Решил сделать подборку информации о коаксиальных кабелях. В принципе все есть в печатной литературе и интернете. Постарался однако все основное собрать в одном месте. При этом с одной стороны не слишком углубляясь в теорию, но при этом отдельные места постарался осветить поподробнее чем обычно в сети и дать некоторое количество мало распространенной информации.
Структура коаксиального кабеля и картина электрического поля в нем показана ниже. Он состоит из внутреннего проводника, окруженного концентрическим проводящим экраном. Между проводником и экраном - диэлектрик. Термин коаксиальный (соосный) означает, что внутренний проводник и внешний экран имеют общую геометрическую ось.
Считается, что первым кто рассмотрел коаксиальный кабель и получил формулу для погонной емкости был английский физик ирландского происхождения Уильям Томсон, лорд Кельвин. Это было в 1855 году. Вообще он приложил руку ко многим областям физики, одной из сфер его деятельности была термодинамика - в честь него назвали шкалу Кельвина. А рыцарское звание он получил как раз за вклад в прокладку трансатлантического телеграфного кабеля в 1850е-1860е годы. Телеграфные линии тогда были однопроводные. Однако подводный трансатлантический кабель имел более сложную конструкцию. Центральный провод состоящий из нескольких медных жил, слои изоляции и поверх еще броня из стальной проволоки. По сути такой кабель можно даже назвать коаксиальным. По крайней мере в английской википедии он так и назван. Ниже приведено фото такого кабеля.
Первый патент на коаксиальный кабель (British patent No. 1,407 - 1880 год) принадлежит английскому физику Оливеру Хевисайду. Он же сделал существенный вклад в теорию, в частности вывел телеграфные уравнения для длинной линии. Кроме того уравнения Максвелла в современном векторном виде это тоже заслуга Хевисайда.
Немного позднее патенты также выпустили немецкая компания Сименс (Германия Patent No. 28,978 - 1884 год) и Никола Тесла (U.S. patent 514,167 - 1894 год).
Разработчиками первого современного коаксиального кабеля, после чего началось его коммерческое применение считаются Ллойд Эспеншид и Герман Эффель из AT&T Bell Laboratories. В 1929 году ими была подана заявка на соответствующий патент. Выдан в 1931 году (U.S. patent 1,835,031). Ниже приведен рисунок кабеля из патента. Кстати в патенте упор сделан в основном не на сам кабель, а на систему связи на его основе.
Сам термин коаксиальный в ранних работах и патентах вроде бы не использовался (я по крайней мере не нашел). И в патенте Эспеншида и Эффеля от 1929 года используется термин "Concentric Conductor Transmission Line". А уже в 1934 году в различных статьях того же Эспеншида или Щелкунова упоминается "Coaxial lines". Между прочим известный ученый, выходец из России С. А. Щелкунов тоже работал в Bell Laboratories, и внес немалый вклад в разработку и исследование коаксиального кабеля.
Первая опытная линия связи на коаксиальном кабеле была открыта в 1936 году между Филадельфией и Нью-Йорком. Первая коммерческая система связи L1 была проложена в 1941 году между Миннеаполисом (Миннесота) и Стивенс Пойнт (Висконсин), был запущен ТВ-канал и 480 телефонных каналов. На фото приведенном ниже Ллойд Эспеншид и Герман Эффель (справа) держат в руках первый экспериментальный и первый коммерческий кабель соответственно.
Основные параметры коаксиального кабеля.
Волновое сопротивление. Формула приведенная ниже работает для частот выше 100 кГц, на более низких частотах волновое сопротивление заметно возрастает.
Предельная рабочая частота. Значение, которое можно получить по формуле приведенной ниже это максимальное (идеальное) теоретическое значение. Формула исходит из условия возникновения волн более высших мод в кабеле. У реального кабеля значение может быть ниже, например из-за некачественной, более редкой оплетки через которую электромагнитное поле может просачиваться наружу.
Потери. Формулы для потерь приведены на основе книги Д.М. Сазонова "Антенны и устройства СВЧ". Немного переписаны в более удобном виде. Потери имеют две составляющие: потери в металле + потери в диэлектрике. Следует обратить внимание, что потери в металле зависят от параметров диэлектрика из-за эффекта укорочения длины волны. В то же время потери непосредственно в диэлектрике не зависят от поперечных размеров коаксиальной линии.
Потери удельные, дБ/м. Все единицы в системе СИ (метры, См/м).
В интернете можно найти множество online - калькуляторов параметров коаксиального кабеля, в том числе на сайтах производителей. Немало формул, в том числе в виде Excel таблиц можно найти на сайте Microwaves101.com. Включая уточненные по сравнению с приведенными выше, с учетом современных представлений.
Дальше еще немного о волновом сопротивлении Z. Иногда требуется разъяснить термин и в сети в принципе есть статьи на эту тему. Попробую вкратце сделать это и здесь. В длинной линии (длина которой сравнима с длиной волны или больше) волна распространяется даже если на конце линии отсутствует какая-либо нагрузка. Линию передачи можно представить в виде LC-цепочки, как показано на рисунке ниже. При распространении волны будет происходить процесс заряда/разряда емкостей и протекать токи. В идеальном случае эти токи не приводят к потерям в отличие от ситуации с током в активной (резистивной) нагрузке.
