Koaksiaali

Koaksiaalikaapeli on radioamatöörin tärkein laitteiden välisten kytkentöjen tarvikeaine.

Radioamatööri käyttää enimmäkseen impedanssiltaan 50 Ohmista kaapelia kytkennöissään, joka on vakiintunut radiotehoa tuottavien lähetinlaitteiden liityntäimpedanssiksi. Tuo impedanssi on kompromissi ilmaeristeisen koaksiaalin parhaan tehokeston (noin 30 Ohmia) ja pienimmän häviön (noin 75 Ohmia) välillä.

Piensignaalikäytössä (TV vastaanotto, jne.) haetaan kaapelin pienintä häviötä ja se tavoitetaan ilmaeristeisellä kaapelilla noin 75 Ohmin paikkeilla. Videokäytössä näkee paljon 75 Ohmisia kaapeleita, samoin kaapeli-tv jakeluverkoissa ja tv-antenniverkoissa.

Väärän impedanssin kaapelia voi käyttää, kunhan tekee impedanssisovituksen, esimerkiksi un-un balunilla.

Kaapeleita

Muutamia tavallisia kaapeleita:

• RG58 = noin 5 mm paksu notkea polyeteenitäytteinen kaapeli
• RG8 = noin 10-12 mm paksu notkea polyeteenitäytteinen kaapeli
  • RG10, RG-213: lähisukulaisia
  • Oivallisia kaapeleita HF alueen antennilinjoiksi
• RG-214: Kaksi päällekkäistä hopeoitua punosta, muutoin kuin RG-213
  • Käytetään tilanteissa joissa tarvitaan lyhyehköjä taipuisia vetoja esim. antennimastojen kääntömekanismeihin
  • Käytetään myös tilanteissa joissa tarvitsee pienentää kaapelin läpikuuluvuutta (esim. toistimimen radion ja duplekserin välillä)
• AirCom ...
• AirCell ...
• EcoCell ...
• zzz: semi-rigid; mikroaalloille sopivaa melkoisen jäykkää kaapelia jolla on pienet häviöt, tarkoitettu laitteiden sisäisiin kytkentöihin
• RF-1/2": "hardline", eli umpimetallinen vaippa ja umpinainen sisäjohdin.
  • Eristeaineena vaahdotettua polyeteeniä jonka $\varepsilon_r\,$ on lähellä ykköstä.
  • Oivallista kaapelia antennien syöttölinjoiksi VHF:llä ja vielä 432 MHz UHF:llä.
• RF-7/8": "hardline", paksumpaa kaapelia jossa myös umpinainen vaippa, mutta keskijohdin on ontto putki.
  • Eristeaineena vaahdotettua polyeteeniä jonka $\varepsilon_r\,$ on lähellä ykköstä.
  • Oivallista kaapelia antennien syöttölinjoiksi kaikkialla UHF:llä.

Taustoja

Koaksiaalikaapeli (engl: coaxial cable -- "samankeskinen kaapeli") muodostuu sisäkkäisistä johtimista ja niiden välisestä eristeestä.

Systeemissä merkitsee eristeaineen lisäksi ulomman johtimen sisäpinta ja sisemmän johtimen ulkopinta:

Kaapelin impedanssi:

$Z_0 = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{\mu_0 \mu_r}{\varepsilon_0 \varepsilon_r}}\ln \frac{D}{d} {\,\,\,\rm [\Omega]}$

Missä:

• d = sisäjohtimen ulkoläpimitta
• D = ulkojohtimen sisäläpimitta
• $\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} {\,\,\,\rm [\frac{N}{A^2}]}$, eli tyhjön permeabiliteettivakio
• $\varepsilon_0 = \frac{1}{c^2 \mu_0} \approx 8.8541878176 \cdot 10^{-12} {\,\,\,\rm [\frac{A s}{N m^2}]}$, tyhjön permittiivisyysvakio
• $\varepsilon_r\,$ = välitäytteen suhteellinen permittiivisyysvakio (= 1 ilmalle)

Toisella tavalla muotoillen vakiot auki laskien ja logaritmin kantalukua vaihtaen saadaan kirjallisuudessa esiintyvä muoto:

$Z_0 = \frac{ 138 }{ \sqrt{\varepsilon_r} } * \log_{10} \left(\frac{D}{d}\right) {\,\,\,\rm [\Omega]}$

Kaapelin kapasitanssi:

$C = \frac{ 24.127 \, \varepsilon_r }{ \log_{10}\left(\frac{D}{d}\right)} {\,\,\,\rm [pF/m]}$

Kaapelin induktanssi:

$L = 0.4606 \, \log_{10}\left(\frac{D}{d}\right) {\,\,\,\rm [nH/m]}$

Kaapelin ylärajataajuus (cutoff frequency):

$f_c = \frac{ 300 }{ 0.5 \, \pi ( D + d ) \sqrt{\varepsilon_r} } {\,\,\,\,\rm [GHz]}$

Tässä D ja d ovat millimetreinä!   Ylärajataajuuden yläpuolella koaksiaalikaapelin johtimien väliseen eristetilaan mahtuu erilaisia sähkömagneettisia kenttiä vapaina aaltoina ja kyseinen välitila käyttäytyy aaltoputkena, jolloin kaapelissa alkaa kulkea muitakin etenemismuotoja, kuin haluttu TEM, jotka saattavat pienistäkin kaapelin epälineaarisuuksista - vaikkapa taivutuksista - herätä ja interferoida varsinaisen halutun signaalin kanssa.

Signaalin etenemisnopeus kaapelissa on:

$v = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon_r}}$

Tämä on tarpeellista ottaa huomioon, kun tehdään esim. neljännesaallonpituuden mittaisia kaapeleita esim. antennien vaiheistuksiin.

Yleensä kaapelien ominaisuuksien kuvaussivuilla on annettu tämä $v/c$ valmiina nopeuskertoimena, jolloin käyttäjän ei itse tarvitse tehdä tuota laskutoimitusta, vaan voi muuttaa tarvittavaa mittaa kertomalla tyhjössä vallitsevan aallonpituuden nopeuskertoimella saaden kaapelissa vallitsevan aallonpituuden.

Siis ilmalla/tyhjöllä eristetyssä kaapelissa signaalin etenemisnopeus on valonnopeus, kaikissa muissa aineissa $\varepsilon_r\,$ tapaa olla ykköstä havaittavasti suurempi jolloin signaalin etenemisnopeus vastaavasti pienenee.

Muuta luettavaa

• Kaapelihäviöt
• Impedanssi
• http://www.epanorama.net/documents/wiring/cable_impedance.html
• http://www.microwaves101.com/encyclopedia/coax.cfm
• http://www.eccosorb.com/Dielectric_Chart.pdf