Coax ทำงานอย่างไร: โครงสร้าง สัญญาณ และการผลิต

Coax ทำงานอย่างไร: คำตอบสั้น ๆ

สายโคแอกเซียลส่งสัญญาณไฟฟ้าโดยใช้ตัวนำที่มีศูนย์กลางร่วมกันสองตัว — ตัวนำภายในแข็งที่ล้อมรอบด้วยตัวนำด้านนอกแบบท่อ (ชีลด์) — แยกจากกันด้วยฉนวนอิเล็กทริกและห่อด้วยแจ็คเก็ตด้านนอกป้องกัน รูปทรงช่วยให้สัญญาณถูกจำกัดอยู่ภายในสายเคเบิล ลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และการสูญเสียสัญญาณได้อย่างมาก เมื่อเทียบกับสายคู่บิดเกลียวมาตรฐานหรือสายคู่ขนาน นี่คือเหตุผลว่าทำไม coax ยังคงเป็นตัวเลือกที่นิยมสำหรับการส่งสัญญาณ RF อินเทอร์เน็ตบรอดแบนด์ เคเบิลทีวี และเครื่องมือวัดที่มีความแม่นยำ แม้ว่าทางเลือกแบบไฟเบอร์และไร้สายจะขยายตัวมากขึ้นก็ตาม

ทุกชั้นของสายโคแอกเชียลมีวัตถุประสงค์ทางกายภาพและทางไฟฟ้าเฉพาะ ตัวนำมีกระแสไฟฟ้า อิเล็กทริกควบคุมความเร็วอิมพีแดนซ์และการแพร่กระจาย โล่ป้องกันเสียงรบกวน เสื้อแจ็คเก็ตป้องกันความเสียหายทางกลไกและสิ่งแวดล้อม ดึงชั้นใดชั้นหนึ่งออกและสายเคเบิลจะหยุดทำงานอย่างถูกต้อง การทำความเข้าใจแต่ละเลเยอร์ — และวิธีที่พวกมันโต้ตอบ — อธิบายว่าทำไมวิศวกรรม coax จึงมีความต้องการมากกว่าที่ปรากฏ

โครงสร้างทางกายภาพของสายโคแอกเซียล ทีละชั้น

ตัวนำภายใน

โดยทั่วไปตัวนำตรงกลางจะเป็นทองแดงแข็งหรือตีเกลียว แม้ว่าเหล็กหุ้มทองแดง (CCS) และทองแดงชุบเงินจะใช้ในการใช้งานความถี่สูงหรือมีความแข็งแรงสูง เส้นผ่านศูนย์กลางมีตั้งแต่ต่ำกว่า 0.5 มม. ในสาย RF ขนาดเล็กไปจนถึงมากกว่า 10 มม. ในสาย CATV trunk ขนาดใหญ่ ที่ความถี่สูง กระแสจะเดินทางใกล้พื้นผิวของตัวนำ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าผลกระทบที่ผิวหนัง ดังนั้นคุณภาพพื้นผิวและค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำจึงส่งผลโดยตรงต่อตัวเลขการสูญเสีย การชุบเงินจะเพิ่มการนำไฟฟ้าของพื้นผิว ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสายเคเบิลเกรดไมโครเวฟจึงมักใช้

ฉนวนไฟฟ้า

คั่นระหว่างตัวนำด้านในและด้านนอก อิเล็กทริกจะควบคุมพารามิเตอร์ที่สำคัญสองตัว: อิมพีแดนซ์และความเร็วของการแพร่กระจาย (VoP) วัสดุอิเล็กทริกทั่วไป ได้แก่ โพลีเอทิลีนชนิดแข็ง (PE), โพลีเอทิลีนโฟม, โพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน (ไฟเบอร์) และการออกแบบที่มีระยะห่างระหว่างอากาศ โฟม PE ลดค่าคงที่ไดอิเล็กทริกจากประมาณ 2.25 (PE แข็ง) เหลือประมาณ 1.4–1.6 ซึ่งเพิ่ม VoP จากประมาณ 66% เป็น 78–85% ของความเร็วแสง และลดการสูญเสียอิเล็กทริกไปพร้อมๆ กัน ซึ่งเป็นที่ต้องการสำหรับแอปพลิเคชันบรอดแบนด์หรือระยะยาว เลือก PTFE เมื่อความเสถียรของอุณหภูมิมีความสำคัญ โดยมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าตั้งแต่ –65 °C ถึง 200 °C

ความหนาและความสม่ำเสมอของชั้นอิเล็กทริกจะกำหนดความต้านทานเฉพาะของสายเคเบิลโดยตรง แม้แต่ความเยื้องศูนย์กลางเล็กน้อย — การวางตำแหน่งนอกศูนย์กลางของตัวนำภายใน — จะเปลี่ยนอิมพีแดนซ์และสร้างการสะท้อนกลับ นี่คือเหตุผลว่าทำไมความแม่นยำของเครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิลจึงมีความสำคัญอย่างมากในการผลิต: แม่พิมพ์แบบหัวตัดจะต้องวางตัวนำให้อยู่ตรงกลางภายในเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนที่วัดได้ในหน่วยไมโครเมตร

