Koaksiaalikaapeli


Koaksiaalikaapelia käytetään siirtolinjana, jossa sitä pitkin siirretään suuritaajuista sähkömagneettista signaalia. Yleisimmin koaksiaalikaapelia käytetään sovelluksissa, joissa siirrettävän signaalin taajuus on yleensä 0Hz:tä noin 10GHz:n. Toki koaksiaalikaapelilla pystytään siirtämään korkeampitaajuista signaalia kuin 10GHz:a, mutta tällöin häviöt johtimessa kasvavat melko suuriksi, koska kaapelin vaimennus kasvaa nopeasti taajuuden kasvaessa.[1] [2]

Käyttö

Koaksiaalikaapeli11.jpg
Yleisin sovellus, jossa moni on koaksiaalikaapeliin törmännyt on television antennikaapeli. Siinä antennin vastaanottama radiosignaali siirretään koaksiaalikaapelia pitkin televisioon. Koaksiaalikaapeli on myös yksi vanhimmista lähiverkoissa käytetyistä tiedonsiirtolinjoista, mutta nykyään sen käyttö lähiverkoissa on vähentynyt lähes olemattomiin sen suuren haavoittuvuuden takia verkkoa kohti. Syyt miksi se pitkään sinnitteli vahvana vaihtoehtona lähiverkon siirtolinjana on sen halpa hinta, helppo käyttöisyys, joustavuus, sekä keveys. [3]

Kuva 1. Antennikaapeli

Rakenne


Koaksiaalikaapeli koostuu pääasiassa neljästä eri osasta. Ulommaisena kaapelissa on muovinen suojakuori, joka suojaa kaapelia ulkoisilta rasituksilta. Muovisen ulkokuoren alla on yleensä kuparista, kuparin ja toisen matallin sekoituksesta tai päälystetyistä kupari langoista punottu sukka, joka toimii kaapelin toisena johtimena. Tämän alla on eriste kerros, jonka sisällä kulkee kaapelin toinen johdin, ns keskijohdin. Tämä keskijohdin on yleensä myös kuparista valmistettu. Ulkojohtimen ja eristekerroksen välissä on jossain kaapeleisa laitettu vielä folio kerros estämään ulkopuolisten häiriöiden summautumista siirrettävään signaaliin. Ulkojohtimen ja keskijohtimen välissä oleva eristekerros on tärkein osa koaksiaalikaapelia, sillä sen ominaiksuuksista riippuu hyvin pitkälti kaapelin laatu.[4]


Koaksiaalikaapeli.jpg
Kuva 2. Koaksiaalikaapelin rakenne
Koaksiaalikaapeli22.jpg
Kuva 3. Purettu koaksiaalikaapeli

Toiminta ja ominaisuudet

Koaksiaalikaapelissa sähkömagneettinen säteily kuljetetaan juuri edellä esitetyn keskijohtimen ja kuparisukan välissä. Tämä antaa melko hyvän suojan ulkopuolisia häiriöitä vastaan pitäen signaalin hyvin sisällään, jolloin myös kaapelin ominaisuudet pysyvät melko stabiileina. Silti koaksiaalikaapelikaan ei ole täysin ideaalinen johdin, vaan aina signaalista pääsee säteilemään pieniä määriä energiaa ulkomaailmaan. Tätä säteilyä voidaan tietysti estää paksummalla ulkojohtimella (kuparisukalla) ja mahdollisella folio kerroksella, mutta se ei kuitenkaan aina vähennä signaalin vaimentumista.[5]

Koaksiaalikaapelin ominaisuuksia luonnehditaan pääasiassa sen impedanssin ja kaapelin häviöiden avulla. On syytä muistaa, että kaapelin pituudella ei ole minkäänlaista tekemistä sen impedanssiin. Sen sijaan johtimen impedanssiin vaikuttavia tekijöitä ovat keskijohtimen ja ulkojohtimen välinen etäisyys, sekä johtimien välillä oleva eristemateriaali. Johtimen impedanssi voidaan laskea alla esitetyllä kaavalla:kaava.jpg
Yllä olevassa kaavassa ε0= tyhjiön permittiivisyysvakio, εr= eristeen suhteellinen permittiivisyysvakio, µ0= tyhjiön permeabiliteettivakio, µr= eristeen permeabiliteettivakio, d= sisäjohtimen ulkomitta, D= ulkojohtimen sisäläpimitta.[6]

