کابل کواکسیال چیست؟ | به زبان ساده | محاسبات + پارامتر های اساسی

در سال 1880 الیور هویساید در مورد اثر پوستی در خط انتقال تلگراف تحقیق میکرد و به این نتیجه رسید که پیچیدن یک عایق به دور خط انتقال میتواند به بدون نویز بودن سیگنال کمک کند و همچنین از همشنوی کابل ها جلوگیری کند.

 در همان سال او کابل کواکسیال را در انگلستان ثبت کرد.

کابل کواکسیال (Coaxial Cable) یک نوع کابل الکتریکی است که برای انتقال سیگنال‌های فرکانس بالا مانند تلویزیون، اینترنت کابلی، و ارتباطات رادیویی استفاده می‌شود. ساختار این کابل به‌گونه‌ای است که سیگنال‌ها را با کمترین میزان نویز منتقل کند.

این کابل شامل چندین لایه است:

1. هسته مرکزی: از جنس مس یا آلومینیوم است و وظیفه انتقال سیگنال اصلی را بر عهده دارد.
2. عایق دی الکتریک: این لایه، هسته مرکزی را احاطه می‌کند و از ورود نویز و تداخل جلوگیری می‌کند.
3. شیلد فلزی: معمولاً از یک لایه سیم مسی بافته شده یا فویل فلزی تشکیل شده که به کاهش نویز و امواج الکترومغناطیسی خارجی کمک می‌کند.
4. روکش خارجی: این لایه بیرونی از جنس پلاستیک یا پی‌وی‌سی است که به محافظت از کابل در برابر عوامل محیطی مانند آب و گرد و غبار کمک می‌کند.

دلیل اختراع کابل کواکسیال

کابل کواکسیال به‌منظور حل مشکلات انتقال سیگنال‌های الکتریکی در فرکانس‌های بالا و کاهش نویز و تداخل‌های الکترومغناطیسی (EMI) اختراع شد. قبل از اختراع آن، انتقال سیگنال‌های رادیویی و تلویزیونی با استفاده از کابل‌های ساده با چالش‌های زیادی مواجه بود.

در اوایل استفاده از کابل‌ها برای انتقال سیگنال‌ها، کابل‌های ساده در برابر نویزهای محیطی و تداخلات الکترومغناطیسی حساس بودند. این تداخلات باعث کاهش کیفیت سیگنال و ایجاد مشکلاتی مانند تصاویر یا صدای ضعیف در تلویزیون و رادیو می‌شد. ساختار چندلایه کابل کواکسیال با شیلد فلزی کمک می‌کند تا این نویزها را به حداقل برساند.

در مجموع، کابل کواکسیال به‌منظور پاسخ به نیاز به انتقال داده‌های با کیفیت و پایدار، به‌ویژه در فرکانس‌های بالا و مسافت‌های طولانی، و کاهش تأثیر نویز و تداخل اختراع شد.

50 اهم بودن کابل کواکسیال به چه معناست؟

50 اهم بودن کابل کواکسیال مقدار امپدانس ذاتی کابل را بیان میکند که توسط ویژگی های فیزیکی کابل تعیین میشود (قطر هسته، قطر داخلی شیلد، دی الکتریک به کار رفته).

در سال 1929 در آزمایشگاه بل آزمایش هایی انجام شده بر روی کابل کواکسیال که نتایج زیر را در بر میگیرد:

77 اهم برای کم ترین سیگنال از دست رفته، 60 اهم برای بالاترین ولتاژ و 30 اهم برای بیشترین میزان قدرت انتقال.

میانگین ریاضی بین 77 و 30 عدد 53.5 است و میانگین هندسی عدد 48 انتخاب 50 اهم یک سازش میان قدرت و تضعیف سیگنال است، همچنین 50 اهم به طور خوبی با امپدانس ورودی آنتن های دوقطبی(hertz antenna , halfwave antenna) سازگاری دارد.

برای انتقال حداکثر قدرت از فرستنده به گیرنده امپدانس فرستنده، خط و گیرنده باید یکی باشد.

دلیل استفاده از کابل 75 اهم برای آنتن تلویزیون

مقدار امپدانس لازم برای هماهنگی با آنتن‌های تلویزیون (Television antenna) بین 73~75 اهم است، برای این آنتن ها که نیاز به قدرت زیادی ندارند از کابل های 75 اهم استفاده میشود تا کمترین مقدار تضعیف سیگنال را داشته باشد.

آنتن‌های تلویزیون استاندارد 300 اهم امپدانس دارند که برای تطبیق امپدانس از بالون (ترانسفورماتور) 4:1 استفاده میشود که امپدانس خروجی آنتن 75 اهم میشود.

محاسبات امپدانس

•  طول کابل: L
• قطر خارجی هسته: d
• قطر داخلی شیلد: D
• ثابت دی الکتریک: ε. ثابت دی‌الکتریک اغلب نقل شده به‌عنوان ثابت دی‌الکتریک نسبی اشاره شده به ثابت دی الکتریک فضای 
• ضریب نفوذ پذیری رسانا : نفوذپذیری اغلب نقل شده به‌عنوان نفوذپذیری نسبی اشاره شده به نفوذ پذیری فضای آزاد

شماتیک اجزای اصلی یک خط انتقال

پارامترهای اساسی الکتریکی

• ظرفیت خازنی در متر برحسب فاراد

• ضریب خودالقایی سری در متر برحسب هنری

• مقاومت سری در متر برحسب اهم

این مقاومت، مقاومت رسانای هسته و شیلد در فرکانس پایین است. در فرکانس‌های بالا، اثر پوستی مقاومت موثر را با محدود کردن رسانش به یک لایه نارک از هر هادی زیاد میکند.

• رسانایی الکتریکی و مقاومت در متر برحسب زیمنس.

مقاومت رسانایی معمولاً بسیار کوچک است برای اینکه عایق با مقاومت بالا استفاده می‌شوند. در فرکانس‌های بالا مقاومت دی‌الکتریک می‌تواند به طور قابل‌توجهی کم شود.

مشتق پارامترهای الکتریکی

مقاومت ذاتی بر حسب اهم. امپدانس مجتمع در طول بی نهایت خط انتقال:

R : مقاومت

L : اندوکتانس

G : ضریب هدایت (رسانایی الکتریکی) دی‌الکتریک

C : ظرفیت خازنی

S :

در فرکانس‌های بالا مقادیر ری اکتیو بر مقادیر اکتیو غالب می‌شوند.(R, G)

با فرض اینکه خواص دی‌الکتریک در محدوده ی کارکرد کابل به طور قابل‌ملاحظه‌ای بیشتر نشود.

امپدانس ذاتی مستقل از فرکانس است که تقریباً بیشتر از پنج برابر فرکانس قطع شیلد است، فرکانس قطع برای کابل‌های معمولی از 600Hz (RG_6A) تا 2000Hz (RG-58c)است.