ตัวนำด้านนอก (ชีลด์)

แผงป้องกันทำหน้าที่สองฟังก์ชันพร้อมกัน: เป็นเส้นทางกระแสกลับสำหรับสัญญาณ และเป็นแผงกั้นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ป้องกันเสียงรบกวนจากภายนอกจากการต่อเข้ากับสายเคเบิล โครงสร้างโล่ทั่วไปประกอบด้วย:

• ท่ออลูมิเนียมหรือทองแดงที่เป็นของแข็ง — ใช้ในสายเคเบิล CATV แบบฮาร์ดไลน์ ครอบคลุมเกือบ 100% สูญเสียต่ำมาก เข้มงวด
• โล่ถัก — โดยทั่วไปครอบคลุมแสง 85–98% ยืดหยุ่น ทนทาน ใช้กับรุ่น อาร์จี-58, อาร์จี-6, อาร์จี-11
• การรวมกันถักเปียฟอยล์ — ฟอยล์ให้ความคุ้มครอง 100% ถักเปียเพิ่มความแข็งแรงทางกลและความต่อเนื่องของ DC ทั่วไปในสายดาวเทียมและบรอดแบนด์
• ไตรชิลด์และสี่ชิลด์ — ชั้นฟอยล์และเปียหลายชั้นสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการรบกวนสูง ประสิทธิภาพการป้องกันสามารถเกิน 90 dB

เสื้อตัวนอก

เสื้อแจ็คเก็ตเป็นชั้นป้องกันชั้นนอกสุด โดยทั่วไปทำจากพีวีซี โพลีเอทิลีน LSZH (ฮาโลเจนไม่มีควันต่ำ) หรือฟลูออโรโพลีเมอร์ การเลือกใช้วัสดุแจ็คเก็ตขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมในการติดตั้ง: พีวีซีมีความประหยัดและทนไฟสำหรับใช้ภายในอาคาร PE และ LLDPE มีความทนทานต่อรังสี UV และความชื้นสำหรับการฝังกลางแจ้ง LSZH ได้รับคำสั่งในพื้นที่สาธารณะและโครงสร้างพื้นฐานด้านการคมนาคมขนส่ง เนื่องจากการลดการปล่อยก๊าซพิษจากเพลิงไหม้ แจ็คเก็ตถูกนำไปใช้โดยเครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิลในการอัดรีดแยกต่างหากหลังจากที่ชีลด์เสร็จสมบูรณ์

ลักษณะความต้านทาน: ทำไม 50 โอห์ม และ 75 โอห์ม ครอบงำ

อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะไม่ใช่ความต้านทานกระแสตรง แต่เป็นคุณสมบัติที่ไม่ขึ้นกับความถี่ที่กำหนดโดยรูปทรงของสายเคเบิลและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของฉนวน สูตรคือ:

Z₀ = (138 / √εr) × log₁₀(D/d)

โดยที่ εr คือค่าความอนุญาตสัมพัทธ์ของไดอิเล็กตริก D คือเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของตัวนำด้านนอก และ d คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของตัวนำด้านใน ค่าอิมพีแดนซ์สองค่าครองโลกโคแอกเซียลด้วยเหตุผลทางวิศวกรรมที่เป็นที่ยอมรับ:

ความต้านทานการสูญเสียขั้นต่ำตามทฤษฎีสำหรับโคแอกซ์ที่มีโพลีเอทิลีนไดอิเล็กตริกอยู่ที่ประมาณ 77 Ω ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม 75 Ω จึงกลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมการออกอากาศ ค่า 50 Ω เป็นการประนีประนอมระหว่างการจัดการพลังงานสูงสุด (~ 30 Ω ที่เหมาะสมที่สุด) และการสูญเสียขั้นต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อ RF แบบสองทางมากกว่า อิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันระหว่างแหล่งกำเนิด สายเคเบิล และโหลดทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ คลื่นนิ่ง และการสูญเสียพลังงาน ซึ่งเป็นปัญหาที่วัดปริมาณด้วยอัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดันไฟฟ้า (VSWR)

กลไกการส่งสัญญาณภายในสายเคเบิล

สายโคแอกเซียลไม่ได้ส่งสัญญาณอย่างที่คนส่วนใหญ่จินตนาการ พลังงานไม่ไหลผ่านตัวนำเหมือนกับที่น้ำไหลผ่านท่อ แต่จะแพร่กระจายเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่องว่างระหว่างตัวนำด้านในและด้านนอก - บริเวณอิเล็กทริก ตัวนำทำหน้าที่เป็นเงื่อนไขขอบเขตที่ชี้นำและจำกัดคลื่น โหมดการแพร่กระจายนี้เรียกว่าโหมด TEM (แม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง) ซึ่งทั้งส่วนประกอบของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะเคลื่อนที่ในแนวขวางกับทิศทางการเคลื่อนที่โดยสิ้นเชิง

