Kabel koncentryczny to tor transmisyjny współosiowy zbudowany z pojedynczego przewodu izolowanego dielektrykiem, wokół którego umieszczony jest współosiowo drugi cylindryczny przewód pokryty powłoką termoplastyczną. W artykule przedstawiono budowę i podstawowe parametry kabli koncentrycznych. Zaprezentowano także ofertę firmy CDH w tym zakresie.

Kabel koncentryczny został wynaleziony przez Olivera Heaviside’ego, angielskiego matematyka, fizyka i elektronika, który projekt ten opatentował w 1880 roku i zastosował go w liniach transmisyjnych.

Rys. 1. Budowa kabla koncentrycznego

Budowa kabla koncentrycznego

Przewód wewnętrzny
Wykonany jest przeważnie z miedzi jako jednodrutowy lub wielodrutowy w postaci linki. Oliver Heaviside odkrył również zjawisko naskórkowego przepływu prądu wysokiej częstotliwości w przewodniku, co zostało wykorzystane do wykonywania przewodów wewnętrznych bimetalowych np.: stalowo-miedzianych, czy aluminiowo-miedzianych.

Izolacja dielektryczna
Przewód wewnętrzny pokryty jest izolacją dielektryczną. Przeważnie jest to polietylen jednolity, albo polietylen spieniony fizycznie lub chemicznie. Przewód wewnętrzny może też być odizolowany od przewodu zewnętrznego wspornikami dielektrycznymi, pomiędzy którymi znajduje się powietrze.

Przewód zewnętrzny
Wykonany jest w postaci cylindrycznego oplotu z drutów miedzianych lub w postaci rurki z taśmy poliestrowej pokrytej jednostronnie lub dwustronnie aluminium i oplotu z drutów miedzianych ocynowanych. W niektórych przypadkach przewód zewnętrzny wykonany jest w wielokrotnym oplocie drutów miedzianych. Dzięki takiej budowie kable o torach współosiowych są bardziej odporne na zakłócenia zewnętrzne niż kable symetryczne. Oplotowa konstrukcja przewodu zewnętrznego zapewnia elastyczność kabla koncentrycznego i dopuszcza jego zginanie w określonych granicach.

Zewnętrzna powłoka ochronna
Wykonana jest z tworzyw termoplastycznych. Zapobiega mechanicznym i środowiskowym uszkodzeniom przewodu zewnętrznego. W zależności od potrzeb środowiska w jakim pracuje kabel, mogą być użyte takie tworzywa termoplastyczne, jak: polwinit, polietylen, tworzywo bezhalogenowe. Kable układane bezpośrednio w ziemi pod powłoką polietylenową wypełnione są żelem higroskopowym i posiadają barierę niedopuszczającą do wnikania wilgoci w głąb kabla.

Rys. 2. Poglądowy rysunek przekroju kabla koncentrycznego

Wielkości charakterystyczne kabla koncentrycznego

Budowa kabla koncentrycznego przypomina kondensator. Przewód wewnętrzny i przewód zewnętrzny to okładki kondensatora a pomiędzy nimi znajduje się dielektryk. Charakterystyczna wielkość dielektryka nazywa się względną przenikalnością dielektryczną er [epsilon]. Dielektryki, w zależności od wewnętrznej budowy mają przenikalność dielektryczną w zakresie liczbowym od kilku do kilkudziesięciu [er – jest jednostką niemianowaną].
Michael Faraday, fizyk i chemik angielski odkrył, że dielektryk umieszczony pomiędzy okładzinami kondensatora zwiększa jego pojemność, a wielkość ta zależy od rodzaju dielektryka. Przykłady przenikalności dielektrycznej w zależności od rodzaju materiału pokazano w tabeli 1.

Pojemność skuteczna kabla koncentrycznego
Pojemność skuteczna kabla koncentrycznego to zdolność do przechowywania ładunku elektrycznego.

C – pojemność kabla koncentrycznego [pF/m]
d – średnica przewodu wewnętrznego [mm]
D – średnica izolacji dielektrycznej [mm]
ε – względna przenikalność elektryczna izolacji
l – długość odcinka kabla koncentrycznego [m]

Względna przenikalność elektryczna izolacji
Po przekształceniu wzoru na pojemność kabla koncentrycznego można obliczyć względną przenikalność dielektryczną izolacji [ε]. Należy uprzednio multimetrem dokonać pomiaru pojemności [C] oraz pomierzyć przy pomocy suwmiarki średnicę przewodu wewnętrznego [d] i średnicę izolacji dielektrycznej [D]. Otrzymane wyniki z pomiarów wstawia się do przekształconego wzoru i oblicza [ε]:

Impedancja falowa kabla koncentrycznego
Impedancja falowa to oporność falowa będąca miarą oporu, jaki ośrodek kabla koncentrycznego stawia drganiom podczas rozchodzenia się fali w kablu koncentrycznym. Z wzoru wynika, że impedancja kabla koncentrycznego może być regulowana średnicą przewodu wewnętrznego i zewnętrznego oraz względną przenikalnością dielektryczną izolacji.
Obliczoną względną przenikalność dielektryczną izolacji [ε] i zmierzone wartości średnic wstawia się do wzoru na impedancję falową kabla koncentrycznego i w ten sposób można obliczyć [Z]:

