Кабели высокочастотные коаксиальные

Кабели высокочастотные коаксиальные: конструкция, параметры и применение

Коаксиальный кабель (коаксиал) представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального проводника и экрана, расположенных соосно и разделенных изоляционным материалом или воздушным диэлектриком с spacers-спейсерами. Его основное назначение – передача высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов с минимальными потерями и высоким уровнем электромагнитной совместимости. Высокочастотным считается диапазон от 1 МГц до нескольких десятков ГГц, что охватывает радиосвязь, телевидение, системы передачи данных, радиолокацию и измерительную технику.

Конструкция и материалы

Конструкция коаксиального кабеля строго регламентирована и определяет его электрические характеристики. Основные элементы включают:

• Внутренний проводник (центральная жила): Выполняется из медной или медной луженой проволоки. Может быть однопроволочным (solid) для жестких кабелей или многопроволочным (stranded) для гибких. В кабелях для СВЧ-диапазона часто используется посеребренная медь для снижения поверхностного сопротивления (скин-эффекта).
• Внутренний изолятор (диэлектрик): Фиксирует положение центральной жилы относительно экрана. Материалы: сплошной полиэтилен (PE), вспененный полиэтилен (Foamed PE), политетрафторэтилен (PTFE, тефлон), фторопласт, в отдельных случаях – воздушно-пористый диэлектрик. Вспененные и воздушные диэлектрики имеют меньшую эквивалентную диэлектрическую проницаемость, что снижает затухание.
• Внешний проводник (экран): Выполняет функцию обратного провода и экранирования. Конструкции: оплетка из медных или алюминиевых проволок (чем плотнее оплетка, тем выше степень экранирования), гофрированная трубка из меди или алюминия (обеспечивает 100% экранирование и высокую механическую прочность), комбинация оплеток и фольги (фольга-алюминиевая лента с дренажным проводом).
• Внешняя оболочка: Защищает от механических повреждений, влаги, УФ-излучения. Материалы: поливинилхлорид (PVC), полиэтилен (PE), безгалогенные несгораемые составы (LSZH), фторполимеры для особых условий.

Основные электрические параметры и характеристики

Выбор коаксиального кабеля для конкретной задачи определяется набором ключевых параметров.

Волновое сопротивление (импеданс)

Наиболее распространенные номиналы – 50 и 75 Ом. Волновое сопротивление определяется геометрией кабеля и свойствами диэлектрика и не зависит от длины. 50-омные кабели минимизируют потери на передачу мощности (применяются в профессиональной связи, радиолокации, измерительных приборах). 75-омные кабели оптимизированы для минимизации затухания сигнала (применяются в телевизионных и видеосистемах, магистральных линиях передачи данных).

Коэффициент затухания (погонное затухание)

Измеряется в дБ/м или дБ/100м на конкретной частоте. Определяет, насколько ослабляется сигнал при прохождении по кабелю. Зависит от частоты (растет с ее увеличением), сопротивления проводников, диэлектрических потерь в изоляции. Чем больше диаметр кабеля, тем, как правило, меньше затухание.

Тип кабеля (пример)	Волновое сопротивление, Ом	Внешний диаметр, мм	Затухание на 100 МГц, дБ/100м	Затухание на 1 ГГц, дБ/100м	Материал экрана
RG-58C/U	50	~5.0	13.2	43.5	Оплетка
RG-6/U	75	~6.9	6.6	22.2	Оплетка + фольга
LMR-400	50	~10.3	3.9	13.0	Алюминиевая гофра + оплетка
1/2″ Heliax (воздушный диэлектрик)	50	~12.9	2.1	7.1	Медная гофра

Рабочая частота и полоса пропускания

Коаксиальные кабели имеют верхнюю границу рабочей частоты, при превышении которой в кабеле начинают распространяться высшие типы волн (моды), что приводит к резкому росту потерь и искажениям. Эта граница зависит от внутреннего диаметра экрана и диэлектрика. Кабели большого диаметра (например, 7/8″ или 1-5/8″) могут работать на частотах до 3-5 ГГц. Для более высоких частот (десятки ГГц) используются кабели малого диаметра (например, 1.13 мм).

Скорость распространения (Velocity of Propagation, Vp)

Выражается в процентах от скорости света в вакууме. Зависит от диэлектрической проницаемости изолятора. У кабелей со сплошным полиэтиленом Vp ≈ 66%, со вспененным – 78-84%, с воздушным диэлектриком – до 95%. Этот параметр критичен для систем, где важна синхронизация и фаза сигнала (фазированные антенные решетки, измерительные линии).

Максимальная передаваемая мощность (PEP, CW)

Определяется тепловыделением в проводниках и диэлектрике, а также напряжением пробоя. Зависит от частоты (с ростом частоты допустимая мощность падает из-за скин-эффекта), условий охлаждения (воздух/земля), климатических условий. Кабели с воздушным диэлектриком и большим диаметром имеют максимальную мощность передачи.

Классификация и типы коаксиальных кабелей

• По гибкости:
  • Жесткие (Rigid): Медные трубы с воздушным диэлектриком, монтируются на прямых участках с помощью отводов и изгибов. Имеют минимальные потери.
  • Полужесткие (Semi-Rigid): Сплошная внешняя оболочка из меди, постоянный радиус изгиба. Обеспечивают стабильные параметры.
  • Гибкие (Flexible): Стандартные кабели с многопроволочной жилой и оплеткой. Наиболее распространены.
  • Сверхгибкие (High-Flex): Для подвижных соединений, с особой конструкцией экрана.
• По применению:
  • Для систем связи и вещания (магистральные, распределительные, абонентские).
  • Для радиочастотных компонентов и измерительных систем (кабели с точными и стабильными параметрами).
  • Для систем радиолокации и мощных передатчиков (высоковольтные, мощностные).
  • Для систем безопасности (CCTV, видеонаблюдение).
  • Для сетей передачи данных (Ethernet, но в основном вытеснены витой парой и оптоволокном).

