полоса частот, которую предоставляет кабель для передачи сигнала, напрямую связана с величиной затухания сигнала на разных частотах радиочастотного спектра, которая, в свою очередь зависит от качества используемых в кабеле материалов. Бессмысленно говорить о ширине полосы пропускания кабеля без указания соответствующей ей величины затухания. Речь здесь идет лишь о ширине полосы при допустимом затухании. В принципе коаксиальный кабель способен пропускать радиочастотный сигнал очень высоких частот и доступная для передачи полоса частот может быть очень широкой. По этой характеристике коаксиальный кабель уступает только волоконно-оптическому кабелю. Другие среды передачи (витая пара, радиоканал) имеют существенно худшие показатели затухание-полоса. Коаксиальные кабели нового поколения способны работать в частотном диапазоне до 2 ГГц. Этого вполне достаточно для создания сетей КТВ, имеющих стандартную полосу 5 – 1000 МГц.
Потери в коаксиальном кабеле происходят вследствие рассеяния энергии сигнала на металлических проводниках кабеля. Результат этого рассеяния выражается в том, что в процессе распространения по кабелю уровень сигнала падает. Потери в кабеле определяются разностью между уровнями сигнала на выходе и на входе кабеля;

S = Sвых – Sвх .

Затухание (потери) сигнала в заданной полосе частот является основной исходной характеристикой на этапе проектирования магистрального усилительного участка и распределительной сети. Исходя из этого параметра и предполагаемой длины магистральной линии передачи, рассчитывается возможная протяженность усилительного участка и выбирается усиление усилителей, достаточное для компенсации потерь на этом участке. Потери задаются для определенной частоты, находящейся в пределах доступной полосы и для определенной длины кабеля (обычно на 100 м), поскольку затухание сигнала, кроме частоты зависит, очевидно, и от пройденного им по кабелю расстояния. Чем длиннее кабель, тем большая часть входной энергии рассеется в нем и тем ниже будет уровень выходного сигнала. Таким образом, любое значение потерь сигнала данного кабеля всегда задается относительно частоты передачи и длины отрезка кабеля. В спецификации обязательно указывается, при какой частоте и длине отрезка было измерено данное значение затухания. В магистральной сети к величине потерь предъявляются более высокие требования, чем в домовой сети.

На разных частотах затухание различно, и, чем выше частота, тем сильнее затухание. Экспериментально установлено, что зависимость коэффициента затухания от частоты f имеет нелинейный характер, причем затухание растет с ростом частоты в заданной полосе пропорционально квадратному корню из частоты:

L = а + bf + c(f^1/2) ,

где а, Ь, с – коэффициенты (c >>а, с>>Ь), значения которых зависят от конкретной серии кабеля. Затухание в кабеле является функцией от диаметров проводников кабеля, физических свойств используемого металла и диэлектрического материала кабеля. Сплошной медный кабель имеет меньшие потери, чем алюминиевый или стальной. Кабель с твердым полимерным диэлектриком при тех же размерах имеет большее затухание. Для кабеля большего диаметра с тем же диэлектриком затухание сигнала будет ниже. Эти особенности марки кабеля и учитываются коэффициентами а, Ь, с в приведенной формуле. В результате для каждой марки кабеля вид зависимости потерь от частоты. Неизменным будет только нелинейный характер зависимости.

Зависимость потерь в кабеле от его длины, очевидно, является линейной. Поэтому потери задаются как удельная величина, рассчитанная для определенной длины, обычно на 100 м.

В табл. 8.2 представлены значения потерь передачи в полосе частот 5-1750 МГц для кабеля разных типов (абонентский RG-59, распределительные RG-6 и RG-11, магистральный серии 540). Приведенные значения не являются стандартными, а только характеризуют кабель определенной марки и могут несколько отличаться у разных производителей.

Такой характеристикой кабеля является его полное волновое сопротивление (импеданс). Любая металлическая линия передачи, будь то витая пара или коаксиальный кабель, характеризуется волновым сопротивлением. Волновое сопротивление коаксиального кабеля является функцией отношения диаметра внутреннего проводника к диаметру внешнего проводника и свойства используемого в кабеле диэлектрика. Основной показатель электромагнитных свойств любого диэлектрического материала – это его диэлектрическая постоянная. В коаксиальных кабелях могут использоваться разные диэлектрические материалы с разными значениями диэлектрической постоянной. Так, для воздуха диэлектрическая постоянная равна 1, для твердых полимерных материалов диэлектрическая постоянная находится в пределах от 2 до 2,5. Диэлектрическая постоянная полутвердых или вспененных полимеров, представляющих собой пористую структуру, заполненную воздухом или инертным газом, составляет около 1,5.

