5.3 Коаксиальные кабели
Основной недостаток симметричного кабеля – способность излучать и принимать излучение внешних источников, преодолен в коаксиальном кабеле (рисунок 5.12).
Рисунок 5.12 - Поперечное сечение коаксиального кабеля
Здесь электромагнитное поле заключено в пространстве между двумя коаксиальными проводниками и его связь с внешним пространством в случае идеальных проводников исключена.
Центральный проводник обычно изготавливается из медной проволоки с диаметром d большим, чем у симметричного кабеля. Этот проводник покрыт слоем пенистого пластикового изолирующего материала, который окружен вторым проводником, обычно плетеной медной сеткой или алюминиевой фольгой.
Основным типом колебаний (модой) коаксиального кабеля является поперечная электромагнитная волна (ТЕМ). Структура поля этой волны приведена на рисунке 5.11. Основные характеристики ТЕМ волны:
− фазовая скорость и постоянная распространения описываются теми же выражениями (5.1) – (5.3), что и для симметричной линии. В случае малой проводимости σ можно считать, что они практически не зависят от частоты;
− волновое сопротивление кабеля выражается через волновое сопротивление диэлектрической среды ZT (5.4) и значения диаметров проводников
ZB=
(5.5)
В коаксиальных кабелях ZB равняется либо 50 Ом (сплошной диэлектрик), либо 75 Ом (комбинированная изоляция).
− Затухание в основном определяется потерями в проводниках. Коэффициент затухания (в дБ/км)
α=
, (5.6)
где f измеряется в МГц, а диаметры проводников в м.
Из этого выражения следует, что затухание возрастает с ростом частоты f вследствие поверхностного эффекта, уменьшается с ростом D и нелинейно зависит от отношения диаметров D/d.
Последнее
обстоятельство позволяет оптимизировать
коэффициент затухания по параметру
.
Оптимальное соотношение (
)ОПТ=3.6
при одинаковых проводниках. При этом
выражение (5.6) преобразуется в
α=
(5.7)
При типичных значениях параметров D=9.6 мм, εr=1.22 и f=100 МГц получим α=25 дБ/км.
Помехоустойчивость коаксиального кабеля к внешним излучениям определяется его экранирующими свойствами. На рисунке 5.13 приведена зависимость напряженности магнитного поля в коаксиальном кабеле от текущего радиуса r. Здесь поле за пределами кабеля определяется суммой полей, создаваемых токами ±I, протекающими по внутреннему и внешнему проводникам в разных направлениях. Высокая степень защищенности, которая возрастает с частотой, определяет основные преимущества коаксиального кабеля перед симметричным: широкий частотный диапазон, который достигает частоты 100 МГц для магистральных и зоновых сетей связи и 1000 МГц для сетей кабельного телевидения. Вследствие этого реализуется большое число одновременно передаваемых каналов телевидения.
Рисунок 5.13 - Магнитное поле коаксиального кабеля
Несмотря на значительные преимущества коаксиального кабеля перед симметричным область его применения значительно сужена в основном сетями доступа кабельного телевидения. Это объясняется тем что на магистральных сетях коаксиальный кабель существенно уступает волоконно – оптическому по всем техническим характеристикам, в то время как по стоимости он ненамного дешевле. На сетях доступа телефонной связи и сетей передачи данных в настоящее время доминирует симметричный кабель, который значительно дешевле коаксиального и уже проложен в основных районах проживания людей. С развитием интерактивных мультисервисных телекоммуникационных сетей роль коаксиального кабеля вероятно будет возрастать в силу его широкополосности. Однако не исключено, что и в сетях доступа также будет вытеснен волоконнооптическим кабелем.