สนามไฟฟ้าแผ่กระจายออกไปในแนวรัศมีระหว่างตัวนำด้านใน ( ) และตัวนำด้านนอก (–) ในขณะที่สนามแม่เหล็กจะก่อตัวเป็นวงกลมมีศูนย์กลางร่วมกันรอบๆ ตัวนำด้านใน เนื่องจากสนามไฟฟ้าถูกปิดล้อมไว้ภายในชีลด์ทั้งหมด สายเคเบิลจึงแทบไม่มีพลังงานแผ่ออกไปด้านนอกเลย และเกือบจะต้านทานต่อสนามไฟฟ้าภายนอกได้ ตราบใดที่ยังคงความสมบูรณ์ของชีลด์ไว้ การแตกหักของชีลด์ ขั้วต่อที่ไม่ดี หรือสายเคเบิลหักงอจะรบกวนรูปทรงของสนาม และทำให้เกิดสัญญาณรบกวนและการสูญเสีย

ความเร็วของการแพร่กระจายและความยาวไฟฟ้า

สัญญาณเดินทางผ่าน coax ด้วยความเร็วที่เป็นเศษส่วนของความเร็วแสงในสุญญากาศ ซึ่งกำหนดโดยอิเล็กทริก พีอีแข็ง ให้ VoP ประมาณ 66%; โฟม PE เพิ่มขึ้นเป็น 78–85%; การออกแบบระยะห่างอากาศของ PTFE สามารถเข้าถึงได้ถึง 93–98% สำหรับสายเคเบิลยาว 10 เมตรที่มี PE แข็ง การหน่วงเวลาของสัญญาณทางเดียวจะอยู่ที่ประมาณ 50 นาโนวินาที สิ่งนี้สำคัญในการจับเวลาที่แม่นยำ ระบบเรดาร์ และเสาอากาศแบบ Phased Array โดยที่ความยาวสายเคเบิลถูกตัดตามความยาวไฟฟ้าเฉพาะ — เศษส่วนหรือทวีคูณของความยาวคลื่นสัญญาณ — เพื่อให้ได้ความสัมพันธ์ของเฟสที่มีการควบคุม

กลไกการลดทอน

การสูญเสียสัญญาณใน coax มาจากสามแหล่งหลัก:

• การสูญเสียตัวนำ — การให้ความร้อนแบบต้านทานในตัวนำด้านในและแผ่นกำบัง เด่นที่ความถี่ต่ำกว่าและเป็นสัดส่วนกับ √f เนื่องจากผลกระทบของผิวหนัง
• การสูญเสียอิเล็กทริก — พลังงานที่ฉนวนดูดซับในขณะที่สนามไฟฟ้ากระแสสลับเน้นโครงสร้างโมเลกุล เติบโตเป็นเส้นตรงตามความถี่ และเป็นเหตุผลว่าทำไมไดอิเล็กทริกที่สูญเสียต่ำ เช่น PTFE และโฟม PE จึงถูกนำมาใช้ที่ความถี่ไมโครเวฟ
• การสูญเสียรังสี - การรั่วไหลผ่านความไม่สมบูรณ์ของเกราะป้องกัน โดยทั่วไปไม่มีนัยสำคัญในสายเคเบิลที่สร้างขึ้นอย่างดี แต่จะสำคัญหากชีลด์เสียหายหรือหากโหมดการแพร่กระจายลำดับที่สูงกว่าตื่นเต้นเหนือความถี่คัตออฟของสายเคเบิล

การลดทอนระบุเป็น dB ต่อความยาวหน่วยที่ความถี่เฉพาะ สายเคเบิลควอดชีลด์ RG-6 มาตรฐานมีประมาณ 2.0 dB/100 ฟุตที่ 100 MHz และ 6.5 dB/100 ฟุตที่ 900 MHz ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการสูญเสียเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญตามความถี่ สายเคเบิลสูญเสียต่ำระดับไฮเอนด์ เช่น LMR-400 จะตัดการลดทอนความถี่ 900 MHz เหลือประมาณ 2.7 dB/100 ฟุตผ่านตัวนำขนาดใหญ่และไดอิเล็กตริกโฟม

วิธีการผลิตสายโคแอกเชียล: บทบาทของ เครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิล

การผลิตสายโคแอกเชียลเป็นกระบวนการหลายขั้นตอนซึ่งความแม่นยำของขนาดในแต่ละขั้นตอนจะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของสายเคเบิล เครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิลเป็นศูนย์กลางของขั้นตอนที่สำคัญที่สุดสองขั้นตอน: ฉนวนอิเล็กทริกและการใช้แจ็คเก็ตด้านนอก

ตัวนำภายใน Drawing and Stranding

กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการดึงแท่งทองแดงผ่านแม่พิมพ์หลายชุดเพื่อให้ได้เส้นผ่านศูนย์กลางตัวนำเป้าหมาย ความคลาดเคลื่อนมีจำกัด: สำหรับสายเคเบิล 50 Ω ที่มีตัวนำ 0.9 มม. แม้แต่ค่าเบี่ยงเบน ±0.01 มม. ก็เปลี่ยนอิมพีแดนซ์อย่างเห็นได้ชัด ตัวนำตีเกลียวต้องผ่านเครื่องมัดหรือพันเกลียวก่อนถึงเส้นอัดรีด