Z podanego wzoru wynika, że na impedancję falową kabla koncentrycznego ma zasadniczy wpływ względna przenikalność dielektryczna. Ze wzglądu na standaryzację wymiarów osprzętu do kabli koncentrycznych nie można dowolnie zmieniać średnic. Zmiany względnej przenikalności dielektrycznej można dokonać poprzez zmianę materiału dielektrycznego lub poprzez spienianie jego struktury.
Na świecie zostały przyjęte dwa główne standardy impedancji falowej kabli koncentrycznych tj: 75 Ω i 50 Ω. Kable koncentryczne 75 Ω używane są prawie wyłącznie do anten telewizyjnych, aplikacji VHF (Very High Frequency) i aplikacji FM (częstotliwości stacji radiowych). Kable koncentryczne 50 Ω używane są do zastosowań amatorskich CB i anten samochodowych.

Rys. 3. Straty w zestawieniu z impedancją w kablu koncentrycznym
er = 2,2 – polietylen jednolity
er = 1,43 – polietylen spieniony
er = 1,00 – powietrze

Tłumienność falowa [dB]
Straty mocy w kablu koncentrycznym spowodowane są między innymi tłumieniem przesyłanego sygnału i definiowane są w decybelach na jednostkę długości przy danej częstotliwości.

ϖ – 2 x Π x f – pulsacja
f – częstotliwość [Hz]
C – pojemność skuteczna [nF/km]
R – rezystancja toru [Ω/km]

Z wykresu strat wynikających z tłumienności w funkcji impedancji falowej dla różnych dielektryków można zaobserwować, że najmniejsze straty w kablu koncentrycznym występują w przedziale 50 ÷ 75 Ω. Uzasadnia to przyjęcie tych głównych standardów impedancji falowej na świecie (rys. 3).

Współczynnik prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej
W środowiskach innych niż próżnia prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza od prędkości światła i zależy od przenikalności elektrycznej danego ośrodka. W rozpatrywanym przypadku szybkość transmisji sygnałów elektrycznych w transmisyjnym torze współosiowym, jakim jest kabel koncentryczny, będzie również zależeć od względnej przenikalności elektrycznej dielektryka.

c = 3 • 10⁸ – prędkość światła w próżni [m/s]
ε – względna przenikalność elektryczna izolacji

Współczynnik skrócenia
Współczynnik skrócenia to stosunek prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w przewodzie do prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w powietrzu.

V_p – prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w przewodzie
V_o – prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w powietrzu
Jeśli w kablu koncentrycznym dielektrykiem byłoby tylko powietrze, to współczynnik skrócenia byłby bliski jedności. Przeważnie w kablach koncentrycznych dielektrykiem jest polietylen jednolity lub polietylen spieniony. Jeśli dielektrykiem w kablu koncentrycznym jest jednolity polietylen, to współczynnik skrócenia zawiera się w granicach 0,65 ÷ 0,68. W przypadku polietylenu spienionego współczynnik skrócenia zbliża się do jedności.

Ogólne wskazówki dotyczące instalacji kabli koncentrycznych

Aby zapewnić prawidłową pracę kabli koncentrycznych, trzeba przestrzegać kilku podstawowych zasad przy układaniu i eksploatacji:
• dopuszczalny promień zginania przewodów w instalacjach wewnętrznych nie powinien być mniejszy niż 5-krotna średnica zewnętrzna przewodu, a w instalacjach zewnętrznych nie mniejszy niż 10-krotna średnica zewnętrzna przewodu,
• przewody o powłoce polwinitowej mogą być układane w temperaturze od 0^OC do 50^OC, a o powłoce polietylenowej od -20^OC do 50^OC,
• przewody po ułożeniu przeznaczone są do pracy w otoczeniu o wilgotności względnej powietrza do 100% oraz w temperaturze: od -30^OC do 70^OC (w przypadku przewodów o powłoce polwinitowej) lub od -40^O C do 70^OC (w przypadku przewodów o powłoce polietylenowej).
• przewody rodzaju XzWDXek, XzWDXekw, i XzWDXpek, XzWDXpekw z zaporą przeciwwilgociową są przeznaczone do układania w kanalizacji kablowej i bezpośrednio w ziemi na terenach o małym zagrożeniu uszkodzeniami mechanicznymi i nie dopuszczają wnikania wilgoci do kabla,
• przewody narażone na czynniki środowiskowe powinny mieć odpowiednie powłoki: powłokę odporną na promieniowanie UV, powłokę bezhalogenową, powłokę olejoodporną lub benzynoodporną, powłokę uniepalnioną.
W tabeli 2 zaprezentowano przegląd kabli współosiowych produkowanych przez firmę CDH.

inż. Adam Cichoń
Autor jest konsultantem
ds. techniczno-technologicznych
w firmie CDH Produkcja Kabli

Literatura:
[1] Nowoczesne kable telekomunikacyjne – Zdzisław Perkowski, Tadeusz Łapiński,
[2] Zasady teletransmisji przewodowej – Witold Nowicki,
[3] Informator Techniczny – Technokabel,
[4] MIL-C-17 Radio Frequency, Coaxial Cable,
[5] PN-EN 50117-1: 2003/A1: 2007 Kable współosiowe Część 1: Wymagania ogólne,
[5] http://www.radio-electronics.com/info/
antennas/coax/rf-coaxial.