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同軸ケーブルにおける信号損失の原因は何ですか？
誘電体損失および導体損失：ケーブルの中心導体および絶縁体におけるエネルギー散逸
信号が同軸ケーブルを通過する際、基本的なエネルギー損失メカニズムにより、信号強度が徐々に低下します。ケーブル内部の中心導体では、電子が金属構造内で互いに衝突することによって実際に一部の電力が失われます。この現象は、高周波域ではさらに顕著になります。なぜなら、ほとんどの電流が導体の全厚みではなく、その外周部近傍のみを流れるためです。同時に、導体間のプラスチック絶縁材も影響を与えます。この絶縁材が通過する電磁波の一部を吸収し、それを熱に変換してしまい、信号が目的地まで到達できなくなるのです。この2つの問題が複合的に作用することで、通常のケーブル配線における信号減衰の約4分の3が生じます。そのため、長距離の同軸ケーブル配線では、受信感度の低下や接続品質の劣化が生じることがあります。
周波数依存性減衰：なぜ高周波RF信号が同軸ケーブルの損失を増大させるのか
電磁波の挙動に起因して、周波数が高くなるにつれて信号損失量が大幅に増加します。100 MHzを超える周波数帯域では、RG-6ケーブルを用いた場合、周波数が2倍になるごとに信号損失が約30％増加します。これは主に、電子が導体表面近くを流れる傾向（表皮効果）や、絶縁材が変化する電界に対してより強く反応するためです。例えば、標準的な長さ100フィート（約30.5メートル）のRG-6ケーブルにおいて、1 GHzでは約6.5 dBの信号減衰が生じるのに対し、50 MHzではわずか約1.2 dBの減衰にとどまります。このような差異を踏まえると、5G基地局構築やDOCSIS 3.1対応インターネットサービスなど、現代の高速ネットワークにおいては、わずかな信号損失でも性能に大きな影響を及ぼすため、適切なケーブルを選定することが極めて重要となります。
インピーダンス不整合と反射：VSWRが同軸ケーブルにおける信号完全性を損なう仕組み
同軸ケーブルの特性インピーダンス（通常は約50オームまたは75オーム）と、その両端に接続された機器のインピーダンスとの不一致は、誰もが嫌う厄介な信号反射を引き起こします。その後どうなるか？これらの跳ね返った信号が、通過中の主信号の邪魔をし、エンジニアが「電圧定在波比（VSWR：Voltage Standing Wave Ratio）」と呼ぶ指標で測定される定在波パターンを生じさせます。この比が約1.5:1を超えると、状況は急速に悪化し始めます。信号品質は約3デシベル低下し、機器が時々正常に動作しなくなる可能性があります。なぜこのような現象が起きるのでしょうか？原因としてよく見られるのは、設置時に適切に圧着されていないコネクタ、経年劣化により錆びたり腐食したりした接続部、および配線途中で過度に急な曲げを受けたケーブルなどです。最も問題なのは、こうした反射が静かにそこに留まることはない点です。実際には、ケーブル本来の損失をさらに悪化させ、インピーダンス整合が正しく取れている場合に期待される全電力伝送が実現せず、システムが設計通りの出力の約60％しか伝送できなくなることがあります。
同軸ケーブルの損失を増大させる物理的・設置要因
ケーブル長と減衰：一般的な同軸ケーブル種別の周波数別dB損失（1フィートあたり）の算出
信号の減衰は、導体の抵抗および誘電体吸収によってケーブル長に比例して増加します。長距離配線ではエネルギー損失が増大し、RF信号が熱に変換されます。例えば：
- RG-6は750 MHzで約 0.25 dB／ftの損失を生じます
- LMR-400は1 GHzで 0.11 dB／ftの損失を維持します
この指数関数的関係により、設置前の正確な計算が不可欠です——必ずご使用になる周波数帯域に対応したメーカー公表の減衰特性チャートをご参照ください。
曲げ、圧迫、シールド損傷：同軸ケーブル性能に対する目に見えない脅威
設置時の物理的ストレスは、しばしば見過ごされがちな方法でケーブル性能を劣化させます：
- 急な曲がり 最小曲げ半径を超えると誘電体の幾何学的形状が歪み、インピーダンス不整合が増加する
- 圧縮されたシールド 干渉除去性能を最大40％低下させる
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ねじれた導体 局所的な反射点を生じる
被覆の損傷から水分が侵入すると、導体の酸化が加速し、導体抵抗が上昇する。最良の実践法には、ケーブル直径の10倍より大きい曲げ半径を維持すること、および配線時にねじりを避けることが含まれる。
同軸ケーブルシステムにおける信号損失を最小限に抑えるための実証済み戦略
低損失同軸ケーブルの選定：銅 vs. CCA（銅被覆アルミニウム）、発泡誘電体 vs. 固体誘電体、およびシールド効果
適切な同軸ケーブルを選択する際には、電気伝導性の良さ、使用される誘電体材料の種類、およびシールド性能の高さという3つの要素のバランスを最適化することが鍵となります。導体に関しては、信号損失の観点から見ると、純銅（solid copper）は銅被覆アルミニウム（CCA）を圧倒的に上回ります。これは、純銅がその全体構造を通してより優れた導電性を発揮するためで、減衰量は約20～30％低減されます。また、発泡充填型誘電体（foam filled dielectrics）も大きな効果を発揮します。従来の固体ポリエチレンと比較して、絶縁体内での電子の乱反射を抑えることで、厄介な静電容量損失を最大40％まで低減できます。電磁干渉（EMI）が懸念される場合は、アルミ箔と編組シールドを複数層重ねたクアッドシールド（quad shield）構造が最適です。これにより信号漏れを1％未満に抑えられ、実用上のRF用途では事実上の標準仕様となっています。さらに、インピーダンスの安定性も見逃せません。高品質なケーブルは、周波数帯域の変化に関わらず±2Ω以内のインピーダンス値を維持できるため、どの周波数帯でも信号がクリーンかつ一貫性を持って伝送されます。
高精度の終端処理とコネクタ選定：同軸ケーブル接続におけるインピーダンス不連続性および腐食の排除
コネクタを正しく選定・取り付けることで、VSWR測定値に悪影響を及ぼす厄介なインピーダンス反射の大部分を防ぐことができます。圧着式コネクタは、適切に施工された場合、約0.5ミリメートル以内の精度で密閉性を保ち、接続部全体で重要な50オームまたは75オームの特性インピーダンスを維持するのに役立ちます。接触面の金メッキも極めて重要であり、特に湿気の多い環境では酸化による劣化を抑制します。一部の研究によると、こうした環境では抵抗値が年間15～20％程度上昇する傾向があります。過酷な環境下や屋外設置を想定したプロジェクトでは、IP68等級のシールを備えたステンレス鋼製コネクタを採用することが合理的です。これにより内部への水の侵入を確実に防止でき、誰もが嫌うような煩わしい intermittent（断続的）故障を大幅に減らすことができます。プロジェクトを完了する前に、TDR（時域反射計）測定装置を用いて端末処理（ターミネーション）の品質を確認することをお勧めします。この手法では、マイクロンレベルの微細な欠陥を検出可能であり、これらはその後の本格稼働時に重大な問題へと発展する可能性があります。
