Πώς να μειώσετε την απώλεια σήματος με καλώδια coaxial;

Τι προκαλεί την απώλεια σήματος στα καλώδια coaxial;

Απώλειες λόγω διηλεκτρικού και αγωγού: Διασπορά ενέργειας στον πυρήνα και το μονωτικό του καλωδίου

Όταν τα σήματα διαδίδονται μέσω κοαξικών καλωδίων, αρχίζουν να χάνουν ένταση λόγω βασικών μηχανισμών απώλειας ενέργειας. Ο κύριος αγωγός εντός του καλωδίου χάνει πράγματι μέρος της ισχύος καθώς τα ηλεκτρόνια συγκρούονται μεταξύ τους στη μεταλλική δομή. Αυτό επιδεινώνεται σε υψηλότερες συχνότητες, όπου η πλειονότητα του ρεύματος διαρρέει μόνο στο εξωτερικό τμήμα του αγωγού, όχι σε όλο το πάχος του. Ταυτόχρονα, το πλαστικό μονωτικό υλικό μεταξύ των αγωγών διαδραματίζει επίσης ρόλο: απορροφά ένα μέρος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που διέρχονται από αυτό και τα μετατρέπει σε θερμότητα, αντί να τα αφήνει να φτάσουν στον προορισμό τους. Αυτά τα δύο προβλήματα συνδυασμένα προκαλούν συνήθως περίπου τα τρία τέταρτα της συνολικής ασθένειας του σήματος σε συνηθισμένες εγκαταστάσεις καλωδίων. Γι’ αυτόν τον λόγο, μακρές διαδρομές κοαξικού καλωδίου μπορούν κάποιες φορές να οδηγήσουν σε ασθενέστερη λήψη ή σε συνδέσεις χαμηλότερης ποιότητας.

Εξασθένηση εξαρτώμενη από τη συχνότητα: Γιατί οι υψηλότερες RF συχνότητες αυξάνουν τις απώλειες στα κοαξικά καλώδια

Το ποσό της απώλειας σήματος αυξάνεται σημαντικά καθώς οι συχνότητες αυξάνονται, λόγω της συμπεριφοράς των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Όταν εξετάζουμε συχνότητες πάνω από 100 MHz, κάθε διπλασιασμός της συχνότητας οδηγεί σε περίπου 30% αύξηση της απώλειας σήματος μέσω καλωδίων RG-6. Αυτό συμβαίνει κυρίως επειδή τα ηλεκτρόνια τείνουν να κινούνται πιο κοντά στην επιφάνεια (φαινόμενο «δέρματος») και το μονωτικό υλικό αντιδρά ισχυρότερα στα μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά πεδία. Για παράδειγμα, ένα τυπικό καλώδιο RG-6 μήκους 100 ποδιών χάνει περίπου 6,5 dB ισχύος σήματος στα 1 GHz, ενώ στα 50 MHz η απώλεια είναι μόλις περίπου 1,2 dB. Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις διαφορές, η επιλογή του κατάλληλου καλωδίου γίνεται ιδιαίτερα σημαντική κατά την εγκατάσταση σύγχρονων υψηλής ταχύτητας δικτύων, όπως οι εγκαταστάσεις 5G ή οι υπηρεσίες διαδικτύου DOCSIS 3.1, όπου ακόμη και μικρές απώλειες μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την απόδοση.

Αντιστοίχιση εμπέδησης και ανακλάσεις: Πώς ο λόγος ορθών κυμάτων (VSWR) υπονομεύει την ακεραιότητα του σήματος στα κοαξικά καλώδια

