Tłumienność kabli koncentrycznych

Ron Hranac

Tłumiennością lub stratą nazywamy spadek mocy sygnału lub sygnałów, zwykle mierzony w decybelach.  Tłumieniu w szczególności ulegają sygnały radiowe (RF) przechodzące przez kabel koncentryczny, złącza, tłumiki (wkładki), korektory i elementy pasywne, takie jak rozgałęźniki i odgałęźniki. W przeciwieństwie do mniej więcej płaskiej straty na urządzeniu pasywnym całym jego paśmie przenoszenia, tłumienie przez kabel koncentryczny jest znacznie większe przy wyższych częstotliwościach niż przy niższych. W tabeli 1 podano kilka przykładów wartości tłumieności w funkcji częstotliwości dla powszechnie dostępnych kabli koncentrycznych RG6 oraz kabli półcalowych typu hardline. Rysunek 1 ilustruje wykres tłumienia w funkcji częstotliwości dla tego ostatniego, w zakresie od 5 MHz do 3 GHz.

Rysunek nr.1

Dlaczego?

Przychodzą na myśl dwa pytania: Po pierwsze, dlaczego kabel koncentryczny posiada tłumienność, a po drugie, dlaczego tłumienność tak bardzo zmienia się wraz z częstotliwością?

Oto odpowiedź na pierwsze pytanie: Z książki Modern Cable Television Technology, 2nd Ed., „utrata sygnału (tłumienie) przez kabel koncentryczny może mieć miejsce z następujących powodów:

  • Promieniowanie na zewnątrz kabla z powodu niedoskonałego ekranowania
  • Straty rezystancyjne w żyłach kabla
  • Pochłanianie sygnału w dielektryku kabla
  • Odbicie sygnału spowodowane niedopasowaniem pomiędzy kablem a końcówkami lub wzdłuż kabla ze względu na niejednolitą impedancję”

Praktycznie rzecz biorąc, kabel koncentryczny stosowany w przemyśle kablowym ma bardzo dobrą skuteczność ekranowania. Jeżeli ekranowanie nie zostało uszkodzone przez środowisko, niewłaściwy montaż, gryzonie, itp., to promieniowanie (wyciek sygnału) z kabla z powodu niedoskonałego ekranowania będzie miało znikomy wpływ na tłumienność. Podobnie, jeśli dopasowanie impedancji urządzeń, do których podłączony jest kabel jest zgodne ze specyfikacją, to tłumienność związana z niedopasowaniem będzie niewielka. Nowoczesne techniki produkcji pomagają utrzymać jednolitą impedancję kabla, co skutkuje znikomym wpływem na tłumienność.

Więc, co zostaje? Straty rezystancyjne w żyle środkowej i ekranie kabla oraz wpływ dielektryka. W przypadku większości typów kabli koncentrycznych stosowanych w przemyśle kablowym, straty w żyle metalowej mają większy wpływ na tłumieność niż dielektryk, chociaż ten ostatni odgrywa pewną rolę.

Straty rezystancyjne

Nie należy mylić strat rezystancyjnych w żyłach metalowych z rezystancją pętli prądów stałych (DC), parametrem zwykle podawanym w omach (Ω) na 1000 stóp i ważnym dla celów zasilania sieci.  Typowe opublikowane dane dotyczące rezystancji DC dla 1000 stóp kabla twardego 0,500 wynoszą 1,35 Ω dla żyły środkowej, 0,37 Ω dla ekranu oraz 1,72 Ω dla rezystancji pętli.  (Jeśli chodzi o rezystancję pętli, wyobraźmy sobie zwarcie jednego końca kabla o długości 1000 stóp i pomiar rezystancji DC pomiędzy żyłą środkową a ekranem z drugiego końca).

Ważne jest to, że wspomniane wartości rezystancji dotyczą prądu stałego – czyli rezystancji, którą zmierzylibyśmy konwencjonalnym omomierzem – a nie częstotliwości fal radiowych przechodzących przez koncentryk.  Prąd stały płynie przez cały przekrój poprzeczny przewodnika. Prąd przemienny (AC), który zawiera w sobie RF, przemieszcza się na powierzchni przewodnika i w jego pobliżu, co jest zjawiskiem znanym jako zjawisko naskórkowości. Głębokość, na której natężenie prądu wynosi około 37% wartości na powierzchni przewodnika, to głębokość naskórkowa. (Więcej informacji można znaleźć w artykule „Skin Effect and Skin Depth”, opublikowanym w mojej bibliotece Broadband Library w lecie 2020 r. na stronie https://broadbandlibrary.com/skin-effect-and-skin-depth/).

