Структура коаксиального кабеля

Рассмотрим основное средство передачи сигнала в системах КТВ - коаксиальный кабель. Коаксиальные кабели используются в настоящее время на магистральных и домовых участках сети и в соответствии с этим относятся к нескольким типам, которые характеризуются разными размерами, различными качественными показателями и имеют разную стоимость. При проектировании коаксиальной кабельной структуры необходимо принимать во внимание конструкционные параметры кабелей, стоимость прокладки, пригодность кабеля для конкретных условий строительства, возможность реконструкции или расширения кабельной сети. Любое серьезное обсуждение вопроса об использовании коаксиальных кабелей должно учитывать современное состояние технологии их производства и их стоимость. Оба эти фактора подвержены изменению, поэтому от разработчика требуется хорошее знание рынка телекоммуникационного оборудования и умение ориентироваться в выборе предлагаемого производителями кабеля. Эта глава не содержит справочных сведений по коаксиальным кабелям, так как задача обзора всех существующих марок кабеля является непосильной и выходит за рамки обсуждаемых вопросов. Здесь содержится классификация кабелей, описание их механических и электрических характеристик и некоторые рекомендации по выбору кабеля.

Далее в этой главе рассматривается эффективность передачи сигнала по коаксиальному кабелю с точки зрения отражений. Отраженный сигнал возникает в любой кабельной системе и распространяется в направлении, обратном направлению передачи полезного сигнала, являясь, таким образом, помехой. Задачей разработчика является минимизация отраженного сигнала. Будут рассмотрены причины возникновения отражений, показатели, которыми характеризуются отражения, и меры, позволяющие минимизировать отражения.

Коаксиальный кабель в сетях кабельного телевидения выполняет роль закрытой среды передачи и является, очевидно, пассивным элементом. Внутренняя структура коаксиального кабеля определяет его механические и электрические свойства. Под внутренней структурой понимаются конструкционные особенности кабеля (например, способ выполнения экрана и оплетки, наличие или отсутствие несущего троса) и материалы, применяемые при его изготовлении (тип проводника и диэлектрического материала). Классическая структура коаксиального кабеля образована двумя металлическими проводниками с общей воображаемой осью. Понятие "коаксиальный" означает, что внешний проводник имеет вид замкнутого цилиндра, по центральной геометрической оси которого проходит внутренний проводник, который, в свою очередь отделен от внешнего слоем диэлектрического (непроводящего) материала. Внешний проводник одновременно с передачей сигнала может исполнять роль экрана, защищая всю структуру от влияния внешних электромагнитных излучений.

Простейший коаксиальный кабель представляет собой цилиндрическую алюминиевую трубку, окружающую центральный проводник и промежуточный диэлектрик (рис. 8.1). Внутренний проводник изготавливается из меди, имеющей низкое сопротивление. Снаружи вся структура покрыта изолирующей оболочкой, выполненной из высокомолекулярного полимера - поливинилхлорида (PVC) -для защиты от вредных механических и химических воздействий.

В принципе любой коаксиальный кабель имеет подобную структуру и является модификацией этой минимальной простейшей конструкции. На ее основе создано множество разнообразных марок кабеля, предназначенных для различных целей и условий строительства. Главным образом различия заключаются в используемых материалах и технологиях производства. Например, в кабелях первого поколения в качестве материала центрального проводника использовалась только медь. Позднее по экономическим соображениям стали использовать опаянный медью алюминиевый или стальной центральный провод вместо сплошного медного (опайка проводника также называется плакированием). Сопротивление плакированного медью алюминиевого проводника выше, чем сопротивление сплошного медного, поэтому потери в таком кабеле несколько возрастают.

Наружным проводником и одновременно экраном служит алюминиевая труба. Она может быть изготовлена методом электросварки тонкой алюминиевой жести или методом волочения алюминиевой трубы. Технология сварки является простой и дешевой, но может вызывать появление локальных неоднородно-стей трубы и образование очагов коррозии в местах сварочных швов, а получающийся таким образом тонкостенный алюминий легко подвергается деформации.

Технология волочения позволяет изготовить цельнотянутую толстостенную трубу без швов, что исключает вышеперечисленные недостатки сварки, обеспечивает существенно лучшее экранирование и устойчивость к внешним деформациям, в частности, вдвое большую максимально допустимую силу натяжения. Благодаря этому прокладка кабеля с бесшовной трубой не требует особой осторожности.

Диэлектрические материалы кабелей могут варьироваться от твердого полимера до обычного воздуха. Твердый диэлектрический материал обеспечивает более надежную и длительную механическую поддержку местоположения центрального проводника и наилучшую водонепроницаемость кабеля. В кабелях с воздухом в качестве диэлектрического материала постоянное положение центрального проводника поддерживается с помощью дисков из термопластика, периодически размещенных вдоль всего отрезка кабеля (структура типа "бамбук"). Потери в кабеле с воздушным диэлектриком минимальны. Однако, кабель с твердым диэлектриком сегодня редко используется в системах КТВ из-за высоких потерь передачи и плохой гибкости, а кабель с воздушным диэлектриком также редко используется из-за низкой защиты от деформации и невозможности изгиба под острыми углами при прокладке. Гибкость кабеля характеризуется допустимым радиусом изгиба. Чем сильнее изгиб кабеля, тем будет острее угол изгиба и меньше радиус изгиба. Допустимым радиусом изгиба называется такой радиус изгиба кабеля, при уменьшении которого (т.е. более сильном изгибе) образуется передавливание или излом кабеля. При пере-давливании или изломе внутренняя структура проводников в этом месте деформируется, что приводит к образованию зон неоднородности, т.е. к ухудшению возвратных потерь в кабеле. Поскольку внешняя оболочка кабеля через некоторое время после передавливания восстанавливается, существует опасность, что это останется незамеченным, и поврежденный кабель будет использован при прокладке линии. Обнаружить такой дефект потом будет достаточно сложно.

