Кабели силовые Коаксиал

Коаксиальный кабель (коаксиал) — это электрический кабель, состоящий из центрального проводника (жилы) и внешнего цилиндрического проводника (экрана), расположенных соосно и разделенных диэлектриком (изоляцией). Ключевой принцип, заложенный в его конструкции, — это передача высокочастотного электромагнитного сигнала в форме поперечной электромагнитной волны (ТЕМ-волны). Благодаря такой структуре, поля, создаваемые центральным проводником и экраном, взаимно компенсируются вне кабеля. Это обеспечивает два критически важных свойства:

• Высокую защищенность от внешних электромагнитных помех (EMI).
• Минимальное излучение энергии вовне.

2. Конструкция коаксиального кабеля: Детальный разбор

Конструкция коаксиального кабеля строго стандартизирована и определяет все его электрические характеристики.

2.1. Центральный проводник (Центральная жила)

• Материал: Высокочистая медь (бескислородная медь — OFC, OFHC), медный сплав (бронза), сталь с медным или серебряным покрытием (для удешевления и повышения механической прочности).
• Форма: Сплошной монолитная проволока (solid) или многопроволочная скрутка (stranded). Многопроволочная конструкция обеспечивает лучшую гибкость.
• Диаметр: Является ключевым параметром, напрямую влияющим на волновое сопротивление и погонное затухание.

2.2. Изоляция (Диэлектрик)
Диэлектрик фиксирует положение центрального проводника внутри экрана и определяет скорость распространения волны и часть электрических потерь.

• Материалы:
  • Полиэтилен (PE): Высокие диэлектрические свойства, стойкость к влаге, жесткость.
  • Вспененный полиэтилен (Foamed PE): Содержит воздушные пузырьки, что значительно снижает диэлектрические потери и уменьшает вес кабеля. Менее устойчив к механическим нагрузкам.
  • Фторопласт (PTFE): Высокая термостойкость (до +260°C), отличные диэлектрические характеристики, химическая инертность. Применяется в высокочастотных и высокотемпературных кабелях.
  • Поливинилхлорид (PVC): Используется в кабелях невысокого качества, имеет высокие диэлектрические потери.
• Коэффициент укорочения (Velocity of Propagation, Vp): Показывает, насколько скорость сигнала в кабеле меньше скорости света в вакууме. Для сплошного PE Vp ≈ 0,66, для вспененного PE Vp ≈ 0,78-0,89.

2.3. Экран (Внешний проводник)
Выполняет две функции: является обратным проводником для сигнального тока и защищает от внешних помех.

• Конструкции:
  • Оплетка (Braid): Переплетение тонких луженых медных проволок. Эффективность экранирования измеряется в процентах покрытия (обычно 60-95%). Чем выше процент, тем лучше защита.
  • Фольга (Foil): Алюминиевая или медная лавсановая лента, часто с дренажной проволокой для обеспечения контакта. Обеспечивает 100% покрытие на постоянном токе, но на высоких частотах эффективность может падать.
  • Двойной экран (Foil + Braid): Комбинация фольги и оплетки. Наиболее распространенная и эффективная конструкция для профессиональных применений.
  • Тройной экран и более: Используется в кабелях для критически важных применений с высочайшими требованиями к помехозащищенности.
  • Сплошная оболочка: Медная или алюминиевая трубка (в жестких коаксиальных волноводах).

2.4. Внешняя оболочка
Защищает внутренние компоненты кабеля от механических повреждений, влаги, УФ-излучения и химических воздействий.

• Материалы:
  • PVC (Поливинилхлорид): Универсальный, гибкий, недорогой. Имеет ограниченный температурный диапазон.
  • PE (Полиэтилен): Высокая стойкость к влаге и УФ-излучению. Стандартный выбор для наружных применений.
  • Low Smoke Zero Halogen (LSZH): Безгалогенный, с низким дымовыделением. Обязателен для использования в закрытых публичных пространствах, метро, самолетах.
  • Фторопласт (FEP, PFA): Для экстремальных температур и агрессивных сред.

3. Ключевые электрические параметры и характеристики

Понимание этих параметров необходимо для корректного выбора кабеля.

3.1. Волновое сопротивление (Волновое сопротивление)
Наиболее важный параметр. Определяется геометрией кабеля и материалом диэлектрика. Стандартные номиналы: 50 Ом и 75 Ом.

