同軸ケーブルの仕組み: 構造、インピーダンス、シールドなどの説明

屋上の基地局で損傷した給電線を交換する現場エンジニアは、システム インテグレーターが CCTV の仕事を引用するのと同じ疑問に直面しています。あるケーブルはクリーンな信号を送信するのに、同じ長さの別のケーブルではちらつき、エラー、または反射電力が発生するのはなぜでしょうか。簡単に言うと、同軸ケーブルは制御された伝送ラインとして機能するということです。内部導体、誘電体、外部導体、およびジャケットの同心アセンブリは、定義された経路に沿って高周波電磁波を導き、干渉を防ぎ、ラインに予測可能な特性インピーダンスを与えます。これらの層間の関係が明確になると、データシート上のすべての数値 (インピーダンス、減衰、シールド クラス、曲げ半径) が実用的に意味を持ち始めます。

同軸の名前の由来となった 4 つの層

同軸という言葉は、同じ幾何学的軸を共有する 2 つの導体を指します。同軸ケーブルをすべて剥がすと、同じ 4 つのレイヤーが同じ順序で表示されます。

1. 中心導体: 純銅、銅被覆鋼、または銅被覆アルミニウム。順方向信号電流が流れ、その直径はケーブルのインピーダンスと減衰を設定する主な要素の 1 つです。
2. 誘電体: 内部導体と外部導体を正確な間隔に保つ発泡体または固体ポリエチレンの層。電磁波は主にこの材料を通過するため、その密度と均一性が信号の速度と損失を直接制御します。
3. 外部導体: 編組、箔ラミネート、または波形金属管。信号のリターンパスを提供し、干渉を遮断し信号の侵入を防ぐシールドとして機能します。
4. ジャケット: アセンブリを湿気、紫外線、摩耗、機械的ストレスから保護する PE または PVC カバー。

ケーブル内の他の部分は電気的な役割を果たしません。個々のシリーズは導体材料、誘電体の配合、編組密度、シールド構造が異なりますが、動作原理は同じです。

同心円構造が 2 本の平行ワイヤに勝る理由

通常のワイヤのペアは信号を伝送できますが、高周波ではうまく伝送できません。電界と磁界はワイヤの周りに広がり、エネルギーを放射し、ノイズを拾い、近くの物体が動くと変化します。同軸ケーブルは、信号パスを 2 番目の導体で包み込むことでこの問題を解決します。

順方向信号は中心導体を伝わり、戻り電流は外側導体の内面を流れます。 2 つの導体間の電磁場は誘電体の内部に閉じ込められたままになります。外部導体はケーブルに沿って連続しているため、外部磁場が容易に内部に侵入することはなく、ケーブル自体の磁場が外部に放射することもできません。この封じ込めにより、同軸ケーブルの低損失、強力なノイズ耐性、および長期にわたる安定したインピーダンスが得られます。

これは、多くの購入者が想定しているよりもシールドの構造が重要である理由でもあります。高密度の編組または固体シールドはリターン電流を均一に運び、ラインの軸周りのバランスを保ちます。非常に安価なケーブルによく見られる緩い薄いシールドは、リターン パスの抵抗を高め、ケーブルが曲げられたり、電力線の隣に配線されたりすると干渉を引き起こします。

特性インピーダンス: 互換性を決定する数値

すべての同軸ケーブルには、進行波における電圧と電流の比を表す特性インピーダンス (通常は 50 または 75 オーム) があります。この値は、内部導体の直径と外部導体の内径の比および絶縁体の誘電率によって工場で設定されます。これは抵抗計で測定できる抵抗ではありません。信号がどのように伝播するかを決定するのは、線路の形状の特性です。

ソース、ケーブル、コネクタ、負荷がすべて同じインピーダンスであれば、信号はきれいに吸収されます。 1 つの要素が不整合になると、信号の一部が反射して受信機に到達するレベルが低下し、ビデオにゴーストが発生したり、RF 送信機に高い VSWR や発熱が発生したりします。機器のポートからアンテナまたはカメラに至るまで単一のインピーダンスを維持することが、同軸設置の基本ルールです。

