同軸ケーブルの主な種類: 完全な技術ガイド

同軸ケーブルの構造を理解する

同軸ケーブルのさまざまな種類を検討する前に、すべての同軸設計を定義する共通の構造原理を理解することが不可欠です。すべての同軸ケーブルは、用途や構成材料に関係なく、共通の中心軸の周りに配置された 4 つの同心円状の層で構成されています。最も内側の要素は中心導体で、信号を伝送します。それを取り囲むのは、中心導体と外部導体との間に正確な物理的間隔を維持する誘電体絶縁体です。外部導体 (シールドとも呼ばれます) は誘電体を囲み、信号のリターンパスとして機能するとともに、信号の漏れや外部干渉による伝送の乱れを防ぐ電磁バリアとしても機能します。最外層は保護ジャケットで、ケーブルを機械的損傷、湿気、環境劣化から保護します。

これらの層の形状は任意ではありません。ケーブルの特性インピーダンスが決まります。特性インピーダンスは、伝播する波の電圧と電流の比であり、信号の反射や電力損失を防ぐために伝送システム全体で整合させる必要があります。広く使用されている 2 つの標準インピーダンス値は、電力処理と信号の完全性が最重要である RF 送信、放送、電気通信インフラストラクチャに好まれる 50 オームと、ビデオ周波数での信号減衰を最小限に抑えることが優先されるビデオ配信、ケーブル テレビ、民生用放送アプリケーションの標準である 75 オームです。同軸ケーブルのタイプ間で大きく異なるのは、各層の構造、特に外部導体です。この変化により、ケーブルの機械的特性、柔軟性、電力処理能力、設置要件が決まります。

ソリッド銅管同軸ケーブル

ソリッド銅管同軸ケーブルは、外部導体としてシームレスまたは溶接された滑らかな銅管を使用します。この構造は、信号エネルギーが漏れたり外部干渉が侵入したりする隙間や開口部のない、優れた連続的な電磁シールドを提供します。ソリッドチューブの外部導体はかなりの機械的剛性も備えているため、このケーブルタイプは圧縮荷重下での潰れ、よじれ、変形に耐性があります。外部導体の滑らかな内面により、高周波での表皮効果損失が最小限に抑えられ、単位長さあたりの信号減衰が少なくなります。

固体銅管構造の主な制限は、柔軟性が完全に欠如していることです。ケーブルは、設置中に一度半径方向に曲げられると、その形状を永続的に保持し、外部導体の変形や誘電体間隔の破壊の危険を伴うことなく再度曲げることはできません。このため、ソリッド チューブ同軸ケーブルは、大きな曲げ半径 (通常はケーブル外径の 10 ～ 20 倍の最小曲げ半径) を備えた永久固定配線にのみ適しています。これは主に、ケーブル経路が直線であるか、工場で形成された屈曲部を使用しており、設置後にケーブルの位置を変更する必要がない、高出力送信機フィーダーのアプリケーションや固定アンテナ インフラストラクチャで使用されます。

波形銅管同軸ケーブルの構造と利点

波形銅管同軸ケーブル これは、高性能同軸ケーブル設計における技術的にも商業的にも最も重要な進歩です。この構造では、外側導体は銅ストリップから形成され、これを縦方向に折り曲げてチューブにし、外側ジャケットを付ける前に機械的に波形を付け、その長さに沿って繰り返し螺旋状または環状 (リング) の溝パターンを与えます。波形は、硬くて滑らかなチューブだったものをケーブルに変え、優れた電気シールド効果と固体銅の外部導体の低損失特性を維持しながら、曲げたり、コイル状に巻いたり、角や障害物の周りに設置したりする能力を獲得します。

波形の背後にある機械原理は、ふいごや波形金属ホースに似ています。銅管の壁にある山と谷が交互になっているため、曲線の内側で波形が圧縮され、外側で波形が拡張することでケーブルを曲げることができ、曲げ応力が 1 点に集中するのではなく、多くの小さな変形に分散されます。これにより、波形銅管同軸ケーブルは、高いシールド効果と低い信号減衰に不可欠な連続した銅の外部導体を維持しながら、ケーブル外径の 5 ～ 10 倍の最小曲げ半径を実現できます。これは、平滑管の代替品よりも大幅に優れています。

ヘリカル波形パターンと環状波形パターン

波形銅管同軸ケーブルは、螺旋状または環状の波形パターンで製造されており、どちらの選択がケーブルの機械的動作とコネクタの終端方法の両方に影響します。らせん状の波形（単一の連続した溝がねじ山のように外部導体の長さに沿ってらせん状になっている）は、優れた柔軟性を提供し、ケーブルが疲労亀裂を生じることなく複数の平面で繰り返し屈曲することを可能にします。らせん状波形ケーブルは、複数の曲がりがある設置ルートや定期的な位置変更を伴う用途に適しています。一連の独立したリング溝が外部導体を一定の間隔で取り囲む環状波形は、より優れた耐圧潰性を提供し、繰り返しの屈曲よりも機械的保護が優先される、より大径で高電力のケーブルに一般的に使用されます。

