Koaksiaalikaapeli

Koaksiaalikaapelin rakenne
Tyypillisen suurtaajuuskoaksiaalikaapelin rakenne

Koaksiaalikaapeli on siirtolinja, joka siirtää korkeataajuuksista sähkömagneettista kenttää paikasta toiseen. Koaksiaalikaapelin (coaxial cable) nimi tulee sen rakenteesta: se koostuu johtimesta sylinterimäisen ulkojohtimen sisällä. Tutuin käyttökohde koaksiaalikaapelille on television antennijohto. Muita käyttökohteita ovat muun muassa elektroniikka- ja tietoliikennesovellukset.

Rakenne

Koaksiaalikaapelin lieriömäisen rakenteen keskustassa on keskijohdin, jonka ympärillä on eristeainekerros. Tämän ympärillä on putkimainen ulkojohdin ja sen ympärillä muovinen ulkokuori. Keskijohtimena käytetään joko yksi- tai monisäikeistä kuparijohdinta. Toimiakseen paremmin korkeilla taajuuksilla, keskijohdin on voitu päällystää hopealla.

Sisempi eriste voi olla kiinteää muovia, vaahtomuovia tai ilmaa, jolloin keskijohdin ja ulkojohdin on erotettuna toisistaan erityisillä välikappaleilla. Materiaaleina voivat toimia muun muassa polyeteeni (PE), vaahdotettu polyeteeni (FPE), polyeteenivaahtoa (PF) ja teflonia (PTFE).

Ulkojohtimena toimii yleensä punottu kupariverkko, joka voi olla myös hopeapäällysteistä. Lisäksi voidaan käyttää kaksikerrosvaippaa, jossa voi olla kaksi punottua kupariverkkoa päällekkäin, mutta usein kuitenkin käytetään ohutta foliota kupariverkon alla. Ulkoeristeenä voidaan käyttää hyvin montaa eri materiaalia, mutta yleisin on PVC-muovi.

Toiminta ja käyttö

Suurtajuinen sähkömagneettinen kenttä etenee koaksiaalikaapelissa poikittaisena värähtelynä, ns. TEM-moodissa, ja rajoittuu keskijohtimen ja ulkojohtimen väliseen eristeaineeseen. Tämän eristeen ominaisuudet ovat sen vuoksi ratkaisevat kaapelin laatua arvioitaessa. Myös ulkoeristeen materiaalin valitseminen on tärkeää erilaisia käyttökohteita silmällä pitäen, esimerkiksi kaapelista voidaan tehdä tulenkestävää, ultraviolettisäteilyä kestävää, hapettumista kestävää tai vettä kestävää. Ulkojohdin puolestaan estää ulkoisia sähkömagneettisia häiriöitä, sekä estää kaapelia lähettämästä häiriösignaaleja.

Yleinen termi siirtojohdon ominaisimpedanssia Z0 määriteltäessä on

,

missä R on siirtojohdon resistanssi, on impedanssin induktiivinen osa, G on siirtojohdon konduktanssi, ja on impedanssin kapasitiivinen osa.Normaaleilla siirtojohdoilla resistiiviset ja konduktiiviset ominaisuudet ovat huomattavasti pienemmät kuin induktiiviset ja kapasitiiviset ominaisuudet, jolloin yhtälö voidaan esittää muodossa

.[1]

Koaksiaalikaapelin kapasitanssi ja induktanssi määräytyvät pääasiassa kaapelin dimensioiden ja eristemateriaalin ominaisuuksien perusteella. Koaksiaalikaapelin ominaisimpedanssille pätee siis myös

,

missä D on ulkovaipan sisähalkaisija, d on sisäjohtimen halkaisija, ln on luonnollinen logaritmi, on eristemateriaalin permeabiliteetti ja on eristemateriaalin permittiivisyys.[2]

Oikein päätetyn koaksiaalikaapelin kumpaankin päähän kytkettävän laitteen impedanssin on oltava sama kuin koaksiaalikaapelin ominaisimpedanssi: muussa tapauksessa syntyy yleensä haitallisia vaimentavia seisovia aaltoja. Tästä syystä vanhanaikaisessa koaksiaalikaapelia käyttävässä ethernet -verkossa kaapeli päätettiin päätevastuksella.

Koaksiaalikaapelissa signaalin nopeus

,

jossa c on valonnopeus tyhjössä, on suhteellinen permeabiliteetti ja on suhteellinen permittiivisyys.[3]

Koaksiaalista rakennetta käytetään paljon myös heikon pientaajuuksisen signaalin siirtämiseen (esimerkiksi mikrofonikaapeli). Tällöin putkimaisen ulkojohtimen maadoittaminen antaa signaalia siirtävälle keskijohtimelle hyvän häiriösuojauksen. Tällaisissa sovelluksissa ei kaapelin impedanssilla ole juuri merkitystä, vaan kaapeli kannattaa valita mekaanista kestävyyttä ja käyttömukavuutta silmällä pitäen.

Käytännön koaksiaalikaapelit

Kaupallisten koaksiaalikaapelien tavallisimmat impedanssit ovat 50 ja 75 ohmia. Edellisten lisäksi kaupallisesti on saatavilla muun muassa 93 ohmin kaapeleita. Kaapeleiden vaimennus kasvaa taajuuden funktiona.

