Làm thế nào để giảm tổn hao tín hiệu với cáp đồng trục?

Nguyên nhân nào gây ra tổn hao tín hiệu trong cáp đồng trục?

Tổn hao điện môi và tổn hao dẫn: Sự tiêu tán năng lượng trong lõi cáp và lớp cách điện

Khi tín hiệu truyền qua cáp đồng trục, chúng bắt đầu suy giảm cường độ do các cơ chế tổn hao năng lượng cơ bản. Dây dẫn chính bên trong cáp thực tế bị mất một phần công suất do các electron va chạm với nhau trong cấu trúc kim loại. Hiện tượng này trở nên nghiêm trọng hơn ở tần số cao, khi phần lớn dòng điện chỉ chạy gần bề mặt ngoài của dây dẫn chứ không lan đều khắp toàn bộ độ dày của nó. Đồng thời, lớp cách điện bằng nhựa giữa các dây dẫn cũng đóng vai trò nhất định: nó hấp thụ một phần sóng điện từ đi qua và chuyển đổi thành nhiệt thay vì để chúng đến đích. Hai vấn đề này kết hợp lại thường gây ra khoảng ba phần tư tổng mức suy hao tín hiệu trong các hệ thống cáp thông thường. Vì vậy, việc sử dụng cáp đồng trục với chiều dài lớn đôi khi dẫn đến khả năng thu tín hiệu yếu hơn hoặc chất lượng kết nối thấp hơn.

Suy hao phụ thuộc vào tần số: Vì sao tần số vô tuyến (RF) cao hơn làm tăng tổn hao trên cáp đồng trục

Mức độ suy hao tín hiệu tăng mạnh khi tần số tăng cao hơn do đặc tính của sóng điện từ. Khi xét các tần số trên 100 MHz, mỗi lần tần số tăng gấp đôi, mức suy hao tín hiệu qua cáp RG-6 tăng khoảng 30%. Hiện tượng này chủ yếu xảy ra do các electron có xu hướng di chuyển gần bề mặt hơn (hiệu ứng da) và vật liệu cách điện phản ứng mạnh hơn với các trường điện biến đổi. Ví dụ, với một đoạn cáp RG-6 tiêu chuẩn dài 100 feet: ở tần số 1 GHz, cáp suy hao khoảng 6,5 dB công suất tín hiệu, trong khi ở tần số 50 MHz mức suy hao chỉ vào khoảng 1,2 dB. Với những khác biệt như vậy, việc lựa chọn đúng loại cáp trở nên cực kỳ quan trọng khi triển khai các mạng tốc độ cao hiện đại như hệ thống 5G hoặc dịch vụ internet DOCSIS 3.1, nơi ngay cả mức suy hao nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng.

Sai lệch trở kháng và phản xạ: Cách tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR) làm suy giảm độ toàn vẹn tín hiệu trong cáp đồng trục

Sự không khớp giữa trở kháng của cáp đồng trục (thường khoảng 50 ohm hoặc 75 ohm) và thiết bị được kết nối ở hai đầu gây ra hiện tượng phản xạ tín hiệu khó chịu mà tất cả chúng ta đều ghét. Điều gì xảy ra tiếp theo? Những tín hiệu phản xạ này cản trở tín hiệu chính đi qua, tạo thành các dạng sóng đứng mà kỹ sư đo lường bằng một thông số gọi là Tỷ số Sóng Đứng Điện áp (Voltage Standing Wave Ratio), hay viết tắt là VSWR. Khi tỷ số này vượt quá khoảng 1,5:1, các vấn đề bắt đầu xuất hiện nhanh chóng. Chất lượng tín hiệu giảm khoảng 3 decibel, và thiết bị có thể thỉnh thoảng ngừng hoạt động đúng cách. Vì sao điều này xảy ra? Thực tế có một số nguyên nhân phổ biến: các đầu nối bị bấm (crimp) không đúng cách trong quá trình lắp đặt, các điểm nối bị gỉ hoặc ăn mòn theo thời gian, và cáp bị uốn cong quá sắc ở một vị trí nào đó dọc theo chiều dài cáp. Điều tồi tệ nhất? Những phản xạ này không chỉ nằm yên một chỗ. Chúng thực tế còn làm trầm trọng thêm các tổn hao bình thường trong cáp, do đó thay vì truyền tải công suất đầy đủ, hệ thống có thể chỉ truyền được khoảng 60% công suất so với mức lý tưởng khi mọi thành phần đều phối hợp hoàn hảo.

Các yếu tố vật lý và lắp đặt làm gia tăng tổn hao trên cáp đồng trục

Chiều dài cáp và suy hao: Tính toán mức suy hao theo đơn vị dB mỗi foot đối với các loại cáp đồng trục phổ biến

Mức suy hao tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với chiều dài cáp do điện trở của dây dẫn và sự hấp thụ điện môi. Các đoạn cáp dài hơn làm gia tăng tổn thất năng lượng, chuyển đổi tín hiệu RF thành nhiệt. Ví dụ:

• RG-6 mất khoảng 0,25 dB/ft ở tần số 750 MHz
• LMR-400 duy trì mức 0,11 dB/ft ở tần số 1 GHz
  Mối quan hệ mang tính lũy thừa này đòi hỏi phải thực hiện các phép tính chính xác trước khi lắp đặt — luôn tham khảo biểu đồ suy hao do nhà sản xuất cung cấp cho dải tần mục tiêu của bạn.