Η αντιστοίχιση μεταξύ της αντίστασης του συναξονικού καλωδίου (συνήθως περίπου 50 Ω ή 75 Ω) και της αντίστασης των συσκευών που είναι συνδεδεμένες στα δύο άκρα του οδηγεί σε εκείνες τις ενοχλητικές ανακλάσεις σήματος που όλοι απεχθανόμαστε. Τι συμβαίνει στη συνέχεια; Αυτά τα ανακλώμενα σήματα παρεμβαίνουν στο κύριο σήμα που διέρχεται, δημιουργώντας τα λεγόμενα στάσιμα κύματα, τα οποία οι μηχανικοί μετρούν χρησιμοποιώντας τον λόγο τάσης στάσιμου κύματος (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR). Όταν αυτός ο λόγος υπερβεί την τιμή περίπου 1,5 προς 1, τα πράγματα αρχίζουν να εξελίσσονται αρκετά γρήγορα προς το χειρότερο. Η ποιότητα του σήματος μειώνεται κατά περίπου 3 dB, ενώ οι συσκευές μπορεί να μη λειτουργούν σωστά από καιρό σε καιρό. Γιατί συμβαίνει αυτό; Υπάρχουν διάφοροι συνήθεις «ύποπτοι»: συνδέσμους που δεν έχουν συμπιεστεί σωστά κατά την εγκατάσταση, συνδέσεις που έχουν αρχίσει να σκουριάζουν ή να διαβρώνονται με τον καιρό και καλώδια που έχουν λυγιστεί υπερβολικά σε κάποιο σημείο της διαδρομής τους. Το χειρότερο; Αυτές οι ανακλάσεις δεν παραμένουν απλώς ακίνητες. Στην πραγματικότητα επιδεινώνουν τις φυσιολογικές απώλειες του καλωδίου, οπότε αντί για πλήρη μετάδοση ισχύος, τα συστήματα μπορεί να μεταφέρουν μόνο περίπου το 60% της ισχύος που θα έπρεπε να μεταφέρουν όταν όλα είναι σωστά αντιστοιχισμένα.

Φυσικοί και εγκαταστατικοί παράγοντες που ενισχύουν τις απώλειες του συναξονικού καλωδίου

Μήκος καλωδίου και απόσβεση: Υπολογισμός της απώλειας σε dB ανά πόδι για συνηθισμένους τύπους συναξονικών καλωδίων

Η απόσβεση του σήματος κλιμακώνεται απευθείας με το μήκος του καλωδίου λόγω της αντίστασης του αγωγού και της απορρόφησης από το διηλεκτρικό. Μεγαλύτερα μήκη ενισχύουν την απώλεια ενέργειας, μετατρέποντας τα RF σήματα σε θερμότητα. Για παράδειγμα:

• Το RG-6 χάνει περίπου 0,25 dB/ft στα 750 MHz
• Το LMR-400 διατηρεί 0,11 dB/ft στα 1 GHz
  Αυτή η εκθετική σχέση απαιτεί ακριβείς υπολογισμούς πριν από την εγκατάσταση — ανατρέχετε πάντα στα διαγράμματα απόσβεσης του κατασκευαστή για το επιθυμητό εύρος συχνοτήτων.

Κάμψη, συμπίεση και ζημιά στη θωράκιση: Αόρατες απειλές για την απόδοση του συναξονικού καλωδίου

Η φυσική τάση κατά την εγκατάσταση επιδεινώνει την απόδοση με τρόπους που συχνά παραβλέπονται:

• Οξείες καμπύλες η υπέρβαση της ελάχιστης ακτίνας κάμψης παραμορφώνει τη γεωμετρία του διηλεκτρικού, αυξάνοντας την αντιστοιχία σε αντίσταση
• Συμπιεσμένη θωράκιση μειώνει την αντίσταση σε παρεμβολές έως και κατά 40%
• Καμπυλωμένοι αγωγοί δημιουργούν τοπικά σημεία ανάκλασης
  Η εισχώρηση υγρασίας μέσω βλαβών στο περίβλημα επιταχύνει την οξείδωση, αυξάνοντας την αντίσταση των αγωγών. Οι καλύτερες πρακτικές περιλαμβάνουν τη διατήρηση ακτίνων κάμψης μεγαλύτερων των 10× της διαμέτρου του καλωδίου και την αποφυγή στρέψης κατά την τοποθέτηση.