การอัดขึ้นรูปอิเล็กทริก

นี่คือจุดที่เครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิลทำหน้าที่ที่สำคัญที่สุด ตัวนำจะถูกป้อนผ่านแม่พิมพ์แบบหัวตัด และใช้สารประกอบ PE, โฟม PE หรือ PTFE ที่หลอมละลายรอบๆ ตัวนำภายใต้แรงดันและอุณหภูมิที่ควบคุม ความร่วมศูนย์ของไดอิเล็กทริก - ตัวนำอยู่ตรงกลางภายในฉนวนอย่างแม่นยำเพียงใด - ต้องรักษาให้อยู่ภายใน ± 1–2% ของความหนาของผนังอิเล็กทริกเพื่อรักษาอิมพีแดนซ์ให้อยู่ในข้อกำหนด

สำหรับสายโฟม PE ก๊าซ (โดยทั่วไปคือไนโตรเจน) จะถูกฉีดเข้าไปในกระแสโพลีเมอร์หลอมเหลวเพื่อสร้างโครงสร้างเซลล์ที่มีการควบคุม ความหนาแน่นของโฟมจะกำหนดค่าคงที่ไดอิเล็กทริกโดยตรง ดังนั้นแรงดันแก๊ส อุณหภูมิหลอมเหลว และความเร็วของท่อจะต้องประสานกันอย่างแน่นหนา สายการผลิตเครื่องอัดรีดแบบเคเบิลสมัยใหม่ใช้การวัดความจุแบบเรียลไทม์หลังจากดาย — การวัดความจุต่อความยาวหน่วยช่วยให้ทราบเส้นผ่านศูนย์กลางของฉนวนและค่าคงที่ไดอิเล็กทริกได้ทันที ช่วยให้สามารถป้อนกลับระบบควบคุมของเครื่องอัดรีดได้โดยอัตโนมัติ

หลังจากการอัดขึ้นรูป ตัวนำหุ้มฉนวนจะผ่านรางระบายความร้อนด้วยน้ำเพื่อทำให้ไดอิเล็กทริกแข็งตัวก่อนที่จะถึงชุดดึงตัวหนอนผีเสื้อ ความเร็วของเส้นสำหรับการอัดขึ้นรูปไดอิเล็กตริกโคแอกเชียลเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 100 ถึงมากกว่า 500 เมตรต่อนาที ขึ้นอยู่กับขนาดตัวนำและความหนาของอิเล็กทริก

การป้องกัน

หลังจากที่ไดอิเล็กทริกเย็นลงและสปูลแล้ว สายเคเบิลจะไปยังแนวป้องกัน ฟอยล์ชีลด์ถูกติดโดยการพันเทปลามิเนตอลูมิเนียม-โพลีเอสเตอร์ตามยาวหรือเป็นเกลียวเหนืออิเล็กทริก กระสวยถักถูกนำมาใช้กับเครื่องถักเปียซึ่งมีกระสวยหลายสิบถึงหลายร้อยเส้นที่บรรทุกทองแดงเนื้อดีหรือลวดทองแดงกระป๋อง สำหรับสายเคเบิลที่ต้องการโครงสร้างฟอยล์บวกถักเปีย การดำเนินการทั้งสองอาจรวมกันในการผ่านเครื่องเดียว

การอัดขึ้นรูปแจ็คเก็ต

ขั้นตอนการอัดขึ้นรูปขั้นสุดท้ายจะใช้แจ็คเก็ตด้านนอกโดยใช้เครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิลอื่น โดยทั่วไปจะเป็นเครื่องจักรแบบสกรูเดี่ยวหรือสกรูคู่ ขึ้นอยู่กับสารประกอบ สายหุ้ม PVC โดยทั่วไปทำงานที่ 50–150 ม./นาที; สารประกอบ PE และ LSZH จำเป็นต้องมีโปรไฟล์อุณหภูมิอย่างระมัดระวังตลอดกระบอกอัดรีดเพื่อป้องกันการย่อยสลาย ความสม่ำเสมอของความหนาของผนังแจ็คเก็ตได้รับการตรวจสอบโดยการทดสอบประกายไฟ (การทดสอบความต่อเนื่องของแรงดันไฟฟ้าสูงที่ 2–6 กิโลโวลต์) และเกจเส้นผ่านศูนย์กลางเลเซอร์แบบอินไลน์ สายเคเบิลที่เสร็จแล้วจะถูกพิมพ์พร้อมการกำหนดประเภท อิมพีแดนซ์ พิกัดแรงดันไฟฟ้า และวันที่ผลิตเพื่อระบุฟิลด์

ประเภทสายโคแอกเชียลทั่วไปและข้อมูลจำเพาะ

การกำหนด "RG" (Radio Guide) เดิมเป็นระบบข้อกำหนดเฉพาะของกองทัพสหรัฐฯ แม้ว่าการกำหนด RG จำนวนมากจะถูกแทนที่ด้วยหมายเลขชิ้นส่วนเฉพาะของผู้ผลิตสำหรับสายเคเบิลสมัยใหม่ แต่การกำหนดแบบเดิมยังคงได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม การทำความเข้าใจความแตกต่างจะช่วยในการเลือกสายเคเบิลที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่กำหนด