コルゲート銅管ケーブルの電気的性能

電気的な観点から見ると、波形銅管同軸ケーブルは、ほとんどの実用的なパラメータにおいて最高の滑らかな管構造に近い、または同等の性能を実現します。 120 dB 以上のシールド効果値が日常的に達成されており、これは信号漏洩と外部干渉が無視できるレベルまで減衰されることを意味します。外径 1-5/8 インチの一般的な 50 オーム波形銅管ケーブルの減衰値は、1 GHz で 100 メートルあたり約 1.5 ～ 2.5 dB で、100 MHz では 100 メートルあたり 1 dB 未満に下がります。この数値は、これらのケーブルが携帯電話基地局フィーダ、放送送信機設置、および分散アンテナ システムで数百メートルの配線に耐えられることを示しています。同じケーブルの平均電力処理容量は、周波数と冷却条件に応じて 5 kW から 30 kW 以上の範囲にあり、高出力 FM および TV 放送送信機での使用が可能になります。

編組シールド同軸ケーブル

編組シールド同軸ケーブルは、世界中で最も広く生産および消費されている同軸ケーブル タイプで、家庭用電化製品、試験および測定機器、CCTV システム、ケーブル テレビ配信、その他数え切れないほどの用途に使用されています。この構造では、外部導体は、誘電絶縁体上に複数の細い銅または銅合金のワイヤストランドを斜めの編組パターンで織り込むことによって形成されます。編組は柔軟で連続した導電層を提供し、損傷することなく曲げたり、コイル状に巻いたり、狭いスペースに配線したりすることができ、また、リターン電流経路および電磁シールドとしても機能します。

中実または波形チューブ設計と比較した編組シールド構造の主な制限は、シールド効果です。通常、単一の編組層は 55 ～ 75 dB のシールド効果を達成します。これは、固体または波形の銅管の外部導体で達成可能な 100 dB 以上よりも大幅に低くなります。これは、織り構造には本質的にワイヤストランド間に電磁エネルギーが通過できる小さな隙間が含まれているためです。二重編組および三重編組構造は、重量の増加と柔軟性の低下を犠牲にしてシールド効果を 85 ～ 90 dB に向上させますが、それでもチューブベースの外部導体の性能には匹敵しません。強い干渉環境でのアプリケーションや、信号の機密性のために非常に高いシールドレベルが必要なアプリケーションの場合、編組ケーブルは一般に不適切であり、代わりに波形またはフォイルプラス編組構造が指定されています。

フォイルシールドとフォイルプラス編組同軸ケーブル

フォイルシールド同軸ケーブルは、外部導体として誘電体の周りに巻き付けられたアルミニウムまたは銅フォイルの薄い層（通常は機械的サポートのためにポリエステルフィルムキャリアに接着されています）を使用します。このフォイルは誘電体表面を隙間なく 100% カバーしており、高周波、特に編組の開口部が波長のより重要な部分となる 1 GHz 以上では、単一編組設計と比較して理論的に優れたシールド効果が得られます。ただし、フォイルのみの構造は壊れやすく、抵抗加熱がなければ大きなリターン電流を流すことができないため、電力伝送ではなく信号レベルのアプリケーションにのみ適しています。

高いシールドと柔軟性の両方を必要とする用途に最も効果的なフレキシブルケーブル構造は、フォイルと編組の組み合わせです。フォイル層が完全なカバレッジを提供し、その上に適用された編組層が構造的完全性、通電容量を提供し、フォイルだけでは効果が低い低周波数での追加のシールドを提供します。この構造は 90 ～ 100 dB のシールド効果値を達成し、シールド性能と設置の柔軟性の両方が同時に必要とされる衛星受信機のダウンリード、精密測定ケーブル、データセンターの相互接続に広く使用されています。

セミリジッドで適合性のある同軸ケーブル

セミリジッド同軸ケーブルは、滑らかなチューブフィーダーケーブルと材料が似ていますが、直径がはるかに小さい固体銅管の外部導体を使用しており、曲げ工具を使用して特定の形状に成形でき、成形後はその形状を永久に保持します。外部導体や誘電体の間隔を損傷する危険を冒さずに手で曲げることはできません。セミリジッド ケーブルは、極めて正確なインピーダンス制御、ほぼ完璧なシールド、最小限のコネクタ間の信号経路長が必要とされる電子機器の筐体、RF モジュール、マイクロ波アセンブリ内でほぼ独占的に使用されます。外径は 0.047 インチから 0.250 インチまであり、マイクロ波回路アセンブリ、レーダー システム、衛星通信ハードウェアの標準相互接続媒体です。

コンフォーマブル同軸ケーブルは、セミリジッド構造の電気的特性を維持しながら、手で成形できるようにするために、ソリッドチューブではなく撚り線または巻き付けられた外部導体を使用するセミリジッドケーブルの開発です。ケーブル外径の約 3 倍の最小半径まで手で曲げることができ、曲げた後もスプリングバックなしでその形状を保持できるため、配線経路が事前に分からず、ワークショップ環境で事前に形成できないプロトタイプのアセンブリや現場での設置に適しています。