Przyjrzyjmy się długości żyle środkowej o długości 100 stóp i średnicy 0,109 cala, często stosowanej w koncentrykach 0,500.  Rezystancja DC wynosi zaledwie 0,135 Ω, czyli jedną dziesiątą wartości dla 1000 stóp . Z powodu zjawiska naskórkowości, RF nie propaguje się przez cały przekrój poprzeczny przewodnika. Zamiast tego, pomyśleć należy o części środkowej żyły, przez którą przechodzi sygnał radiowy, jako o odpowiedniku rury o średnicy 0,109 cala. Aby pomóc zrozumieć, co się dzieje, wyobraźmy sobie, że ścianka rury jest grubsza przy niższych częstotliwościach i cieńsza przy wyższych, co powoduje, że efektywna rezystancja AC jest mniejsza (lepsza) przy niższych częstotliwościach i większa (gorsza) przy wyższych częstotliwościach.

Głębokość naskórkowa w miedzi przy 5 MHz wynosi około 0,001 cala; przy 100 MHz wynosi około 0,0003 cala; a przy 870 MHz wynosi około 0,00009 cala.  Te wartości głębokości naskórkowej można traktować jako przybliżoną grubość ścianki naszej wyimaginowanej rury przy różnych częstotliwościach. W związku z tym, powierzchnia przekroju poprzecznego metalowej części rury jest inna dla różnych częstotliwości, co oznacza, że efektywna rezystancja AC jest również inna.  Efektywną rezystancję tej rury o długości 100 stóp można obliczyć przy pomocy następującego wzoru:

gdzie R to rezystancja w omach, f to częstotliwość w MHz, d to średnica żyły w calach, a ρ/ρc to rezystywność żyły w stosunku do miedzi (w tej dyskusji przyjmijmy, że ρ/ρc = 1).

Efektywna rezystancja AC dla 100 stóp naszego przewodnika o średnicy 0,109 cala wynosi około 2,04 Ω przy 5 MHz, 9,14 Ω przy 100 MHz i 26,95 Ω przy 870 MHz.  Przypomnijmy, że rezystancja DC żyły o długości 100 stóp wynosi zaledwie 0,135 Ω. Wzrost „rezystancji RF” (efektywnej rezystancji AC) wraz ze wzrostem częstotliwości powoduje większą tłumienność przy wyższych częstotliwościach w porównaniu z niższymi. (Uwaga: Ze względu na zjawisko naskórkowości, żyła środkowa kabla nie musi być wykonana z litej miedzi. Zamiast tego jest to aluminium pokryte miedzią, o grubości nieco mniejszej niż 0,003 cala, co jest wystarczające, aby zasadniczo cały prąd RF pozostał w okładzinie) Te same zasady, które zostały tutaj omówione, dotyczą również ekranu kabla.

Obliczanie tłumienności

Powyższy wzór może być użyty do obliczenia tłumienności kabla koncentrycznego, ale jak widać jest to wzór nieco trudny, więc nie będziemy zanudzać czytelnika pokazując jak ten wzór jest używany.

Oto łatwiejsza do zapamiętania zasada: tłumienność kabla koncentrycznego wzrasta w przybliżeniu jako pierwiastek kwadratowy z częstotliwości. Innymi słowy, jeśli znamy tłumienność przy jednej częstotliwości, tłumieność w decybelach przy czterokrotności tej częstotliwości będzie w przybliżeniu dwukrotnie większa od tłumienności niższej częstotliwości. Wracając do tabeli 1, tłumienność kabla typu hardline przy 211 MHz (1,09 dB/100 ft) jest około dwukrotnie większe niż przy 55 MHz (0,54 dB/100 ft), a różnica częstotliwości jest około czterokrotna (w rzeczywistości ~3,8x).

Być może zauważyliście, że wykres na rysunku 1 sięga do 3 GHz. Wielu producentów złączy i kabli określa obecnie tłumienność do tej częstotliwości, częściowo z powodu rozszerzonej częstotliwości pracy obsługiwanej przez DOCSIS 4.0.  Tym ważniejsze jest zrozumienie tłumienności!

 

Tabela 1. Tłumienność kabla koncentrycznego w zależności od częstotliwości

 

 

 

 

Zostaw komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.