Αποδεδειγμένες στρατηγικές για την ελαχιστοποίηση της απώλειας σήματος σε συστήματα κοαξικών καλωδίων

Επιλογή κοαξικού καλωδίου χαμηλής απώλειας: Χαλκός έναντι CCA, αφρώδες έναντι στερεού διηλεκτρικού και αποτελεσματικότητα θωράκισης

Η επιλογή του κατάλληλου συναξονικού καλωδίου ανάγεται στην εύρεση του ιδανικού σημείου ισορροπίας μεταξύ της ηλεκτρικής αγωγιμότητάς του, του είδους του διηλεκτρικού υλικού που χρησιμοποιείται και της αποτελεσματικότητας της θώρακας. Όσον αφορά τους αγωγούς, ο καθαρός χαλκός υπερτερεί κατά πολύ του χαλκού επιστρωμένου με αλουμίνιο (CCA) όσον αφορά τις απώλειες σήματος. Μιλάμε για περίπου 20 έως 30% μικρότερη απόσβεση, διότι ο απλός χαλκός αγωγεύει καλύτερα σε όλη τη δομή του. Τα διηλεκτρικά υλικά με αφρώδη πλήρωση επίσης διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο. Μπορούν να μειώσουν τις ενοχλητικές απώλειες λόγω χωρητικότητας έως και κατά 40% σε σύγκριση με το συνηθισμένο στερεό πολυαιθυλένιο, καθώς δεν επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να «αναπηδούν» τόσο πολύ μέσα στο μονωτικό υλικό. Εάν αποτελεί ανησυχία η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, τα σχέδια με τετραπλή θώρακα (quad shield), που περιλαμβάνουν πολλαπλά στρώματα αλουμινίου σε φύλλο και πλεγμένη θώρακα, αποτελούν την καλύτερη επιλογή. Διατηρούν τη διαρροή σήματος κάτω του 1%, κάνοντάς τα σχεδόν πρότυπο εξοπλισμό σε εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων (RF) υψηλής απαίτησης. Και μην ξεχάσετε επίσης τη σταθερότητα της εμπέδησης. Τα καλής ποιότητας καλώδια διατηρούν την εμπέδησή τους εντός περιθωρίου ±2 Ω σε διάφορες συχνότητες, γεγονός που σημαίνει ότι τα σήματα παραμένουν καθαρά και σταθερά, ανεξάρτητα από τη ζώνη συχνοτήτων στην οποία λειτουργούν.

Ακριβής ολοκλήρωση και επιλογή συνδετήρων: Εξάλειψη ασυνέχειας σύνθετης αντίστασης και διάβρωσης στις συνδέσεις κοαξικού καλωδίου

Η σωστή επιλογή των συνδετήρων αποτρέπει τις περισσότερες από εκείνες τις ενοχλητικές ανακλάσεις αντίστασης που διαταράσσουν τις μετρήσεις VSWR. Οι συνδετήρες τύπου συμπίεσης διατηρούν την ακριβή σύνδεση εντός περίπου μισού χιλιοστού, όταν εγκαθίστανται σωστά, γεγονός που βοηθά στη διατήρηση της κρίσιμης αντίστασης 50 ή 75 ohm σε όλες τις συνδέσεις. Η επιχρύσωση των επιφανειών επαφής έχει επίσης ιδιαίτερη σημασία, καθώς αντιμετωπίζει τα προβλήματα οξείδωσης, ειδικά σε υγρές περιοχές, όπου η αντίσταση τείνει να αυξάνεται κατά 15 έως 20 τοις εκατό ετησίως, σύμφωνα με ορισμένες μελέτες. Για εγκαταστάσεις που αντιμετωπίζουν ακραίες συνθήκες ή βρίσκονται στο εξωτερικό περιβάλλον, η χρήση συνδετήρων από ανοξείδωτο χάλυβα με σφραγίσματα βαθμού IP68 είναι λογική επιλογή, καθώς αποτρέπουν την είσοδο νερού στο εσωτερικό τους — ένα φαινόμενο που προκαλεί πολλές από εκείνες τις ενοχλητικές ενδιάμεσες αστοχίες που όλοι απεχθανόμαστε. Πριν ολοκληρωθεί οποιοδήποτε έργο, αξίζει να ελεγχθεί η ποιότητα των τερματισμών με τη χρήση εξοπλισμού δοκιμής TDR. Αυτός ο έλεγχος ανιχνεύει μικροσκοπικά ελαττώματα σε επίπεδο μικρομέτρων, τα οποία, αν παραμείνουν ανεντόπιστα, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε σημαντικότερα προβλήματα στο μέλλον, αφού το σύνολο της εγκατάστασης θα έχει ήδη τεθεί οριστικά σε λειτουργία.