Toinen koaksiaalikaapelin ominaisuuksia kuvaava tekijä on sen vaimennus, joka ilmoitetaan desibeleinä 100 metriä kohden. Se kertoo kuinka paljon signaali vaimenee eri taajuuksilla kulkiessaan kaapelin läpi. Siihen vaikuttavia päätekijöitä ovat sisäjohtimen halkaisija, ulkojohtimen rakenne sekä eristeen rakenne. Sisä johtimella on se vaikutus vaimenemiseen, että mitä ohuempi sisäjohdin on, niin sitä suurempi on kaapelin vaimennus. Ulkojohtimen rakenteella tarkoitetaan tässä yhteydessä sen kykyä eristää signaali ulkoisilta häiriöiltä. Suojausta voidaan käytännössä parantaa kahdella tavalla: ulkojohtimen punouksen paksuudella ja tiheydellä, sekä mahdollisella suoja folio kerroksella. Eristeellä on vielä sen materiaalin lisäksi toinenkin vaikutus johtimen vaimennukseen, eli sen paksuus määrää myös osaltaan vaimennuksen suuruutta. Mitä paksumpi eristekerros on, niin sitä suurempi on kaapelin vaimennus. [7]

Koaksiaalikaapelin valinta


Kun lähdetään valitsemaan koaksiaalikaapelia omaan käyttösovellukseen, niin tällöin on otettava huomioon edellä esitetyt kaapelin ominaisuudet. Varsinkin väärin valittu kaapelin impedanssi voi tuottaa suuria ongelmia, kuten lisääntyviä signaalihäviöitä ja signaalin heijastumista, joka sotkee lähetetyn signaalin aaltomuodon tai aiheuttaa siihen kaikua riippuen kaapelin pituudesta ja signaalin nopeudesta. Kaapelin impedanssi on tällöin otettava huomioon niin, että sen sisäänmenossa ja ulostulossa olisi sen impedanssin suuruinen päätevastus. Käytännössä tämä toteutetaan yleensä siten, että syöttävän laitteen ulostuloimpedanssi suunitellaan kaapelin impedanssin suuruiseksi ja kaapelin ulostuloon kytkettävän laitteen sisäänmenoon laitetaan kaapelin impedanssia vastaava päätevastus. Kun impedanssit on suuniteltu ja valittu oikein, niin tämän jälkeen voidaan lopuksi valita kaapeli, jossa on tämä ominaisimpedanssi sekä sovellukseen sopiva vaimennus. Lyhyitä koaksiaalikaapelieita, kuten antennikaapeleita (antennilta televisiolle) käytettäessä johtimen vaimennuksella ei juurikaan ole merkitystä, vaan kaapeli voidaan valita pelkän impedanssin perusteella.[8]

Yleisimmät kaupalliset koaksiaalikaapelit ovat impedanssiltaan joko 50 ohmia tai 75 ohmia, mutta toki muunkin suuruisia on saatavilla. Ne vain eivät ole niin yleisessä käytössä. 50 ohmin koaksiaalikaapelia käytetän pääasiassa radiotekniikassa ja tietokone sovelluksissa. Sen sijaan 75 ohmin kaapelia käytetään yleisimmin videokaapeleissa, digiaudiossa ja teletekniikassa. Jos koaksiaalikaapelilta haluaa maksimaalisen tehonsiirron, niin tällöin paras impedanssi on noin 30-44 ohmia. Sen sijaan kun halutaan mahdollisimman pienihäviöinen kaapeli, niin optimaaliseksi impedanssiksi on määritelty noin 77 ohmia. Suurilla impedansseilla, kuten 93 ohmia saavutetaan se hyöty, että tällöin johtimen kapasitanssi metriä kohden on mahdollisimman pieni. 93 ohmin koaksiaalikaapeli alkaa olemaan impedanssiltaan jo melko suuri ja siksi sitä suurempi impedanssisempia kaapeleita on vaikeata löytää. Koaksiaalikaapeleita on mahdollista rakentaa impedanssiltaan juuri halutun kokoiseksi, mutta se ei ole kovin kannattavaa. Tämä johtuu siitä, että tietyt johdin impedanssit kuten 50 ja 75 ohmia ovat standartoituneet ajan saatossa ja sen vuoksi niitä on helppo saada ja ne ovat johtalaisen halpoja. Näin ollen on käytännössä turha yrittää saada marginaalista hyötyä siitä, että kaapeli olisi impedanssiltaan vain muutaman ohmin pienempi tai suurempi, varsinkin kun se tulisi maksamaan enemmän.[9] [10]

