پارامترها،کاربرد و امپدانس مشخصه کابل کواکسیال

کابل کواکسیال نوعی کابل انتقال سیگنال است که دارای یک هادی داخلی است که توسط یک عایق که معمولا از PE استفاده می شود احاطه شده است

کابل کواکسیال و پارامترهای آن

برای انتخاب کابل کواکسیال مناسب برای کاربرد خود بهتر است که با این کابل و پارامترهای آن و انواع کابل کواکسیال آشنا شوید. در این مقاله ابتدا در مورد کابل کواکسیال توضیحاتی داده می شود. سپس به بررسی امپدانس مشخصه کابل کواکسیال می پردازیم .پارامترهای مهم کابل کواکسیال معرفی شده و توضیح داده می شوند.

کابل کواکسیال نوعی کابل انتقال سیگنال است که دارای یک هادی داخلی است که توسط یک عایق که معمولا از PE استفاده می شود احاطه شده است، و آن هم توسط یک شیلد هادی (محتفظ الکتریکی در مقابل نویز) پوشش داده شده است.

کابل های کواکسیال دارای یک روکش که برای حفاظ مکانیکی کابل است بر روی شیلد خود هم هستند. واژه کواکسیال یا هم محور از آنجا گرفته شده است که هادی داخلی و شیلد دارای محور هندسی مشترک هستند. کابل کواکسیال توسط مهندس و ریاضی دان انگلیسی Oliver Heaviside در سال ۱۸۸۰ اختراع شده است.

کاربرد کابل کواکسیال

کابل کواکسیال به عنوان خط انتقال داده برای سیگنال های رادیویی و تلویزیونی استفاده می شود. یکی از کاربرد های آن خطوط تغذیه برای اتصال فرستنده های و گیرنده های رادیویی به آنتن می باشد.

دیگر کاربرد کابل کواکسیال استفاده در شبکه های کامپیوتری است و کاربرد دیگر آن برای انتقال سیگنال های تلویزیونی و ماهواره ای است. یکی از مزایای کابل کواکسیال نسبت به دیگر خطوط انتقال رادیویی این است که در یک کابل کواکسیال ایده آل میدان الکترو مغناطیسی فقط در فضای بین هادی و شیلد (هادی داخلی و بیرونی) وجود دارد.

این مزیت باعث می شود که بتوان این کابل را در کنار اشیاء فلزی استفاده نمود بدون اینکه از تلفات انرژی که در دیگر کابل های انتقال رخ می دهد. همچنین کابل کواکسیال از سیگنال در برابر تداخل میدان های الکترو مغناطیسی خارجی  توسط شیلد محافظ محافظت می کند.

توضیحات

کابل کواکسیال سیگنال های الکتریکی را توسط یک هادی داخلی منتقل می کند (که معمولا یا مس به صورت مفتول است و یا مفتول مس با یک لایه استیل) که توسط یک لایه عایق احاطه شده و این لایه توسط شیلد محصور شده (بین یک تا چهار لایه به صورت شیلد بافته شده یا فویل). در آخر هم یک روکش عایق از کابل محافظت می کند.

معمولا شیلد به زمین وصل می شود و ولتاژ (یا همان سیگنال) به هادی داخلی داده می شود. برتری کابل کواکسیال این است که میدان های الکتریکی و مغناطیسی توسط دی الکتریک (دی‌الکتریک یک عایق الکتریکی است که با اعمال میدان الکتریکی، می‌تواند قطبی شود. دی الکتریک‌های ایده‌آل دارای بارهای آزاد نیستند. هنگامی که یک جسم دی الکتریک در یک میدان الکتریکی خارجی قرار می‌گیرد، بارهای آزاد القائی که در هادی‌ها به سوی سطح حرکت کرده و چگالی بار و میدان الکتریکی داخلی را صفر می‌کردند، وجود ندارند.

اما چون دی الکتریک‌ها شامل بارهای مقید هستند نمی‌توانیم نتیجه بگیریم که تأثیری بر میدان الکتریکی قرار گرفته در آن ندارند) و با نشتی جزئی از شیلد محدود می شود. به صورت مشابه از تداخل میدان های الکتریکی و مغناطیسی خارج کابل با سیگنال درون کابل محافظت صورت می گیرد.

کابل های با قطر بزرگتر و کابل های با چندین لایه شیلد نشتی کمتری دارند. این خاصیت کابل کواکسیال باعث می شود که این کابل گزینه مناسبی برای انتقال سیگنال های ضعیف که تحمل تداخل عوامل محیطی را ندارند باشد.