ตัวเชื่อมต่อและการสิ้นสุด: จุดที่ปัญหาส่วนใหญ่เริ่มต้นขึ้น

ตัวสายเคเบิลเป็นเพียงส่วนหนึ่งของลิงค์โคแอกเซียลเท่านั้น ขั้วต่อจะเปลี่ยนสัญญาณจากสายเคเบิลไปยังอุปกรณ์ และหากผลิตหรือติดตั้งไม่ดี จะกลายเป็นสาเหตุหลักของการสูญเสียสัญญาณ การสะท้อน และความล้มเหลว ขั้วต่อต้องรักษาคุณลักษณะอิมพีแดนซ์ไว้เช่นเดียวกับสายเคเบิลที่พาดผ่านรูปทรงภายใน — หากความไม่ต่อเนื่องใดๆ จะทำให้เกิดการสะท้อน

ประเภทตัวเชื่อมต่อ Coax ทั่วไป

• บีเอ็นซี (บาโยเนต นีลล์–คอนเซลแมน) — 50 Ω, พิกัด ~4 GHz, ระบบล็อคแบบดาบปลายปืนแบบสี่เลี้ยว มาตรฐานด้านอุปกรณ์ทดสอบ วีดีโอ และเครื่องมือวัด
• SMA (SubMiniature เวอร์ชัน A) — 50 Ω, พิกัด 18 GHz, แบบเกลียว; ใช้กันอย่างแพร่หลายในโมดูล RF เสาอากาศ และชุดประกอบไมโครเวฟ
• ชนิด N — 50 Ω หรือ 75 Ω, อัตรา 11–18 GHz, ทนฝนและแดด; ใช้ในเสาอากาศกลางแจ้งและอุปกรณ์สถานีฐาน
• ประเภท F — 75 Ω, สูงถึง ~3 GHz; แพร่หลายในการติดตั้ง CATV และดาวเทียมในที่พักอาศัย ตัวนำกลางของสายเคเบิลทำหน้าที่เป็นหมุดเชื่อมต่อ
• PL-259 (ยูเอชเอฟ) — ในนาม 50 Ω แต่ไม่ใช่อิมพีแดนซ์คงที่อย่างแท้จริง ในทางปฏิบัติมีพิกัดอยู่ที่ ~300 MHz; ทั่วไปในวิทยุสมัครเล่น

การสิ้นสุดที่เหมาะสมต้องปอกสายเคเบิลให้ได้ขนาดที่แน่นอน ไม่ทำให้เกลียวแตก ต้องรักษาความเข้มข้นของไดอิเล็กทริกที่ส่วนต่อประสานของตัวเชื่อมต่อ และใช้แรงบิดที่ถูกต้องเมื่อผสมพันธุ์ ขั้วต่อ F ที่ติดตั้งไม่ถูกต้องเพียงตัวเดียวในระบบจำหน่ายเคเบิลทีวีอาจทำให้สัญญาณเข้า (สัญญาณภายนอกรั่วเข้า) และสัญญาณออก (สัญญาณเคเบิลรั่วออก) ทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของโหนดทั้งหมดลดลง

Coax กับสื่อส่งสัญญาณอื่น: เมื่อใดจึงควรเลือก

สายโคแอกเซียลไม่ใช่ตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับทุกการใช้งาน แต่ยังคงรักษาข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในสถานการณ์เฉพาะ การเปรียบเทียบกับทางเลือกทั่วไปจะทำให้ชัดเจนว่าจุดใดเหมาะสมที่สุด

Coax กับ Twisted คู่ (Cat5e / Cat6 / Cat8)

คู่บิดอาศัยการส่งสัญญาณที่แตกต่างกันและอัตราการบิดที่แน่นเพื่อยกเลิก EMI ซึ่งเป็นแนวทางที่แตกต่างโดยพื้นฐานจากโหมด TEM ที่มีฉนวนหุ้มของ coax สายคู่ทวิสต์มีบทบาทสำคัญในสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตที่มีโครงสร้างเนื่องจากมีราคาถูกกว่า เบากว่า และต่อสายได้ง่ายกว่า อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถจับคู่ coax ที่ความถี่ RF ที่สูงกว่าสองสามร้อย MHz หรือในสภาพแวดล้อมที่มีการรบกวนสูง Cat8 รองรับ 40 Gbps แต่วิ่งได้ไกลกว่า 30 เมตรที่ 2 GHz ; coax RG-6 ที่ติดตั้งอย่างเหมาะสมจะจัดการสัญญาณบรอดแบนด์ที่ 3 GHz ในระยะทางที่ไกลกว่ามากพร้อมการขยายที่ง่ายกว่ามาก