Волновое сопротивление имеет размерность резистивного сопротивления (Ом). Существует приблизительная эмпирическая формула для расчета импеданса Z коаксиального кабеля с некоторым диэлектриком:

где D – диаметр внешнего проводника; d – диаметр внутреннего проводника; к -диэлектрическая постоянная материала.

Эта формула показывает, что можно изготовить коаксиальные кабель любых размеров и независимо от этого импеданс будет одним и тем же, если все параметры кабеля меняются пропорционально и между ними сохраняется соответствующее постоянное соотношение. Например:

1) D = 0,886 см, d= 0,254, к= 1,0;
2) D = 0,443 см, d =0,127 см, к = 1,0;
3) D = 1,905 см, d = 0,444 см, к = 1,5.

Хотя во всех трех случаях значения параметров кабеля различны, импеданс оказывается примерно равным 75 Ом.

Значение 75 Ом стандартизовано для систем кабельного телевидения. Чтобы понять, почему именно это значение выбрано как стандартное, нужно рассмотреть влияние импеданса на важнейшие качественные характеристики кабеля – потери сигнала на радиочастотах, эффективность передачи мощности по постоянному току и напряжение пробоя (каждый фактор учитывается при постоянстве двух остальных). Понятно, что потери должны быть минимальны, передаваемая мощность максимальна и напряжение пробоя также максимально. На рис. 8.3 показаны характерные зависимости всех трех факторов от величины импеданса коаксиального кабеля.

По рисунку видно, что каждая зависимость имеет свою точку оптимального импеданса. Оптимальный с точки зрения потерь передачи импеданс кабеля составляет около 76 Ом. Если же оценивать величину волнового сопротивления по критерию максимума напряжения пробоя, то оптимальным является значение 60 Ом. С точки зрения повышения эффективности передачи мощности сигнала более подойдет кабель с импедансом около 33 Ом. Обратите внимание, что на участке между 30 и 75 Ом зависимости затухания и мощности передачи имеют один характер. Это можно объяснить следующим образом. Уменьшая размер центрального проводника и оставляя неизменным размер внешнего проводника, увеличиваем импеданс кабеля и сопротивление центрального проводника, следовательно, для передачи по кабелю сигнала той же мощности потребуется меньший ток через проводник. С другой стороны, уменьшая размер центрального проводника, сужаем область протекания потока электронов, т.е. уменьшаем область действия скин-эффекта, что в свою очередь ведет к увеличению потерь передачи на радиочастотах. Получается, что увеличивая импеданс, снижаем потери, но в то же время снижаем эффективность передачи сигнала. Стандартное значение было выбрано на основе компромисса между этими факторами. Поскольку в системах КТВ передаются сигналы с довольно низкими уровнями мощности, а протяженность коаксиальных кабельных линий часто очень велика, то более предпочтителен компромисс в пользу снижения потерь передачи на радиочастотах за счет уменьшения переносимой мощности.

Чтобы снизить потери при постоянном значении импеданса 75 Ом, можно просто увеличить диаметры и внешнего и внутреннего проводников, сохраняя их соотношение, однако, на изготовления кабеля большего размера расходуется больше материала и стоимость такого кабеля будет выше.

С величиной волнового сопротивления тесно связан другой параметр кабеля – показатель возвратных потерь (RL). Показатель возвратных потерь является для кабеля менее критичным параметром, чем другие. Далее, при рассмотрении отражений в кабельных системах, будет показано, что в нормальных условиях возвратные потери во внутренней структуре кабеле гораздо выше, чем для любого прибора. Это значит, что уровень отраженного сигнала (возвратной волны) очень мал и при расчетах его не учитывают. Существенные внутренние отражения в кабеле возникают на неоднородностях волнового сопротивления, которые образуются только за счет механических дефектов во внутренней структуре или при наличии повреждений вдоль отрезка кабеля. Напомним, что волновое сопротивление кабеля зависит от диаметров внутреннего и внешнего проводника и диэлектрической постоянной изолирующего материала. При изменении любого из этих параметров меняется и волновое сопротивление. Это может произойти во время производства, прокладки или эксплуатации кабеля. Однако, процесс производства тщательно контролируется добросовестным производителем, поэтому более вероятны две другие причины. Если при прокладке на кабеле образуется сильный перегиб или петля, то в структуре кабеля возникнет механическое напряжение и геометрия поперечного сечения кабеля меняется.

Случайные повреждения в процессе эксплуатации кабеля происходят из-за неосторожного обращения, результатом которого может быть передавливание кабеля или повреждение его внешней оболочки. При сдавливании пенистого материала меняется его диэлектрическая постоянная, а передавливание проводников может вызывать появление микротрещин и менять их электрические параметры. Такие изменения, как правило, трудно контролируемы и плохо поддаются измерению. Однократное случайное изменение импеданса в некоторой точке скорее всего не окажет никакого влияния на работу кабеля, но несколько наличие нескольких таких периодично расположенных точек может вызвать существенное суммарное отражение сигнала, превышающее допустимый уровень. Особенно это актуально для процесса прокладки, при котором зачастую интервалы между точками крепления кабеля подчинены периодичности городской инфраструктуры. Если отражения от нескольких нерегулярностей складываются друг с другом в фазе, то формирующееся отражение может вызывать очень серьезные потери сигнала.