امپدانس مشخصه کابل (Z0) توسط مقدار ثابت دی الکتریک عایق داخلی و شعاع هادی داخلی و بیرونی مشخص می شود. مقدار امپدانس مشخصه بسیار مهم است، چرا که امپدانس منبع و بار باید با هم هماهنگ باشند تا از انتقال حداکثری توان اطمینان حاصل شود.

از دیگر موارد مهم در کابل کواکسیال می توان به تضعیف سیگنال به عنوان تایعی از فرکانس و کیفیت شیلد نام برد. کیفیت شیلد کابل کواکسیال بستگی به طول تاب بافت روی عایق و ضریب پراکندگی و درصد پوشش و تعداد لایه های آن دارد.

 

پارامترهای مهم

– پارامترهای فیزیکی

در ادامه سمبل های زیر استفاده می شوند:

طول کابل با h نشان داده می شود.

قطر بیرونی هادی داخلی با d نشان داده می شود.

قطر درونی شیلد با D نشان داده می شود.

ثابت دی الکتریک عایق کواکسیال که با E نشان داده می شود و حاصل ضرب ثابت دی الکتریک نسبی Er در ثابت دی الکتریک خلا E0 می باشد. وقتی عایق به صورت ترکیبی از مواد دی الکتریک باشد، از واژه ثابت دی الکتریک موثر یا Eeff استفاده می کنیم. 

نفوذ پذیری مغناطیسی عایق که با u نشان می دهیم و حاصل ضرب نفوذ پذیری نسبی ur در نفوذ پذیری خلا u0 می باشد. در اکثر موارد ur برابر ۱ است.

 

– پارامترهای الکتریکی اصلی

 

۱- ظرفیت خازنی کابل کواکسیال موازی در واحد طول (فاراد بر متر)

۲- ظرفیت سلفی کابل کواکسیال سری در واحد طول (هانری بر متر)

۳- مقاومت سری در واحد طول (اهم بر متر) که مقاومت هادی داخلی و شیلد در فرکانس پایین است. در فرکانس های بالا اثر سطحی مقاومت را با محدود کردن محل عبور جریان فقط از سطح هادی افزایش می هد.

۴- هدایت الکتریکی موازی در واحد طول (زیمنس بر متر) که معمولا مقدار بسیار کمی دارد. به علت وجود عایق با خاصیت دی الکتریک معمولا عدد بسیار کمی دارد، ولی در فرکانس های بالا، دی الکتریک می تواند تلفات بالایی داشته باشد.

– پارامترهای الکتریکی فرعی

۱- امپدانس مشخصه کابل کواکسیال (اهم): امپدانس یک کابل با طول نا محدود به صورت زیر به دست می آید که در آن R مقومت در واحد طول، G هدایت الکتریکی در واحد طول، L ظرفیت سلفی در واحد طول  وC    ظرفیت خازنی در واحد طول است و s برابر با jw است.

در فرکانس های پایین (s=0) از المان های راکتیو می توان صرفنظر کرد:

با افزایش فرکانس المان های راکتیو موثر می شوند و حاصل یک عدد مختلط می شود. در نهایت در فرکانس های بالا اثر R و G ناچیز می شود و نتیجه را که با Z0  به صورت زیر در می آید:

۲- تضعیف (تلفات) در واحد طول (دسی بل بر متر): این المان مرتبط است با تلفات در ماده دی الکتریک که در تولید کابل به کار رفته است، و تلفات اهمی در هادی اصلی و شیلد بیرونی. این تلفات به فرکانس بستگی دارند، به این ترتیب که با افزایش فرکانس، تلفات هم افزایش می یابد.

تلفات اثر سطحی هادی را می توان با افزایش قطر کابل کاهش داد. کابلی با قطر دو برابر یک کابل دیگر دارای تلفات اثر سطحی نصف آن کابل می باشد. البته باید تلفات در اتصال ها را نیز در نظر گرفت.

۳- سرعت انتقال کابل  (متر بر ثانیه): سرعت انتقال داده به صورت رابطه A بدست می آید.

۴- فرکانس cut-off یا فرکانسی که در آن تلفات انرژی در کابل کواکسیال بسیار زیاد می شود به صورت رابطه B  بدست می آید و در عمل می توان سیگنال های با فرکانس ۰ تا ۹۰ فرکانس قطع از طریق کابل منتقل کرد:

۵- ولتاژ پیک کابل : توسط ولتاژ شکست عایق تعیین می شود و به صورترابطه C بدست می آید که در آن S ولتاژ شکست عایق می باشد (ولت بر متر) و d قطر داخلی