Критерии выбора и особенности монтажа

Выбор кабеля осуществляется на основе анализа:

• Диапазона рабочих частот.
• Допустимого уровня потерь (затухания) на максимальной частоте и длине трассы.
• Требуемой передаваемой мощности.
• Условий эксплуатации (температура, влажность, УФ-излучение, механические нагрузки, возможность изгибов).
• Требований к экранированию (уровень внешних помех, ЭМС).
• Волнового сопротивления, согласованного с импедансом источника, нагрузки и разъемов.

При монтаже критически важно соблюдать правила:

• Минимизировать количество соединений и использовать качественные разъемы, соответствующие типу кабеля.
• Избегать резких изгибов ниже минимально допустимого радиуса (обычно 5-10 диаметров кабеля).
• Обеспечивать герметизацию соединений на открытом воздухе во избежание попадания влаги («слезоточивость» кабеля).
• Правильно заделывать экран: для кабелей с оплеткой и фольгой необходим контакт дренажной жилы с разъемом.
• Крепление кабеля должно исключать механические напряжения и вибрации.

Тенденции и развитие

Несмотря на конкуренцию с волоконно-оптическими линиями связи, коаксиальные кабели сохраняют ключевые позиции в ряде областей благодаря простоте, надежности и способности передавать как сигнал, так и питание (технология PoE-аналоги). Развитие идет по пути создания кабелей с еще более низким затуханием за счет совершенствования диэлектриков (вспененный PTFE), улучшения экранирования (многослойные экраны), повышения устойчивости к внешним факторам. Активно развиваются гибридные решения, например, кабели, объединяющие коаксиальные и оптические волокна, или силовые жилы в общей оболочке.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальная разница между кабелем на 50 Ом и на 75 Ом?

Разница лежит в оптимизации для разных задач. Кабель 50 Ом представляет собой компромисс между минимальным затуханием и максимальной передаваемой мощностью для данного диаметра. Кабель 75 Ом обеспечивает абсолютно минимальное затухание сигнала, но при меньшей передаваемой мощности. Использование несоответствующего импеданса приводит к отражениям сигнала (КСВ > 1), потерям и возможному повреждению оборудования.

Почему затухание растет с увеличением частоты?

Это связано с двумя основными факторами. Во-первых, скин-эффект: с ростом частоты ток вытесняется к поверхности проводника, эффективная площадь сечения уменьшается, сопротивление растет. Во-вторых, диэлектрические потери в изоляционном материале также увеличиваются пропорционально частоте.

Как правильно выбрать разъем для коаксиального кабеля?

Разъем должен соответствовать: 1) волновому сопротивлению кабеля (50/75 Ом); 2) типу и диаметру кабеля (например, N, 7/16 для больших мощностей; SMA, SMB для миниатюрных устройств; BNC для измерительной техники); 3) диапазону рабочих частот (разъемы серии N работают до 11 ГГц, SMA – до 18 ГГц, 7/16 – до 7.5 ГГц, но с лучшими мощностными характеристиками). Для 75-омных систем используются такие же типы разъемов, но сконструированные под 75 Ом (внутренний диаметр диэлектрика другой). Смешивание 50 и 75 Ом разъемов недопустимо.

Что такое КСВ (КСВН, SWR) и почему он важен?

Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) – это мера согласования импеданса кабеля с импедансом нагрузки и источника. Идеальное согласование (КСВ=1) означает, что вся энергия передается в нагрузку. При рассогласовании (КСВ > 1) часть энергии отражается, что приводит к потерям полезного сигнала, перегреву кабеля и передающего оборудования, искажениям. Высокий КСВ может вывести из строя выходной каскад передатчика.

Можно ли использовать телевизионный кабель (75 Ом) для подключения антенны к радиостанции (50 Ом)?

Крайне не рекомендуется. Рассогласование импедансов приведет к высокому КСВ (примерно 1.5 даже без учета других факторов), значительной потере передаваемой мощности (до 10% и более), возможному перегреву кабеля на больших мощностях и некорректной работе АВУ (автоматической регулировки уровня) передатчика. Исключение – очень короткие отрезки на прием, где потери могут быть приемлемы, но на передачу такой кабель использовать нельзя.

Как влияет влага внутри кабеля на его параметры?

Вода в диэлектрике катастрофически ухудшает параметры: резко увеличивает затухание (особенно на высоких частотах), снижает рабочее напряжение, вызывает коррозию проводников (особенно алюминиевого экрана). При замерзании вода может механически повредить структуру кабеля. Поэтому для наружных трасс используются кабели с заполнением гидрофобным гелем или с сухим блокированием влаги, а все соединения должны быть герметизированы.

Что означает маркировка «Low Loss», «Super Low Loss» на кабелях?

Это маркетинговые обозначения, указывающие на кабели с пониженным погонным затуханием по сравнению со стандартными типами (такими как RG-213). Достигается это за счет применения вспененных диэлектриков высокого качества, большего диаметра центрального проводника и экрана, использования эффективных экранов (гофра). При выборе следует ориентироваться не на название, а на конкретные цифры затухания в техническом паспорте на нужных частотах.