Как и в случае с обычным сопротивлением волновое сопротивление можно выразить через отношение напряжения к току в линии. Кроме того волновое сопротивление выражается через удельные емкость (C) и индуктивность (L) линии передачи, как показано ниже. Таким образом волновое сопротивление характеризует свойства линии передачи.
Если волновое сопротивление линии передач Z совпадает с активным сопротивлением оконечной нагрузки R, то линия согласована и вся энергия будет поглощаться в нагрузке. Если Z не равно R, то часть энергии будет отражаться обратно и в линии возникнет стоячая волна (но это отдельная тема).
Теперь о типичных волновых сопротивлениях коаксиальных кабелей.
Наиболее распространенные волновые сопротивления кабелей 50 и 75 Ом. Встречаются и другие, но значительно реже. Кабель с волновым сопротивлением 93 (92) Ом использовался когда-то в компьютерной сети ARCNET и кое-где применяется и сейчас (тип RG-62). Есть кабель 125 Ом, тип RG-63, используемый в космической технике. Существуют кабели 100 - 150 - 200 Ом, хоть и редкие. Слышал еще про кабель 52 Ом, применяемый где-то в радиосвязи. Также среди старых советских кабелей 50-х, 60-х годов встречались типы с сопротивлением отличным от 50/75 Ом. Еще бывают излучающие коаксиальные кабели, но это отдельная тема.
Считается что оптимальные волновые сопротивления были определены еще во время первых исследований в Bell Labs. С точки зрения минимизации потерь оптимальным является значение 77 Ом. Максимальное напряжение пробоя в линии обеспечивается при 60 Омах. А максимальная мощность при сопротивлении 30 Ом. Основная версия, что значение 50 Ом было выбрано исходя из компромисса между потерями в линии и максимальной мощностью. Сопротивление же 75 Ом получилось либо простым округлением, либо исходя из удобства согласования с типичным волновым сопротивлением некоторых антенн в 300 Ом (что сомнительно ибо разница 77 - 75 невелика да и ровно 300 Ом редко бывает).
Есть правда некоторые нюансы. Все вышеизложенное справедливо для коаксиальных кабелей с воздушным заполнением. Если же рассматривать кабели с некоторыми наиболее распространенными диэлектриками, то картина несколько меняется. Ниже для сравнения представлены графики удельных потерь в зависимости от волнового сопротивления при различной диэлектрической проницаемости. Видно, что при использовании сплошного полиэтилена с типичной диэлектрической проницаемостью 2.2 - 2.3 минимум потерь получается при волновом сопротивлении 51 Ом. При использовании вспененных диэлектриков минимум где-то посередине.
Что же касается максимальной мощности, то она здесь определяется исходя из возникновения электрического пробоя. Электрическая прочность диэлектрика как правило значительно выше, чем у воздуха. Поэтому кабель с диэлектриком раньше расплавится, а пробой скорее возникнет в разъеме.
Если вернуться к истории, то первые коаксиальные кабели Bell Labs 1930-х годов (как на фото ниже) были с воздушным заполнением. Кстати их волновое сопротивление было похоже ближе к 77 Ом.
Первые 50-Омные кабели появились позднее, массово вероятно уже где-то в 1940-х годах. К тому моменту основные диэлектрики такие как полиэтилен и фторопласт (тефлон) уже были получены в лабораториях. Промышленное производство полиэтилена в США началось после 1942 года в первую очередь именно в связи с необходимостью производства кабелей (для военных нужд). Одними из первых массовых 50 Ом-ных коаксиальных кабелей были например RG-8/U и RG-58. Подобные кабели хоть и имели более высокие потери по сравнению с кабелями с воздушным заполнением, но были проще в массовом изготовлении и обладали более высокими эксплуатационными характеристиками.
Таким образом при выборе волнового сопротивления 50 Ом скорее всего учитывались также и минимальные потери для кабелей с полиэтиленом, а не только компромисс между потерями и мощностью как для воздушных кабелей. Почему производились кабели 75 Ом со сплошным полиэтиленом, несмотря на более высокие потери? Видимо сам стандарт 75 Ом к тому моменту уже получил распространение и потребность в таких кабелях была. Он все же чуть удобнее с точки зрения согласования с распространенными антеннами. Потери хоть и выше чем в 50 Ом-ных, но ненамного. Сам кабель более гибкий за счет более тонкой жилы по сравнению с 50 Ом-ным. Ну и опять же чуть меньше меди и цена соответственно ниже. Позднее, когда стали применять вспененные диэлектрики потери в 50 и 75 Ом-ных кабелях сравнялись.
Что касается "округлений" 77 - 75 Ом и так далее. При массовом производстве крайне важно использовать распространенные (стандартные) значения диаметров проводников, выпускаемых промышленностью. И это касается не только проводников, но и экрана и диэлектрика. Одни и те же диаметры по диэлектрику могли использоваться для некоторых и 50 Ом-ных и 75 Ом-ных кабелей. Причем не только из-за упрощения производства, но и для стандартизации внешних диаметров при прокладке кабеля. Таким образом не всегда возможно выбрать точное желаемое значение волнового сопротивления. Есть и еще один интересный момент. Если в 50 Ом-ном кабеле заполненном сплошным полиэтиленом убрать диэлектрик, а проводники оставить тех же размеров, то получится кабель с волновым 75 Ом. Причем с точностью чуть ли не до сотых долей. Совпадение? Не думаю).
Продолжение следует.