同軸ケーブルの種類の比較: 主要なパラメータ

次の表は、アプリケーションベースの選択決定をサポートするために、主要な同軸ケーブルの各タイプの最も重要な特徴をまとめたものです。

波形銅管同軸ケーブルを指定する場合

波形銅管同軸ケーブルは、非常に高いシールド効果、低減衰、高電力処理などの固体銅外部導体の電気的性能と、実際の現場設置に十分な柔軟性を同時に実現する唯一の構造であるため、市場で独自の地位を占めています。この組み合わせにより、要求の厳しいいくつかのアプリケーション カテゴリで標準仕様となります。

• 携帯電話基地局アンテナフィーダ: 4G および 5G ネットワークで基地局のトランシーバーを屋上またはタワーに設置されたアンテナに接続するアンテナ フィーダー ケーブルは、ほとんどの場合、波形銅管同軸ケーブルであり、通常は 1/2 インチ、7/8 インチ、または 1-5/8 インチの標準サイズです。ケーブルは、キロワットの送信電力を処理し、20 ～ 100 メートル以上の延長にわたって最小限の信号損失を維持しながら、ケーブル トレイ、角の周り、建物の貫通部を通って配線する必要があります。
• FM およびテレビ放送送信機フィーダー: 高出力 FM ラジオおよびデジタル テレビ送信機には、87.5 MHz ～ 862 MHz の周波数で 5 kW ～ 80 kW 以上の連続平均電力を処理できるフィーダ ケーブルが必要です。直径 1-5/8 インチから 6-1/8 インチの波形銅管ケーブルは、世界中のこれらの用途の標準ソリューションです。
• 分散型アンテナ システム (DAS): 空港、スタジアム、病院、ショッピング センターなどの大規模な会場向けの建物内ワイヤレス カバレッジ システムでは、信号源と建物全体に分散されたアンテナ ポイントの間のメイン トランク フィーダとして波形銅管ケーブルが使用されます。遠隔アンテナの位置で適切な信号レベルを維持するには、長距離にわたって低損失であることが重要です。
• 軍事および政府の通信インフラストラクチャ: 固定軍用通信施設および政府放送施設では、高いシールド効果（電磁放射セキュリティの TEMPEST 要件をサポート）と、数十年にわたって使用され続けることが予想される恒久的に設置されたインフラストラクチャにおける長期の機械的信頼性の組み合わせとして、波形銅管同軸ケーブルが指定されています。
• 粒子加速器および科学研究施設: 高エネルギー物理学研究施設では、加速空洞への RF 配電に波形銅管同軸ケーブルを使用します。そこでは、加速器構造を通る複雑なケーブル配線経路上で、正確なインピーダンス制御、非常に高い電力レベル、および最小限の信号反射が同時に必要とされます。

アプリケーションに適した同軸ケーブルのタイプの選択

同軸ケーブルのタイプを選択するには、アプリケーションの電気的、機械的、環境的要件を体系的に評価する必要があります。次のパラメータは、ケーブル タイプを指定する前に定義する必要があります。それぞれのパラメータにより、特定の構造が考慮から除外されたり、特定のタイプが明確に最適な選択になったりする可能性があります。

• 動作周波数範囲: 周波数が高くなるほど、減衰の低いケーブルが必要になります。 30 メートルを超える長さの 500 MHz を超える周波数の場合、信号損失をシステムの予算内に抑えるために、通常、波形銅管または高品質のフォイルと編組の構造が必要です。編組ケーブルは通常、短期間の 100 MHz 未満のアプリケーションに適しています。
• 電力処理要件: 連続平均電力が 500 W を超えるアプリケーションの場合、銅管の外部導体設計 (平滑または波形) が唯一の実用的な選択肢となります。編組およびフォイル構造では、外部導体を過熱することなく大量の電力を処理できません。
• 必要なシールド効果: 高干渉環境、高感度の測定システム、または放射セキュリティ要件のある施設でのアプリケーションには、100 dB を超えるシールド効果が必要であり、編組ベースの設計ではなく波形または固体の銅管構造が事実上義務付けられています。
• 設置の柔軟性と配線の複雑さ: 異なる平面に複数の曲がりがある複雑なケーブルルートには、柔軟なケーブルが必要です。波形銅管ケーブルは、高性能と設置の柔軟性が同時に必要な場合に最適です。編組ケーブルは柔軟性に優れていますが、電気的性能は低下します。
• 環境暴露: 屋外設置には耐紫外線性と耐候性の外側ジャケットが必要で、機械的衝撃を受けるエリアのケーブルには装甲または厚壁のジャケット構造が必要です。ポリエチレンまたは低煙ハロゲンフリー ジャケットを備えた波形銅管ケーブルは、あらゆる気候帯の屋外フィーダー用途向けに特別に設計されています。