減衰、周波数、表皮効果

高周波では、電流は導体を均一に流れません。それは表面近くに集中します。エンジニアはこれを表皮効果と呼んでいます。これが、中心導体を厚くすると損失が低下する理由、低減衰設計において銅が鋼鉄やアルミニウムよりも優れている理由、そして外部導体の表面品質がその厚さと同じくらい重要である理由です。信号エネルギーの一部も誘電体によって吸収されるため、低密度の耐湿性フォーム絶縁体がこの損失を小さく保ちます。

すべてのケーブル仕様には、特定の周波数での減衰が 100 メートルあたりのデシベル単位で記載されています。損失の数値は 50 MHz では低く、数 GHz では数倍になる可能性があります。実際の結果として、各ケーブル サイズには、受信機、増幅器、または中継器が必要になるまでの最大有効ランレングスが存在します。したがって、屋外での長い配線には、より大きな導体と固体チューブシールドを備えたケーブルが適していますが、屋内での短い接続では、柔軟な編組構造を使用できます。

編組または波形: 適切な外部導体の選択

編組外部導体と波形外部導体の選択は、ほとんどの場合、スムーズな設置とサービス依頼の分かれ目となります。 RG-6、RG-213、RG-214、および 50 オーム PTL シリーズで使用されている編組外部導体は、容易に曲がり、素早く終端し、屋内および短距離から中距離の走行に適しています。波形の銅またはアルミニウムのチューブ導体は、柔軟性の低下とハードウェアの重量の増加を犠牲にして、継続的なシールド、低い減衰、および干渉に対するより強力な保護を提供します。

CCTV およびビデオ配信の場合、 75Ω RG6 編組同軸ケーブル 多くの場合、これが最も現実的な選択です。圧縮コネクタで素早く終端し、HD カメラの帯域幅を処理し、天井や導管を通してきれいに設置します。プロジェクトのさまざまなタイプを比較している場合は、 RF同軸ケーブルの主なカテゴリ サプライヤー間で使用される命名規則とパフォーマンス ファミリをマッピングするのに役立ちます。

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50 オームのシステムでは、短くフレキシブルな相互接続に相当する選択肢は、 50Ω PTL400 フレキシブル編組ケーブル 。細いパッチコードと硬い波形フィーダーの間に配置され、送信機をきれいに保つシールドを犠牲にすることなく、機器ラックとジャンパー配線に必要な屈曲性を与えます。

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走行が屋上を横切ったり、塔に登ったりする場合、通常、損失の予算により反対側の構造が決まります。あ 7/8インチ低損失コルゲートアルミチューブ同軸ケーブル 長い垂直方向の信号レベルを維持し、同様の直径のどの編組よりもはるかに優れた干渉をブロックします。トレードオフは、ケーブルが永続的な構造を形成することです。ケーブルは十分な曲げ半径で配線し、長さに沿って適切にサポートする必要があります。

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コネクタ、ジャンパ、および完全な伝送パス

A 同軸ケーブル 優れているのはその終端だけです。コネクターが不良であると、個別のインピーダンスの不連続性が生じ、信号の一部が反射され、屋外で何年も使用できるケーブルに湿気が侵入する可能性があります。コネクタ ファミリに適合 - 50 オーム システムの場合は N、DIN、または 4310。 75 オーム システム用の F または BNC — ケーブルと機器の両方にとって、ケーブル自体の選択と同じくらい重要です。

終端済みジャンパは、現場に圧着工具を持ち込まずにフィーダをアンテナまたは無線に接続する標準的な方法です。 1/2 インチの非常に柔軟なケーブルで構築されたジャンパは、リジッド フィーダでは提供できない曲げの自由度を維持します。ジャンパーを短くし、最小曲げ半径を尊重し、すべてのアダプターがパスに小さな反射を加えることに注意してください。

同軸ケーブルは、管内の単なる 2 本のワイヤではなく、伝送ラインであるため機能します。 2 本の同心導体の形状によってインピーダンスが設定されます。シールドは、信号がどの程度きれいに内部に留まるかを決定します。材料と構造の選択により、実行長を制限する損失が決まります。このような背景に基づいてデータシートを読むと、どのインピーダンスがシステムに適合するか、どのシールドが現場のノイズをブロックするか、どの構造がケーブルがたどるルートに適合するかなど、設置に関する決定に数値が変換されます。