Промежуточным вариантом изготовления диэлектрика является пенистый полимер (полиэтилен или полиэстер), наполненный инертным газом (обычно азотом) или воздухом. Кабель с пенистым диэлектриком наилучшим образом сохраняет геометрию сечения, поддерживая постоянное расстояние между экраном и внутренним проводником даже при сгибах под острым углом. Сперва для получения пенистой структуры применяли химические реакции, но многолетний опыт эксплуатации показал, что химически вспененный диэлектрик не гарантирует долговременной стабильности электрических параметров кабеля. Поэтому стали применять физически вспененный полимер, получаемый путем впрыскивания газа в твердый полимер под высоким давлением, что дает равномерное заполнение всего материала микроскопическими пузырьками газа. Кабель с физически вспененным диэлектриком обеспечивает снижение потерь и в то же время высокую механическую защиту, гибкость кабеля и длительную стабильность его параметров. Потери в такой структуре снижаются почти на 15% по сравнению со структурой с химически вспененным диэлектриком и почти на 40% по сравнению со структурой с твердым диэлектриком. Кроме этого, равномерность заполнения диэлектрика газом создает барьер для проникновения влаги, обеспечивая почти полную водонепроницаемость кабеля, что очень существенно, поскольку вода, проникая внутрь кабеля, может вызывать замыкание высокочастотной цепи прохождения сигнала или цепи питания линии или просто ухудшить электрические параметры кабеля (в частности, увеличить затухание). В случае повреждения оболочки и экрана проникновению воды внутрь кабеля будет препятствовать пенистый полимер, который плотно заполняет его внутреннее пространство.

Конструкция с цельнотянутым внешним алюминиевым проводником, стальным (плакированным медью) внутренним проводником и физически вспененным диэлектриком является сейчас типовой и реализована в большинстве марок кабеля. Применение тонкого алюминия и вспененного полимера гарантирует уменьшение веса кабеля, что немаловажно при его транспортировке, монтаже и прокладке (особенно воздушной). Более сложные структуры могут содержать дополнительные конструктивные элементы, роль которых, впрочем, уже не относится к основной функции кабеля. Например, в структуру кабеля добавляется специальный экран, выполненный в виде стальной проволочной оплетки. Это позволяет сделать алюминиевую трубку более тонкой или просто заменить ее алюминиевой фольгой. Помимо прочего стальной плетеный экран армирует, т.е. придает большую прочность и в то же время гибкость всей структуре. Следующим уровнем сложности является та же конструкция с добавлением под наружную оболочку пластичного гелеобразного компаунда (например, полиизобутилена), который обеспечивает защиту кабеля при механическом износе (стирании), разрыве или пробое внешней полимерной оболочки. Полужидкий материал компаунда, заполняя места повреждений оболочки кабеля, обеспечивает самоуплотнение кабеля и предотвращает коррозию наружного проводника, а также обеспечивает дополнительную изоляцию в местах установки разъемов.

Для предотвращения сдвигов центрального проводника, наружного проводника, диэлектрика и оболочки друг относительно друга все перечисленные компоненты скрепляются (склеиваются) между собой слоями водоотталкивающего материала. Это необходимо в особенности для поддержания стабильности параметров кабеля в тяжелых климатических условиях со значительными суточными и сезонными колебаниями температуры, поскольку все компоненты кабеля имеют различные температурные коэффициенты сжатия (например, объем полиэтилена меняется в 6 раз сильнее, чем объем алюминия). Если скрепления нет, то постоянные взаимные смещения компонентов будут приводить к преждевременному старению кабеля и ухудшению его параметров. Скрепление слоев также улучшает герметичность всей структуры.

Существуют коаксиальные кабели с собственным, интегрированным в структуру кабеля тросом, который также называется несущим тросом. Несущий трос используется при прокладке подвесных (воздушных) кабельных линий для поддержки веса кабеля и для уменьшения его растяжения при провисании на опорах воздушной кабельной линии. Чрезмерное растяжение кабеля опасно тем, что оно приводит к отклонению его механических, а, следовательно, и электрических характеристик от нормативных значений. Для устранения чрезмерного растяжения кабель объединяется с тросом в цельную механическую структуру. В качестве троса обычно используется оцинкованный стальной провод, сплошной либо скрученный, впрессованный во внешнюю полимерную оболочку. Стальной трос должен обеспечивать прочность, необходимую для его расчетного натяжения, поэтому материал троса подвергается специальному тестированию на прочность.

Таким образом, коаксиальный кабель должен иметь приемлемую гибкость (определяемую допустимым радиусом изгиба), высокую механическую защиту и прочность, хорошую гидроизоляцию и стабильность параметров, достигаемую применением физически вспененного диэлектрика и промежуточным склеиванием компонентов.