2.1 Электрические показатели коаксиальных кабелей
Коаксиальный кабель характеризуется следующими электрическими показателями: полоса частот (МГц); потери передачи в заданной полосе частот (дБ); волновое сопротивление (Ом); показатель возвратных потерь (дБ); сопротивление по постоянному току (Ом); коэффициент экранирования (дБ).
Эти характеристики приводятся в документации производителя или в рекламных проспектах. Существуют и другие, менее значимые для выбора кабеля характеристики, например, напряжение пробоя или передаваемая мощность, которые тоже приводятся в документации.
Важнейшим физическим явлением, характеризующим принцип работы коаксиального кабеля при передаче по нему высокочастотного сигнала, является поверхностный эффект (скин-эффект). Известно, что сопротивление металлического проводника зависит от его размеров. Если увеличить диаметр проводника, то область протекания электронов станет шире и сопротивление проводника по постоянному току уменьшится. То же самое справедливо и для переменного тока – проводник большего размера вносит меньшие потери в передаваемый сигнал – однако на разных частотах затухание по переменному току оказывается различным. Причиной этого и является скин-эффект, возникающий в металлическом проводнике. Суть его состоит в том, что в области, близкой к наружной поверхности проводника протекает больше электронов, чем в центре проводника. Чем выше частота сигнала, тем более выражен скин-эффект. На тех частотах, которые используются в системах КТВ, скин-эффект становится довольно ощутимым. Таким образом, скин-эффект объясняет зависимость затухания радиочастотного сигнала в кабеле от частоты. На высоких частотах во внешней приповерхностной области проводника протекает больше электронов, чем на низких частотах. В результате на высоких частотах в передачу вносятся большие потери, поскольку увеличение частоты влечет уменьшение (сужение) той области проводника, в которой распространяется поток электронов.
2.2 Полоса частот и потери передачи
Полоса частот, которую предоставляет кабель для передачи сигнала, напрямую связана с величиной затухания сигнала на разных частотах радиочастотного спектра, которая, в свою очередь зависит от качества используемых в кабеле материалов. Бессмысленно говорить о ширине полосы пропускания кабеля без указания соответствующей ей величины затухания. Речь здесь идет лишь о ширине полосы при допустимом затухании. В принципе коаксиальный кабель способен пропускать радиочастотный сигнал очень высоких частот, и доступная для передачи полоса частот может быть очень широкой. По этой характеристике коаксиальный кабель уступает только волоконно-оптическому кабелю. Другие среды передачи (витая пара, радиоканал) имеют существенно худшие показатели затухание-полоса. Коаксиальные кабели нового поколения способны работать в частотном диапазоне до 2 ГГц. Этого вполне достаточно для создания сетей КТВ, имеющих стандартную полосу 5 – 1000 МГц.
Потери в коаксиальном кабеле происходят вследствие рассеяния энергии сигнала на металлических проводниках кабеля. Результат этого рассеяния выражается в том, что в процессе распространения по кабелю уровень сигнала падает. Потери в кабеле определяются разностью между уровнями сигнала на выходе и на входе кабеля.
Затухание (потери) сигнала в заданной полосе частот является основной исходной характеристикой на этапе проектирования магистрального усилительного участка и распределительной сети. Исходя из этого параметра и предполагаемой длины магистральной линии передачи, рассчитывается возможная протяженность усилительного участка и выбирается усиление усилителей, достаточное для компенсации потерь на этом участке. Потери задаются для определенной частоты, находящейся в пределах доступной полосы и для определенной длины кабеля (обычно на 100 м), поскольку затухание сигнала, кроме частоты зависит, очевидно, и от пройденного им по кабелю расстояния. Чем длиннее кабель, тем большая часть входной энергии рассеется в нем и тем ниже будет уровень выходного сигнала. Таким образом, любое значение потерь сигнала данного кабеля всегда задается относительно частоты передачи и длины отрезка кабеля. В спецификации обязательно указывается, при какой частоте и длине отрезка было измерено данное значение затухания. В магистральной сети к величине потерь предъявляются более высокие требования, чем в домовой сети.
На разных частотах затухание различно, и, чем выше частота, тем сильнее затухание. Экспериментально установлено, что зависимость коэффициента затухания от частоты f имеет нелинейный характер, причем затухание растет с ростом частоты в заданной полосе пропорционально квадратному корню из частоты.
Затухание в кабеле является функцией от диаметров проводников кабеля, физических свойств используемого металла и диэлектрического материала кабеля. Сплошной медный кабель имеет меньшие потери, чем алюминиевый или стальной. Кабель с твердым полимерным диэлектриком при тех же размерах имеет большее затухание. Для кабеля большего диаметра с тем же диэлектриком затухание сигнала будет ниже. Эти особенности марки кабеля и учитываются коэффициентами, а, о, с в приведенной формуле. В результате для каждой марки кабеля вид зависимости потерь от частоты. Неизменным будет только нелинейный характер зависимости. Зависимость потерь в кабеле от его длины, очевидно, является линейной. Поэтому потери задаются как удельная величина, рассчитанная для определенной длины, обычно на 100 м. В таблице 2 представлены значения потерь передачи в полосе частот от 5 до 1750 МГц для кабелей разных типов (абонентский: RG-59; распределительные RG-6 и RG-11; магистральный серии – QR-540). Приведенные значения не являются стандартными, а только характеризуют кабель определенной марки, и могут несколько отличаться у разных производителей.
Таблица 2.2.1 – Характеристики затухания кабеля различных типов