• 50 Ом: Оптимален для передачи значительной мощности с минимальными потерями на диэлектрический пробой. Стандарт для профессиональных радиочастотных систем, связи, измерительной аппаратуры.
• 75 Ом: Оптимален для минимизации погонного затухания. Стандарт для телевизионных и видео систем, кабельного телевидения.

3.2. Погонное затухание (Attenuation)
Измеряется в дБ/метр. Показывает, насколько ослабляется сигнал при прохождении по кабелю. Зависит от:

• Частоты сигнала: Затухание растет с увеличением частоты.
• Диаметра центрального проводника: Чем больше диаметр, тем меньше затухание.
• Материала диэлектрика: Вспененный диэлектрик дает меньшее затухание, чем сплошной.
• Качества материалов проводников.

Таблица 1: Сравнение погонного затухания для различных типов коаксиальных кабелей на частоте 1 ГГц

Марка кабеля (аналог)	Волновое сопротивление, Ом	Диаметр, мм	Погонное затухание, дБ/100м (при 1 ГГц)
RG-58 / РК-50-2-11	50	~5.0	22.0 — 25.0
RG-213 / РК-50-7-11	50	~10.3	8.5 — 9.5
H1555 (1/2″)	50	~12.3	5.8 — 6.2
RG-6 / РК-75-4-12	75	~6.8	10.5 — 12.0
RG-11 / РК-75-7-12	75	~10.3	6.5 — 7.5

3.3. Рабочее напряжение (Допустимое напряжение)
Определяется толщиной и материалом диэлектрика. Для силовых применений (питание антенн, активных элементов) это критический параметр.

3.4. Пропускаемая мощность (Мощность передачи)
Максимальная мощность, которую кабель может передать без пробоя диэлектрика или чрезмерного нагрева. Зависит от частоты, КСВ и условий охлаждения.

Таблица 2: Примерные значения средней мощности для кабелей 50 Ом

Марка кабеля	Мощность, кВт (при 30 МГц)	Мощность, кВт (при 500 МГц)
RG-213	~10	~2.5
1/2″ LDF	~25	~8.5
7/8″ LDF	~50	~17.0

3.5. Коэффициент стоячей волны (КСВ или VSWR)
Параметр, характеризующий согласование кабеля с нагрузкой. Высокий КСВ (>1.5) указывает на рассогласование, что приводит к отражениям мощности и повышенным потерям.

4. Силовое применение коаксиальных кабелей: Специфика и ограничения

В классическом понимании «силовой кабель» предназначен для передачи больших токов промышленной частоты (50/60 Гц) для питания оборудования. Коаксиальные кабели не являются силовыми в этом контексте. Их силовое применение связано с передачей радиочастотной мощности.

4.1. Передача ВЧ-мощности
Основная силовая функция коаксиала — это подвод мощности от передатчика к антенне в радиосвязи, радиовещании, радарных установках. Здесь важны оба параметра: и максимальная мощность (определяет пробой), и погонное затухание (определяет КПД системы).

4.2. Питание активных антенн и оборудования (Remote Powering)
Широко распространенная практика, особенно в телекоммуникациях. По центральной жиле и экрану одного и того же коаксиального кабеля передается как ВЧ-сигнал, так и постоянный или переменный ток низкой частоты для питания антенного усилителя (например, в системах мобильной связи, спутниковых антеннах). Для этого используются устройства подачи питания (Power Inserters), которые разделяют ВЧ-сигнал и постоянное напряжение.

4.3. Ограничения

• Скин-эффект: На высоких частотах ток течет только в тонком поверхностном слое проводника. Это увеличивает активное сопротивление и потери. Поэтому для ВЧ-кабелей важна поверхность проводника, а не его полное сечение.
• Нагрев: Передача большой мощности приводит к нагреву кабеля из-за омических потерь в проводниках и диэлектрических потерь. Необходимо учитывать тепловой режим.
• Стоимость: Качественный коаксиальный кабель большого диаметра (например, 7/8″ или 1-5/8″) значительно дороже силового кабеля сопоставимого внешнего диаметра.

5. Маркировка и стандарты

В России и странах СНГ действует система условных обозначений для радиочастотных кабелей (ГОСТ 11326.0-78).
Пример: РК 75-4-11

• РК — Радиочастотный Коаксиальный.
• 75 — Номинальное волновое сопротивление (Ом).
• 4 — Номинальный диаметр по изоляции (мм).
• 11 — Конструктивный номер, определяющий тип диэлектрика, гибкость, теплостойкость и т.д.