Uốn cong, ép mạnh và hư hỏng lớp chắn: Những mối đe dọa vô hình đối với hiệu năng của cáp đồng trục

Ứng suất cơ học trong quá trình lắp đặt làm giảm hiệu năng theo những cách thường bị bỏ qua:

• Các khúc cua sắc vi phạm bán kính uốn tối thiểu làm biến dạng hình học của lớp điện môi, làm tăng độ không phối hợp trở kháng
• Lớp chắn bị nén giảm khả năng loại bỏ nhiễu lên đến 40%
• Các dây dẫn bị gãy khúc tạo ra các điểm phản xạ cục bộ
  Độ ẩm xâm nhập qua lớp vỏ bị hư hại làm tăng tốc quá trình oxy hóa, làm tăng điện trở của dây dẫn. Các thực hành tốt nhất bao gồm duy trì bán kính uốn lớn hơn 10 lần đường kính cáp và tránh xoắn cáp trong quá trình đi dây.

Các chiến lược đã được kiểm chứng nhằm giảm thiểu tổn hao tín hiệu trong hệ thống cáp đồng trục

Lựa chọn cáp đồng trục ít tổn hao: Đồng nguyên chất so với đồng pha tạp nhôm (CCA), điện môi dạng bọt so với điện môi đặc, và hiệu quả của lớp chắn

Việc lựa chọn đúng loại cáp đồng trục thực chất phụ thuộc vào việc tìm ra điểm cân bằng tối ưu giữa khả năng dẫn điện, loại vật liệu điện môi được sử dụng và hiệu quả của lớp chắn. Khi xét về dây dẫn, đồng đặc vượt trội hơn hẳn so với nhôm phủ đồng (CCA) về mặt suy hao tín hiệu. Cụ thể, mức suy giảm tín hiệu thấp hơn khoảng 20–30% vì đồng nguyên chất dẫn điện tốt hơn trên toàn bộ cấu trúc của nó. Vật liệu điện môi dạng xốp cũng tạo ra sự khác biệt đáng kể. Loại này có thể giảm tổn thất do dung kháng tới 40% so với polyethylene đặc thông thường, bởi vì cấu trúc xốp hạn chế hiện tượng electron di chuyển hỗn loạn bên trong lớp cách điện. Nếu nhiễu điện từ là vấn đề cần quan tâm, các thiết kế cáp chắn bốn lớp (quad shield) — kết hợp nhiều lớp lá nhôm và lớp bện kim loại — là lựa chọn tối ưu. Các loại cáp này giữ mức rò rỉ tín hiệu dưới 1%, do đó trở thành thiết bị tiêu chuẩn trong các ứng dụng tần số vô tuyến (RF) chuyên sâu. Ngoài ra, đừng quên cả yếu tố ổn định trở kháng nữa. Các loại cáp chất lượng cao duy trì trở kháng trong phạm vi sai lệch ±2 ohm ở mọi dải tần số, đảm bảo tín hiệu luôn sạch và ổn định bất kể dải tần mà chúng hoạt động.

Chọn đầu nối và kết thúc chính xác: Loại bỏ sự gián đoạn trở kháng và ăn mòn trong các đường truyền cáp đồng trục

Việc lựa chọn đúng các đầu nối sẽ ngăn chặn phần lớn các hiện tượng phản xạ trở kháng gây khó chịu, vốn làm sai lệch các phép đo VSWR. Các đầu nối kiểu nén (compression) giúp giữ chặt kết nối trong phạm vi khoảng nửa milimét khi được lắp đặt đúng cách, từ đó duy trì ổn định trở kháng quan trọng là 50 hoặc 75 ohm trên toàn bộ các điểm nối. Lớp mạ vàng trên bề mặt tiếp xúc cũng rất quan trọng vì nó chống lại hiện tượng oxy hóa — đặc biệt nghiêm trọng ở những khu vực ẩm ướt, nơi điện trở có xu hướng tăng dần khoảng 15–20% mỗi năm theo một số nghiên cứu. Đối với các hệ thống lắp đặt trong điều kiện khắc nghiệt hoặc ngoài trời, việc sử dụng đầu nối bằng thép không gỉ kèm gioăng đạt chuẩn IP68 là hợp lý, bởi chúng ngăn nước xâm nhập vào bên trong — nguyên nhân phổ biến gây ra các sự cố ngắt quãng khó chịu mà ai cũng ghét. Trước khi hoàn tất bất kỳ dự án nào, nên kiểm tra độ chính xác của các điểm nối bằng thiết bị kiểm tra thời gian phản xạ (TDR). Phương pháp này có thể phát hiện các khuyết tật vi mô ở cấp micromet — những lỗi nhỏ này nếu bỏ qua có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng hơn sau này, khi toàn bộ hệ thống đã được triển khai chính thức.