Coax กับไฟเบอร์ออปติก

ไฟเบอร์มีความไวต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นศูนย์ โดยพื้นฐานแล้วจะลดทอนลงมากในระยะทางไกล (~0.2 dB/km สำหรับโหมดเดี่ยว เทียบกับ 40–100 dB/km สำหรับ coax ที่ความถี่ไมโครเวฟ) และความจุแบนด์วิธที่เล็กกว่าทองแดง ข้อเสียคือต้นทุนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของตัวรับส่งสัญญาณ ความเปราะบาง และการไม่สามารถส่งพลังงาน DC ควบคู่ไปกับสัญญาณได้ Coax ยังคงเป็นที่ต้องการสำหรับการเชื่อมต่อ RF แบบสั้น สายป้อนเสาอากาศ และการใช้งานที่ต้องการสัญญาณไฟบนสายเคเบิลเส้นเดียว (เช่น ไมโครโฟนที่ขับเคลื่อนด้วย Phantom, LNB ดาวเทียมแบบแอคทีฟที่ป้อนผ่าน Coax)

Coax กับท่อนำคลื่น

ที่ความถี่สูงกว่าประมาณ 18 GHz การสูญเสียโคแอกเชียลกลายเป็นสิ่งต้องห้าม และท่อนำคลื่นซึ่งเป็นท่อโลหะกลวงที่มีคลื่น EM ให้การลดทอนที่ต่ำกว่ามาก ท่อนำคลื่นไม่มีตัวนำภายใน ดังนั้นจึงไม่มีการสูญเสียตัวนำที่ศูนย์กลาง โครงสร้างที่เข้มงวดและลักษณะการเลือกความถี่ (ท่อนำคลื่นจะส่งสัญญาณที่สูงกว่าความถี่คัตออฟเท่านั้น) ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการติดตั้งบรอดแบนด์หรือแบบยืดหยุ่น Coax ครองความถี่ต่ำกว่า 18 GHz ในทุกที่ที่ต้องการความยืดหยุ่นและการเชื่อมต่อ

การควบคุมคุณภาพในการผลิตสายโคแอกเซียล

ความต้องการที่แม่นยำของการผลิตสายโคแอกเซียลทำให้การควบคุมคุณภาพเป็นกระบวนการต่อเนื่องแบบอินไลน์ แทนที่จะตรวจสอบเป็นชุดในตอนท้าย สายการผลิตเครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิลสำหรับการผลิตโคแอกเชียลมักจะรวมระบบการตรวจวัดหลายระบบพร้อมกัน:

• เกจวัดเส้นผ่านศูนย์กลางเลเซอร์ — การวัดไดอิเล็กทริก OD แบบไม่สัมผัส โดยทั่วไปมีความแม่นยำถึง ±0.001 มม. วางไว้หลังรางทำความเย็นทันที
• จอภาพความจุ — วัดความจุไฟฟ้าต่อความยาวหน่วยซึ่งมีความสัมพันธ์กับความหนาของผนังไดอิเล็กทริกและค่าคงที่ไดอิเล็กทริก การเบี่ยงเบนทำให้เกิดความเร็วของสายอัตโนมัติหรือการแก้ไข RPM ของเครื่องอัดรีด
• เครื่องสแกนความเยื้องศูนย์ — เครื่องสแกนเอ็กซ์เรย์หรืออัลตราโซนิกตรวจสอบความเข้มข้นของตัวนำภายในภายในไดอิเล็กทริกแบบเรียลไทม์
• ผู้ทดสอบประกายไฟ — ใช้ไฟ 2–10 kV DC หรือ AC ทั่วอิเล็กทริกเพื่อตรวจจับรูเข็มหรือจุดบางๆ ที่อาจเป็นสาเหตุให้ฉนวนเสียหายในการให้บริการ
• การทดสอบ TDR ของสายเคเบิลเสร็จสิ้นแล้ว — การวัดการสะท้อนกลับของโดเมนเวลาจะระบุความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ตามสายเคเบิลที่ทำเสร็จแล้วโดยส่งพัลส์ไปตามเส้นและวิเคราะห์การสะท้อนกลับ

ข้อกำหนดด้านความสม่ำเสมอของอิมพีแดนซ์สำหรับสายเคเบิล CATV เกรดการออกอากาศโดยทั่วไปจะอยู่ที่ ±2 Ω ของความยาวสายเคเบิลทั้งหมด โดยมีข้อกำหนดการสูญเสียผลตอบแทนทางโครงสร้าง (SRL) ที่ 23–30 dB ในย่านความถี่ 5–1000 MHz การบรรลุตัวเลขเหล่านี้อย่างสม่ำเสมอที่ความเร็วในการผลิตสูงกว่า 200 ม./นาที จำเป็นต้องมีการออกแบบแม่พิมพ์ ความสม่ำเสมอของวัสดุ และการควบคุมกระบวนการแบบวงปิดที่แม่นยำอย่างยิ่ง ซึ่งทั้งหมดนี้มุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพของเครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิล และระบบการตรวจวัดที่เกี่ยวข้อง

แอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริงที่แสดงให้เห็นว่า Coax ทำงานอย่างไรในทางปฏิบัติ

จำหน่ายเคเบิลทีวี (CATV)

