Kuinka vähentää signaalihäviötä koaksiaalikaapeleissa?

Mitä aiheuttaa signaalihäviön koaksiaalikaapelissa?

Dielektriset ja johtimelliset häviöt: energian hajaantuminen kaapelin ytimessä ja eristekerroksessa

Kun signaalit kulkevat koaksiaalikaapeleissa, ne alkavat heikentyä perusenergiahäviömekanismien vuoksi. Kaapelin sisällä oleva pääjohto menettää itsekin osan tehosta, kun elektronit törmäävät toisiinsa metallirakenteessa. Tämä ilmiö pahenee korkeammilla taajuuksilla, jolloin suurin osa virrasta kulkee vain johtimen ulko-osassa eikä koko sen poikkileikkauksen läpi. Samanaikaisesti johtimien välinen muovieriste vaikuttaa myös signaalin vaimenemiseen: se absorboi osan kulkevista sähkömagneettisista aalloista ja muuntaa ne lämmöksi sen sijaan, että ne pääsisivät kohdepaikalleen. Nämä kaksi ongelmaa yhdessä aiheuttavat yleensä noin kolme neljäsosaa kaikista signaalien heikkenemisistä tavallisissa kaapeliasennuksissa. Siksi pitkät koaksiaalikaapelien matkat voivat joskus johtaa heikompaan vastaanottoon tai alhaisempalaatuisiin yhteyksiin.

Taajuusriippuvainen vaimeneminen: Miksi korkeammat RF-taajuudet lisäävät koaksiaalikaapelin häviötä

Signaalihäviön määrä kasvaa huomattavasti, kun taajuudet nousevat korkeammiksi, mikä johtuu sähkömagneettisten aaltojen käyttäytymisestä. Kun tarkastellaan taajuuksia yli 100 MHz, signaalihäviö RG-6-kaapelissa kasvaa noin 30 % jokaista kertaa, kun taajuus kaksinkertaistuu. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että elektronit liikkuvat mieluummin kaapelin pinnan läheisyydessä (ihonvaikutus) ja eristävä materiaali reagoi voimakkaammin vaihtuvien sähkökenttien aiheuttamiin muutoksiin. Otetaan esimerkiksi tavallinen 100 jalan pituinen RG-6-kaapeli. Taajuudella 1 GHz se aiheuttaa noin 6,5 dB:n signaalihäviön, kun taas taajuudella 50 MHz häviö on vain noin 1,2 dB. Näiden erojen vuoksi oikean kaapelin valinta on erityisen tärkeää nykyaikaisten korkean nopeuden verkkojen, kuten 5G-asennusten tai DOCSIS 3.1 -internetyhteyksien, käytössä, sillä jopa pienet häviöt voivat vaikuttaa suorituskykyyn merkittävästi.

Impedanssimukavuus ja heijastukset: Kuinka VSWR heikentää signaalilaatua koaksiaalikaapelissa

Koaksiaalikaapelin impedanssin (yleensä noin 50 ohmia tai 75 ohmia) ja sen päihin kytkettyjen laitteiden impedanssin välinen epäsointu aiheuttaa nuo ärsyttävät signaalikäännökset, joita kaikki vihaavat. Mitä tapahtuu sitten? Nämä heijastuneet signaalit häiritsevät pääsignaalia, joka kulkee läpi, mikä synnyttää seisovia aaltomalleja, joita insinöörit mitataan niin sanotulla jännitteen seisovan aallon suhteella eli VSWR:llä (Voltage Standing Wave Ratio). Kun tämä suhde ylittää noin 1,5:1, asiat alkavat menemään pieleen melko nopeasti. Signaalilaatu heikkenee noin 3 desibeliä, ja laitteet saattavat toimia epäluotettavasti ajoittain. Miksi tämä tapahtuu? Syitä on useita: liittimet, jotka ei ole puristettu oikein asennuksen yhteydessä; liitokset, jotka ovat ruostuneet tai korrodoituneet ajan myötä; sekä kaapelit, jotka on taivutettu liian terävästi jossakin kohdassa pituussuuntaansa. Pahinta on kuitenkin se, että nämä heijastukset eivät vain istu hiljaa paikoillaan. Ne itse asiassa pahentavat kaapelin normaaleja tappioita, joten sen sijaan, että saataisiin täysi tehon siirto, järjestelmät saattavat siirtää vain noin 60 % siitä tehosta, joka olisi mahdollinen, kun impedanssit ovat täysin sovitettu.

