Koaksiaalikaapeli

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 muunmuassa 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

 Z_0 = \sqrt{\frac{R+j\omega L}{G+j\omega C}},

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

 Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}} .[1]

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

Z_0 = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{\mu}{\epsilon}} \ln(\frac{D}{d}),

missä D on ulkovaipan sisähalkaisija, d on sisäjohtimen halkaisija, ln on luonnollinen logaritmi,  \mu on eristemateriaalin permeabiliteetti ja \ \epsilon 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

v = \frac{1}{ \sqrt{\mu\epsilon}} = \frac{c}{\sqrt{\mu_r\epsilon_r}} ,

jossa c on valonnopeus tyhjössä,  \mu_r on suhteellinen permeabiliteetti ja  \epsilon_r 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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
Kaapelityyppi Ominais-

impedanssi(Ω)

Keskijohdin

Ø mm

Eriste Kokonais-

halkaisija (mm)

Vaippa Vaimennus dB / 100 m Kommentit Lähde
tyyppi Ø mm @400 MHz @2400 MHz
Aircell 5 50 1,08 PF 2,95 2,0 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 19,3 49,9 Radioamatöörit, LA- ja radiopuhelinten antennikaapelit, harrastuskäyttö [4]
Aircell 7 50 1,85

(19 x 0,37)

PF 5,0 7,3 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 13,2 35,6 Erittäin taipuisa mikroaaltokaapeli [5]
Aircom Plus 50 10,3 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 8,4 VHF-ja UHF-taajuuksille soveltuva kaapeli. [6]
Ecoflex 10 Standard 50 2,85 (7 x 1,0) PF 7,25 10,2 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 8,4 23,6 WLAN, radioamatöörit, ammattikäyttö [7]
Ecoflex 10 Plus 50 2,85 (7 x 1,0) PF 7,25 10,2 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 8,4 22,9 Kuparipinnoitetulla alumiiniytimellä [8]
Ecoflex 10 Standard Heatex 50 2,85 (7 x 1,0) PF 7,25 10,2 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 8,4 23,6 Kuten Ecoflex 10 Standard, mutta halogeenivapaa, palamattomalla kuorella [9]
Ecoflex 10 Plus Heatex 50 2,85 (7 x 1,0) PF 7,25 10,2 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 8,4 22,9 Kuten Ecoflex 10 Plus, mutta halogeenivapaa, palamattomalla kuorella [10]
Ecoflex 15 Standard 50 4,5 (7 x 1,55) PF 11,3 14,6 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 5,9 16,3 WLAN, radioamatöörit, vaativa ammattikäyttö [11]
Ecoflex 15 Heatex 50 4,5 (7 x 1,55) PF 11,3 14,6 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 5,9 16,3 Paloturvallinen, julkisiin tiloihin [12]
Ecoflex 15 Plus 50 4,5 (7 x 1,55) PF 11,3 14,6 2, kuparifolio ja kuparipalmikko 5,3 14,9 Kuparipinnoitetulla alumiiniytimellä [13]
RFA78 50 9,3 PF 22,0 27,8 1, korrugoitu kupariputki 2,3 6,1 Vaativat tietoliikennesovellukset [14]
RG-213/U 50 2,25

(7 x 0,75)

PE 7,25 10,3 1, kuparipalmikko 14,5 Kohteet, joissa RF-ominaisuuksille ei aseteta suuria vaatimuksia [15]
RG-58/U 50 0,95

(19 x 0,18)

PE 2,95 5,0 1, tinapinnoitettu kuparipalmikko 36,0 Radioamatöörit, LA- ja radiopuhelinten antennikaapelit, harrastuskäyttö [15]
TELLU13 75 1,0 PF 4,8 7,0 2, kuparifolio ja kuparipalmikko TV-, yhteisantenni- ja kaapeli-TV –verkon sisäkaapeli [16]

Eristekoodit

  • PE, polyeteeni
  • PF, polyeteenivaahto

Koaksiaalikaapelien liittimiä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  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/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/heatex_10.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 10 Heatex
  10. http://www.paratronic.fi/heatex_10_plus.shtml Paratronic Oy, Heatex 10 Plus
  11. http://www.paratronic.fi/ecoflex_15.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 15 Standard
  12. http://www.paratronic.fi/heatex_15.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 15 Heatex
  13. http://www.paratronic.fi/ecoflex_plus.shtml Paratronic Oy, Ecoflex 15 Plus
  14. [2] Draka Cables
  15. a b [3], BCAR
  16. [4] Draka Cables