CATV head-end จะรับสัญญาณและกระจายสัญญาณผ่านเครือข่ายไฮบริดไฟเบอร์โคแอกเซียล (HFC) ไฟเบอร์นำสัญญาณจากเฮดเอนด์ไปยังโหนดใกล้เคียง RG-11 หรือสายโคแอกเชียลแบบฮาร์ดไลน์จะส่งสัญญาณจากโหนดไปยังก๊อก (โดยทั่วไปภายในระยะ 500 เมตร) RG-6 หยดเชื่อมต่อจากก๊อกน้ำไปยังบ้านแต่ละหลัง แต่ละเซ็กเมนต์ใช้แอมพลิฟายเออร์เพื่อเอาชนะการลดทอนสายเคเบิล โดยเว้นระยะห่างตามการสูญเสียของสายเคเบิลที่ความถี่พาหะสูงสุด — โดยทั่วไปคือ 1 GHz หรือสูงกว่าในระบบ DOCSIS 3.1

สถานีฐานเซลลูล่าร์

สายป้อนระหว่างชุดวิทยุ BTS และเสาอากาศที่ด้านบนของทาวเวอร์จะเป็นสายโคแอกเชียลเกือบทุกครั้ง ไม่ว่าจะเป็นสายโคแอกเชียลลูกฟูกแบบยืดหยุ่นหรือสายแข็งแบบแข็ง LMR-400 ระยะ 30 เมตรที่ความเร็ว 900 MHz สูญเสียประมาณ 0.8 dB; ที่ 2.1 GHz (3G UMTS) การวิ่งเดียวกันจะสูญเสียประมาณ 1.3 dB การสูญเสียอุปกรณ์ป้อนทุก dB จะช่วยลดกำลังการแผ่รังสีที่มีประสิทธิผลโดยตรง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการติดตั้งหัววิทยุระยะไกล (RRH) ซึ่งติดตั้งยูนิตวิทยุที่ด้านบนของทาวเวอร์ ซึ่งเชื่อมต่อกับยูนิตเบสแบนด์ด้วยไฟเบอร์ จึงมีความโดดเด่น: พวกมันกำจัดการสูญเสียของตัวป้อนโดยสิ้นเชิง

เครื่องมือวัดทางการแพทย์และอุตสาหกรรม

ทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์ ห่วงโซ่สัญญาณ MRI และเกจวัดระดับเรดาร์อุตสาหกรรม ล้วนอาศัยการเชื่อมต่อโคแอกเซียลด้วยเหตุผลเดียวกับระบบออกอากาศ นั่นคือ การป้องกันความสมบูรณ์และอิมพีแดนซ์ที่ควบคุม ในอัลตราซาวนด์ coax จะส่งสัญญาณพัลส์ช่วง MHz เข้าและออกจากทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริกโดยมีการบิดเบือนน้อยที่สุด วัสดุไดอิเล็กทริกและตัวนำจะต้องเข้ากันได้ทางชีวภาพในบางกรณี และสายเคเบิลต้องผ่านรอบการฆ่าเชื้อ ซึ่งเป็นข้อกำหนดที่ผลักดันการออกแบบไปสู่ไดอิเล็กทริกฟลูออโรโพลีเมอร์ชนิดพิเศษที่ผลิตบนสายการผลิตเครื่องอัดรีดลวดและสายเคเบิลโดยเฉพาะ

เครื่องรับ GPS และดาวเทียม

GPS ทำงานที่ 1575.42 MHz (L1) และ 1227.60 MHz (L2) การทำงานโคแอกเชียลจากเสาอากาศ GPS แบบแอคทีฟไปยังเครื่องรับจะป้อนทั้งสัญญาณ RF และไฟ DC สำหรับ LNA ในตัวของเสาอากาศผ่านสายเคเบิลเส้นเดียวกัน การสูญเสียสายเคเบิลจะทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนลดลงโดยตรง RG-6 ระยะ 10 เมตรที่ความเร็ว 1.5 GHz ทำให้เกิดการสูญเสียประมาณ 1.0 dB — จัดการได้; การวิ่งระยะทาง 50 เมตรจะใช้ความดังเกือบ 5 เดซิเบล ซึ่งโดยทั่วไปจะเกิน LNA ที่ได้รับของเสาอากาศแอคทีฟมาตรฐาน และต้องใช้เครื่องขยายสัญญาณแบบอินไลน์

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับวิธีการทำงานของ Coax

เหตุใดสายโคแอกเซียลจึงมีการปฏิเสธ EMI ที่ดีเช่นนี้

เนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีสัญญาณถูกปิดล้อมไว้ระหว่างตัวนำด้านในและด้านนอกทั้งหมด สนามภายนอกไม่สามารถเจาะทะลุกำบังต่อเนื่องได้ เพราะพวกมันกระตุ้นกระแสบนพื้นผิวด้านนอกของกำบัง แต่กระแสเหล่านั้นไม่ส่งผลกระทบต่อสนามภายใน สิ่งที่ตรงกันข้ามก็เกิดขึ้นเช่นกัน: สนามสัญญาณภายในของสายเคเบิลไม่แผ่ออกไปด้านนอก ป้องกันการรบกวนกับระบบอื่น ๆ "สมมาตรโคแอกเซียล" นี้เป็นเหตุผลพื้นฐานที่โคแอกเซียลมีประสิทธิภาพเหนือกว่าสายเปิดหรือคู่บิดในสภาพแวดล้อม RF

จะเกิดอะไรขึ้นหากคุณใช้สายอิมพีแดนซ์ผิด?