Величина возвратных потерь в кабеле характеризуется параметром SRL (Structual Return Loss), который эквивалентен коэффициенту отражения и показывает степень подавления возвратной волны. Этот параметр определяется путем измерения величины отраженного сигнала в кабеле во всей полосе системы передачи с помощью генератора качающейся частоты (sweep-генератора). При выборе кабеля надо учитывать, что он должен иметь различную величину SRL для разных типов кабеля. Согласно стандарту EN-50083 для магистральных кабелей величина SRL должна быть не ниже 30 дБ (соответствует коэффициенту отражения не более 3%), а для распределительных и абонентских кабелей не хуже 20 дБ.

Еще одной электрической характеристикой кабеля, не зависящей от частоты, является его сопротивление по постоянному току. Сопротивление по постоянному току обычно определяется отдельно для центрального проводника, внешнего проводника и полной цепи. Затухание сигнала в заданной полосе частот и сопротивление по постоянному току являются двумя наиболее важными и критичными характеристиками при проектировании системы питания кабельной сети наряду со значениями токов, потребляемых усилителями, и длинами кабельных участков. Сопротивление кабельной цепи является определяющим фактором для расчета напряжения, потребляемого всей сетевой структурой. Питание осуществляется по магистральному кабелю с помощью так называемых устройств вставки питания (инсертеров питания). Эффективность передачи постоянного тока к потребляющим устройствам определяется сопротивлением кабельной цепи. Этот параметр особенно важен в системах с высоким уровнем потребления электроэнергии. В современных сетях наблюдается рост потребляемой мощности, связанный с использованием перестраиваемых модульных усилителей с более сложной структурой и подключением к сети интерфейсных устройств кабельной телефонии и передачи данных. Без сомнения эта тенденция сохранится и в будущем. Общее число источников питания в системе зависит от суммарного потребления энергии активными элементами и от сопротивления кабельного контура. Выбор кабеля с низким сопротивлением постоянному току может привести к уменьшению необходимого числа источников питания. Кроме того, использование кабеля с низким сопротивлением позволяет снизить затраты на энергопотребление.

Одной из важнейших характеристик коаксиальных кабелей, является коэффициент экранирования, называемый также screen-фактором. Он показывает степень защиты передаваемого сигнала от влияния внешних электромагнитных помех. Измеряется этот показатель также в децибелах, а определяется он как отношение уровня полезного сигнала к уровню помехи по мощности в некоторой точке кабеля. Величина коэффициента экранирования особенно важна, когда уровень сигналов эфирных передатчиков ТВ и радио, а также уровни бытовых электромагнитных помех очень высоки, что характерно для городских условий. К кабелям разных типов предъявляются разные требования по коэффициенту экранирования. Стандарт EN-50083 устанавливает, что этот параметр должен быть в любом случае не ниже 75 дБ в полосе частот прямого канала 30 – 1000 МГц. Для таких крупных городов как Санкт-Петербург и Москва экранирование распределительных кабелей должно составлять не менее 85 – 90 дБ, а экранирование абонентских кабелей не менее 80 дБ. Для магистральных кабелей экранирование должно составлять не менее 100 дБ. Считается, что в средних условиях кабель с показателем экранирования 100 дБ обеспечивает практически полную защиту передаваемого сигнала от внешних помех.

В настоящее время выпускаются кабели со стандартной (двойной), трехкратной и четырехкратной степенью экранирования. Стандартная экранирующая конструкция состоит из алюминиевой фольги, нанесенной на слой полипропилена и дополнительной алюминиевой оплетки. Фольга должна была герметичной для предотвращения попадания воды внутрь кабеля, поэтому она накладывается на полипропилен с допуском, гарантирующим сохранение герметичности при сгибах. Такая конструкция обеспечивает степень экранирования около 90 дБ. Кабели с трехкратным экранированием содержат конструкцию, включающую кроме стандартной комбинации фольги с оплеткой еще и наложенную поверх оплетки негерметичную фольгу, что увеличивает степень экранирования примерно до 105 дБ. Ввиду того, что трехкратная экранирующая конструкция становится более хрупкой и жесткой, она является эффективной при отсутствии сильных изгибов кабеля. То же самое относится и к четырехкратному экранированию. В структуре с четырехкратным экране добавлена еще одна внешняя оплетка. Такой экран обеспечивает максимальную степень экранирования, которая при отсутствии изгибов кабеля может достигать 120 дБ. Коэффициенты экранирования для разных степеней экранирования представлены в табл. 8.3.