Международная маркировка (RG, LMR, Ecoflex) часто является торговыми названиями и требует обращения к техническим данным (datasheet) производителя для определения точных параметров.

6. Области применения

• Телекоммуникации: Антенные фидеры базовых станций сотовой связи, ретрансляторы.
• Вещание: Передающие центры ТВ и РВ.
• Радиосвязь: Антенно-фидерные тракты для систем гражданской, военной, морской связи.
• Измерительная техника: Соединение генераторов, анализаторов спектра и другого ВЧ-оборудования.
• Системы безопасности: Видеонаблюдение (CCTV).
• Спутниковые системы: Прием спутникового ТВ и интернета.
• Радарные системы.
• Медицинское оборудование: (МРТ, системы высокочастотной абляции).

7. Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Можно ли использовать коаксиальный кабель для передачи переменного тока 220В / 50Гц?
Ответ: Технически возможно, но крайне нецелесообразно и небезопасно. Волновое сопротивление кабеля (50/75 Ом) не согласовано с низким сопротивлением типичной нагрузки на 50 Гц, что вызовет большие потери и отражения. Сечение центрального проводника не рассчитано на большие токи, что приведет к сильному нагреву. Изоляция может не соответствовать требованиям по электрической прочности для сетевого напряжения. Для этих целей существуют специализированные силовые кабели (ВВГ, NYY, СИП и т.д.).

Вопрос 2: В чем принципиальная разница между кабелями на 50 Ом и 75 Ом? Какой выбрать?
Ответ: Разница в оптимизации под разные задачи. 50 Ом — компромисс между минимальным затуханием и максимальной передаваемой мощностью. Выбор для радиопередающих систем. 75 Ом — оптимизирован строго для минимального затухания. Выбор для приемных систем, видеотрактов, кабельного телевидения. Смешивать кабели с разным волновым сопротивлением в одной линии недопустимо, так как это вызывает рассогласование и резко увеличивает потери.

Вопрос 3: Что важнее: качество экрана или погонное затухание?
Ответ: Важность параметра зависит от среды эксплуатации. В условиях сильных внешних электромагнитных помех (промышленные предприятия, городская среда) приоритет имеет качество экрана (двойной или тройной экран). Для длинных линий, где критично сохранение уровня сигнала (например, магистральные линии кабельного ТВ), приоритетным является минимальное погонное затухание.

Вопрос 4: Как правильно выбрать кабель для подачи питания на активную антенну?
Ответ: 1. Убедитесь, что кабель поддерживает передачу постоянного напряжения (не все диэлектрики устойчивы к постоянному полю). 2. Рассчитайте падение напряжения на кабеле исходя из потребляемого антенной тока и сопротивления центральной жилы и экрана по постоянному току. 3. Выберите кабель с минимальным погонным затуханием на рабочей частоте, чтобы минимизировать потери ВЧ-сигнала.

Вопрос 5: Почему толстый кабель (например, 7/8″) лучше тонкого (например, RG-58)?
Ответ: Больший диаметр центрального проводника и экрана приводит к:

• Значительно меньшему погонному затуханию.
• Более высокой передаваемой мощности.
• Лучшему теплоотводу.
  Недостатки: большая стоимость, меньшая гибкость, сложность монтажа.

Вопрос 6: Что происходит при повреждении внешней оболочки кабеля?
Ответ: Нарушение герметичности оболочки приводит к проникновению влаги в диэлектрик. Вода резко увеличивает диэлектрические потери и затухание, ухудшает КСВ и может вызвать коррозию экрана и центральной жилы. Кабель подлежит замене или ремонту.

Вопрос 7: Как влияет длина кабеля на потери?
Ответ: Потери (в децибелах) являются линейной функцией от длины. Потеря = Погонное затухание (дБ/м) * Длина (м). Удвоение длины кабеля приводит к удвоению потерь в децибелах.

Заключение

Коаксиальный кабель — это сложное инженерное изделие, выбор которого должен основываться на тщательном анализе электрических параметров, условий эксплуатации и экономической целесообразности. Его «силовая» функция строго ограничена областью передачи радиочастотной энергии. Правильный подбор, монтаж и обслуживание коаксиальной линии являются залогом надежной и эффективной работы всей радиочастотной системы.