การใช้สายเคเบิล 75 Ω ในระบบ 50 Ω ทำให้เกิดอิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกัน กำลังของสัญญาณบางส่วนจะสะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิดทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนแปลง ทั้งที่อินพุตและเอาต์พุต คลื่นสะท้อนและคลื่นตกกระทบรวมกันเพื่อสร้างคลื่นนิ่งบนสายเคเบิล ซึ่งหมายความว่าแอมพลิจูดของสัญญาณจะแตกต่างกันไปตามความยาวของสายเคเบิล แทนที่จะเป็นค่าคงที่ VSWR ที่ 1.5:1 (ค่าที่ไม่ตรงกันเล็กน้อยจากจุดเชื่อมต่อ 50/75 Ω) แสดงถึงกำลังสะท้อนประมาณ 4% ในเครื่องส่งสัญญาณ RF กำลังสูง พลังงานสะท้อนที่มากเกินไปอาจทำให้แอมพลิฟายเออร์ในขั้นตอนสุดท้ายเสียหายได้ ในการวัดที่แม่นยำ จะทำให้เกิดข้อผิดพลาดในสัญญาณที่วัดได้

คุณสามารถจ่ายไฟและส่งสัญญาณผ่าน coax พร้อมกันได้หรือไม่?

ใช่. สิ่งนี้เรียกว่า Power over Coax (PoC) หรือในบริบทของดาวเทียม คือการจ่ายไฟ LNB แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (โดยทั่วไปคือ 13 V หรือ 18 V สำหรับ LNB ดาวเทียม แตกต่างกันไปสำหรับ CCTV) จะถูกวางทับบนตัวนำด้านในควบคู่ไปกับสัญญาณ RF Bias tee ซึ่งเป็นเครือข่ายตัวเหนี่ยวนำ-ตัวเก็บประจุแบบธรรมดา แยกเส้นทาง DC และ RF ที่ปลายแต่ละด้าน ช่วยให้อุปกรณ์แยกหรือฉีด DC โดยไม่ส่งผลกระทบต่อสัญญาณ RF พิกัดกระแสไฟถูกจำกัดโดยขนาดตัวนำและพิกัดหน้าสัมผัสขั้วต่อ โดยทั่วไปคือไม่กี่ร้อยมิลลิแอมแปร์สำหรับโคแอกเชียลมาตรฐาน

อะไรเป็นตัวจำกัดความถี่สูงสุดที่สายโคแอกเชียลสามารถรองรับได้

ปัจจัยสองประการที่กำหนดขีดจำกัดความถี่บน ประการแรก การลดทอนจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ ส่งผลให้สายเคเบิลใช้งานไม่ได้ในที่สุด ประการที่สองและเป็นพื้นฐานมากขึ้น เมื่อความยาวคลื่นของสัญญาณเทียบได้กับขนาดตามขวางของสายเคเบิล โหมดการแพร่กระจายที่มีลำดับสูงกว่า (โหมด TE และ TM) ก็สามารถตื่นเต้นได้นอกเหนือจากโหมด TEM โหมดเหล่านี้เดินทางด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดการบิดเบือนของสัญญาณและการรั่วไหลของรังสี ความถี่คัตออฟสำหรับโหมดลำดับสูงกว่าโหมดแรกมีค่าโดยประมาณ f_c = 7.52 / (D ง) GHz (ขนาดเป็นซม.) มาตรฐาน RG-58 ตัดประมาณ 11 GHz; สายเคเบิลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าเช่น UT-047 สามารถส่งผ่าน 65 GHz ได้

การดัดงอส่งผลต่อประสิทธิภาพของสายโคแอกเชียลอย่างไร?

การดัดสายโคแอกเชียลให้ต่ำกว่ารัศมีการโค้งงอขั้นต่ำจะบิดเบือนอิเล็กทริก เลื่อนตัวนำด้านในออกจากศูนย์กลาง และสามารถเปลี่ยนรูปตัวนำด้านนอกอย่างถาวร ซึ่งทั้งหมดนี้เปลี่ยนอิมพีแดนซ์เฉพาะที่และเพิ่มการสะท้อนของสัญญาณ ผู้ผลิตระบุรัศมีการโค้งงอขั้นต่ำโดยทั่วไปจะเท่ากับ 10–20 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสายเคเบิลสำหรับการติดตั้งแบบตายตัว และ 6–10 เท่าสำหรับการใช้งานแบบงอซ้ำๆ ข้องอที่คมชัดสร้างความเสียหายอย่างถาวร ในการใช้งานความถี่สูงที่สูงกว่า 10 GHz แม้แต่การโค้งงอเล็กน้อยในสายเคเบิลกึ่งแข็งก็ต้องคำนึงถึงประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของชุดประกอบด้วย