Fyysiset ja asennukseen liittyvät tekijät, jotka lisäävät koaksiaalikaapelin tappiota

Kaapelin pituus ja vaimennus: dB-tappion laskeminen jalkaa kohden yleisimmille koaksiaalikaapelityypeille

Signaalivaimennus kasvaa suoraan kaapelin pituuden mukana johtimen resistanssin ja eristeen absorptiosta johtuen. Pidemmät kaapelit vahvistavat energiahäviötä, jolloin RF-signaalit muuttuvat lämmöksi. Esimerkiksi:

• RG-6-kabli kärsii noin 0,25 dB/jalka taajuudella 750 MHz
• LMR-400 säilyttää 0,11 dB/jalka taajuudella 1 GHz
  Tämä eksponentiaalinen riippuvuus edellyttää tarkkoja laskelmia ennen asennusta – viittaa aina valmistajan antamiin vaimennuskaavioihin kohdetaajuusalueellesi.

Taipuminen, puristuminen ja suojauksen vaurioituminen: näkymättömiä uhkia koaksiaalikaapelin suorituskyvylle

Fyysinen rasitus asennuksen aikana heikentää suorituskykyä tavalla, jota usein ei huomioida:

• Terävät kaaret minimikaarevuussäteen ylittäminen vääntää eristeen geometriaa, mikä lisää impedanssimismatchia
• Puristettu suojakuorta vähentää häiriönsuojauksen tehokkuutta jopa 40 %
• Taittuneet johtimet luovat paikallisesti heijastuspisteitä
  Kostean tunkeutuminen vaurioituneen ulkokuoren läpi nopeuttaa hapettumista ja nostaa johtimen resistanssia. Parhaat käytännöt sisältävät kaarevuussäteen säilyttämisen yli 10× kaapelin halkaisijan ja kiertymän välttämisen asennuksen aikana.

Todistetut strategiat koaksiaalikaapelijärjestelmien signaalihäviön minimoimiseksi

Matalahäviöisen koaksiaalikaapelin valinta: kupari vs. CCA, vaahtoeriste vs. kiinteä eriste ja suojauksen tehokkuus

Oikean koaksiaalikaapelin valinta riippuu itse asiassa siitä, että löydätään sopiva kompromissi sähkönjohtokyvyn, eristeen materiaalin ja suojauksen laadun välillä. Kun tarkastellaan johtimia, kiinteä kupari on selvästi parempi kuin kuparilla pinnoitettu alumiini (CCA) signaalin häviön suhteen. Puhutaan noin 20–30 prosentin pienemmästä vaimennuksesta, koska tavallinen kupari johtaa sähköä paremmin koko rakenteensa läpi. Myös vaahtomaiset eristeet tekevät suuren eron: ne voivat vähentää kytkentäkapasiteetin aiheuttamia häviöitä jopa 40 prosenttia verrattuna tavalliseen kiinteään polyeteeniin, koska elektronit eivät heilahtele yhtä paljon eristeen sisällä. Jos elektromagneettinen häference on huolenaihe, nelinkertaisen suojauksen (quad shield) ratkaisut, joissa on useita alumiinifoliokerroksia ja punottua suojaa, ovat paras vaihtoehto. Niiden avulla signaalivuodot pysyvät alle prosentin, mikä tekee niistä lähes standardin vakavissa RF-sovelluksissa. Älä myöskään unohda impedanssin vakautta: laadukkaat kaapelit pysyvät ±2 ohmin rajoissa eri taajuuksilla, mikä tarkoittaa, että signaalit säilyvät puhtaina ja johdonmukaisina riippumatta siitä, millä taajuusalueella ne toimivat.

Tarkka päätös ja liittimen valinta: Impedanssiyhtenäisyyden katkaiseminen ja koaksiaalikaapeliyhteyksien korroosion estäminen

Oikein valitut liittimet estävät suurimman osan niistä ärsyttävistä impedanssien heijastuksista, jotka häiritsevät VSWR-mittauksia. Puristustyyliset liittimet pitävät yhteydet tiukkoina noin puolen millimetrin tarkkuudella, kun ne on asennettu oikein, mikä auttaa säilyttämään tärkeän 50 tai 75 ohmin impedanssin yhteyksien yli. Kultapinnoitus kosketuspintojen pinnalla on myös erityisen tärkeää, koska se torjuu hapettumisongelmia – erityisesti kosteissa olosuhteissa vastus voi kasvaa vuosittain jopa 15–20 prosenttia, kuten joissakin tutkimuksissa on todettu. Asennuksissa, jotka kohtaavat ankaria olosuhteita tai joutuvat alttiiksi ulkoisille sääolosuhteille, ruostumatonta terästä käyttävät liittimet, joissa on IP68-luokituksen mukaiset tiivistykset, ovat järkevä valinta, sillä ne estävät veden pääsemästä sisälle – mikä puolestaan aiheuttaa paljon niitä ärsyttäviä välillä esiintyviä vikoja, joita kaikki inhoamme. Ennen kuin mikään hanke saadaan viimeisteltyä, kannattaa tarkistaa päätösten laatu TDR-testilaitteiston avulla. Tämä havaitsee pienimmätkin mikrotasoiset virheet, jotka muuten voivat johtaa suurempiin ongelmiin myöhemmin, kun kaikki on lopullisesti otettu käyttöön.