Yleisiä koaksiaalikaapeleita
KaapelityyppiOminais-

impedanssi(Ω)

Keskijohdin

Ø mm

EristeKokonais-

halkaisija (mm)

VaippaVaimennus dB / 100 mKommentitLähde
tyyppiØ mm@400 MHz@2400 MHz
Aircell 5501,08PF2,952,02, kuparifolio ja kuparipalmikko19,349,9Radioamatöörit, LA- ja radiopuhelinten antennikaapelit, harrastuskäyttö[4]
Aircell 7501,85

(19 x 0,37)

PF5,07,32, kuparifolio ja kuparipalmikko13,235,6Erittäin taipuisa mikroaaltokaapeli[5]
Aircom Plus5010,32, kuparifolio ja kuparipalmikko8,4VHF-ja UHF-taajuuksille soveltuva kaapeli.[6]
Ecoflex 10 Standard502,85 (7 x 1,0)PF7,2510,22, kuparifolio ja kuparipalmikko8,423,6WLAN, radioamatöörit, ammattikäyttö[7]
Ecoflex 10 Plus502,85 (7 x 1,0)PF7,2510,22, kuparifolio ja kuparipalmikko8,422,9Kuparipinnoitetulla alumiiniytimellä[8]
Aircom Premium502,75 (1 x 2,75)PF7,2010,22, kuparifolio ja kuparipalmikko7,320,0Vaativa ammattikäyttö, digitaaliyhteydet[9]
Ecoflex 10 Standard Heatex502,85 (7 x 1,0)PF7,2510,22, kuparifolio ja kuparipalmikko8,423,6Kuten Ecoflex 10 Standard, mutta halogeenivapaa, palamattomalla kuorella[10]
Ecoflex 10 Plus Heatex502,85 (7 x 1,0)PF7,2510,22, kuparifolio ja kuparipalmikko8,422,9Kuten Ecoflex 10 Plus, mutta halogeenivapaa, palamattomalla kuorella[11]
SeaTex 10502,85 (7 x 1,0)PF7,2510,22, kuparifolio ja kuparipalmikko8,423,6Meriteollisuuteen, laivoihin, öljynporauslautoille. SHF 2, halogeeniton.[12]
Ecoflex 15 Standard504,5 (7 x 1,55)PF11,314,62, kuparifolio ja kuparipalmikko5,916,3WLAN, radioamatöörit, vaativa ammattikäyttö[13]
Ecoflex 15 Standard Heatex504,5 (7 x 1,55)PF11,314,62, kuparifolio ja kuparipalmikko5,916,3Paloturvallinen, julkisiin tiloihin[14]
Ecoflex 15 Plus504,5 (7 x 1,55)PF11,314,62, kuparifolio ja kuparipalmikko5,314,9Kuparipinnoitetulla alumiiniytimellä[15]
Ecoflex 15 Plus Heatex504,5 (7 x 1,55)PF11,314,62, kuparifolio ja kuparipalmikko5,314,9Kuten Ecoflex 15 Plus, mutta halogeenivapaa, palamattomalla kuorella[16]
RFA78509,3PF22,027,81, korrugoitu kupariputki2,36,1Vaativat tietoliikennesovellukset[17]
RG-213/U502,25

(7 x 0,75)

PE7,2510,31, kuparipalmikko14,5Kohteet, joissa RF-ominaisuuksille ei aseteta suuria vaatimuksia[18]
RG-58/U500,95

(19 x 0,18)

PE2,955,01, tinapinnoitettu kuparipalmikko36,0Radioamatöörit, LA- ja radiopuhelinten antennikaapelit, harrastuskäyttö[18]
TELLU13751,0PF4,87,02, kuparifolio ja kuparipalmikkoTV-, yhteisantenni- ja kaapeli-TV –verkon sisäkaapeli[19]

Eristekoodit

  • PE, polyeteeni
  • PF, polyeteenivaahto

Koaksiaalikaapelien liittimiä

Lähteet

  1. Haikonen Terho: ”Siirtojohdot ja resonaattorit”, Tekniikan käsikirja Osa 3, s. 191. Jyväskylä: Gummerus, 1969.
  2. Haikonen Terho: ”Siirtojohdot ja resonaattorit”, Tekniikan käsikirja Osa 3, s. 192. Jyväskylä: Gummerus, 1969.
  3. Haikonen Terho: ”Siirtojohdot ja resonaattorit”, Tekniikan käsikirja Osa 3, s. 191. Jyväskylä: Gummerus, 1969.
  4. http://www.paratronic.fi/aircell_5.shtml Paratronic Oy, Aircell 5
  5. http://www.paratronic.fi/aircell_7.shtml Paratronic Oy, Aircell 7
  6. [1]http://interlanco.com/
  7. http://www.paratronic.fi/poistuneet/ecoflex_10.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 10 Standard
  8. http://www.paratronic.fi/ecoflex_10_plus.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 10 Plus
  9. http://www.paratronic.fi/aircompremium.shtml Paratronic Oy, Aircom Premium
  10. http://www.paratronic.fi/heatex_10.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 10 Heatex
  11. http://www.paratronic.fi/heatex_10_plus.shtml Paratronic Oy, Heatex 10 Plus
  12. http://www.paratronic.fi/seatex_10.shtml Paratronic Oy, SeaTex 10
  13. http://www.paratronic.fi/poistuneet/ecoflex_15.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 15 Standard
  14. http://www.paratronic.fi/poistuneet/heatex_15.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 15 Standard Heatex
  15. http://www.paratronic.fi/ecoflex_15_plus.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 15 Plus
  16. http://www.paratronic.fi/heatex_15_plus.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 15 Plus Heatex
  17. [2] Draka Cables
  18. a b [3], BCAR
  19. [4] Draka Cables