Alla olevaan taulukkoon 1 on koottuerilaisten koaksiaalikaapeleiden ominaisuuksia.
Kaapeli/ominaisuus
RG-6
RG-59 B/U
RG-11
RG-11 A/U
RG-12 A/U
RG-58 C/U
RG-213U
RG-62 A/U
Impedanssi [Ω]
75
75
75
75
75
50
50
93
Sisäjohdin
Kupari
Teräspäällysteinen kupari
Kupari
Tinattu kupari
Tinattu kupari
Tinattu kupari
Kupari
Teräspäällysteinen kupari
Eristeen materiaali
Polyeteeni vaahto
Polyeteeni
Polyeteeni vaahto
Polyeteeni
Polyeteeni
Polyeteeni
Polyeteeni
Polyeteeni (puoli kiinteä)
Eristeen halkaisija [mm]
4,6
3,7
7,24
7,25
9,25
2,95
7,25
3,7
Ulkojohdin
Alumiini polyesteri teippi ja tina kupari punos
Kupari punos
Alumiini polyesteri teippi ja tina kupari punos
Kupari punos
Kupari punos
Tinattu kupari punos
Kupari punos
Kupari punos
Suojaus
Folio 100% Punos 61%
Punos 95%
Folio 100% punos 61%
Punos 95%
Punos 95%
Punos 95%
Punos 97%
Punos 95%
Ulkokuori
PVC
PVC
PVC
PVC
PVC
PVC
PVC
PVC
Ulkohalkaisija [mm]
6,90
6,15
10,30
10,30
14,10
4,95
10,30
6,15
Kapasitanssi/ jalka
18,6 pF
20,5 pF
16,9 pF
20,6 pF
20,6 pF
28,3 pF
30,8 pF
13,5 pF
Taulukko 1. Erilaisten koaksiaalikaapeleiden ominaisuuksia[11]

Lähteet


  1. ^ http://www.oamk.fi/~timohei/TL522Z/tiltharj/koksi.htm, viitattu 1.2.2010
  2. ^ http://tarkastaja.com/~oh6ai/Antenni1.PDF, viitattu 4.2.2010
  3. ^ http://www.ratol.fi/opensource/lahiverkot/fin/kaapelointi/koaksiaali.htm, viitattu 4.2.2010
  4. ^ http://www.elektroskandia.fi/Tiedostot/Esitteet/Tiedostot/Tele/DKT%20Finland%20Oy%20Koaksiaalikaapelit%20esite%200509.pdf, viitattu 1.2.2010
  5. ^ http://www.epanorama.net/documents/wiring/coaxcable.html, viitattu 27.1.2010
  6. ^ http://wiki.ham.fi/Koaksiaali, viitattu 3.2.2010
  7. ^ http://www.elektroskandia.fi/Tiedostot/Esitteet/Tiedostot/Tele/DKT%20Finland%20Oy%20Koaksiaalikaapelit%20esite%200509.pdf, viitattu 3.2.2010
  8. ^ http://www.epanorama.net/faq/sfnet.harrastus.elektroniikka/kaapelointi.html, viitattu 4.2.2010
  9. ^ http://www.elektroskandia.fi/Tiedostot/Esitteet/Tiedostot/Tele/DKT%20Finland%20Oy%20Koaksiaalikaapelit%20esite%200509.pdf, viitattu 3.2.2010
  10. ^ http://www.epanorama.net/documents/wiring/coaxcable.html, viitattu 4.2.2010
  11. ^ http://www.epanorama.net/documents/wiring/coaxcable.html, viitattu 4.2.2010