Visokofrekvenčni ni vodi. KOAKSIALNI KABLI 1. del SEMINARSKA NALOGA. Pri predmetu: PRENOSNA ELEKTRONIKA

Transcript

1 SEMINARSKA NALOGA Pri predmetu: PRENOSNA ELEKTRONIKA KOAKSIALNI KABLI 1. del Radenci, Visokofrekvenčni ni vodi S pojavom TV sprejemnikov se je pojavila potreba po višjih nivojih signala, za dober sprejem. Antene so morale na streho. Mi smo hoteli obdržati naš TV sprejemnik v dnevni sobi. Za povezavo med antenami in sprejemniki je potrebna povezava. Včasih so uporabljali paralelni žični vod, danes le še koaksialne vode. 1

2 Pri VF vodih si pomagamo z naravnim naključjem, da se vpliv kapacitivnosti in induktivnosti izničita, če je vod obremenjen z bremenom, ki ima impedanco enako karakteristični impedanci voda (Zk). S primerno konstrukcijo VF voda se izognemo neželenemu sevanju potujoče električne energije oklop. Ohmskim izgubam (vodnik in izolator) se ne moremo izogniti, s primerno konstrukcijo voda se dajo izgube zmanjšati. Koaksialni kabli Najbolj razširjena izvedba VF voda je koaksialni kabel, ki je tudi najenostavnejši za praktično uporabo. Kabel sestavljajo vodniki, žila in oklop, ter izolator (dielektrik) med njima. Oklop je zunaj prevlečen še z zaščitnim plaščem, za zaščito pred mehanskimi poškodbami, vlago in drugimi neželenimi vplivi. 2

3 Koaksialni kabli Da so izgube v kablu čim manjše, je potrebno pri gradnji uporabiti kvalitetne materiale: čisti polietilen, polietilensko peno oziroma teflon za dielektrik in čim boljši prevodnik (Cu, Al, Ag) za vodnike. Za električne lastnosti kabla so pomembni debelina žile d, notranji premer oklopa D in materiali, iz katerih je kabel izdelan (specifična upornost vodnikov in relativna dielektričnost Er izolatorja). Koaksialni kabli Za dani koaksialni kabel želimo vedeti naslednje tehnične podatke: Kolikšna je karakteristična impedanca kabla Zk Kolikšne so izgube na dani frekvenci Kolikšno najvišjo VF moč lahko prenašamo Kolikšna je napetostna prebojna trdnost kabla 3

4 Karakteristična impedanca Zk lahko izračunamo iz kapacitivnosti in induktivnosti kabla. Odvisna je od razmerja premerov žile in opleta D/d, ter od vrste dielektrika med njima. Za točnost izračuna je dovolj, če fizikalne konstante v formuli zamenjamo s konstanto 60 Ω. Karakteristična impedanca Iz formule se vidi tudi, da kabla s poljubno karakteristično impedanco praktično ne moremo izdelati. Pri zelo nizki impedanci bi bil izolator zelo tanek, pri visoki pa žila zelo tanka. Zato se praktično izdelujejo kabli z impedancami nekje med 30 in 100Ω. 4

5 Izgube v koaksialnih kablih Če hočemo razumeti izvor izgub v koaksialnem kablu, si moramo ogledati pojave v samem kablu, predvsem izriv toka in krožni pojav pri visokih frekvencah, ter mehanizem izgub v dielektriku kabla. Električni tok potrebuje za svoj nastanek napetostni padec oziroma električno polje. Kovine zelo hitro zadušijo elektromagnetno valovanje. Izgube v koaksialnih kablih Če postavimo kos kovine v visokofrekvenčno elektromagnetno polje, jakost polja zelo hitro upada z globino pod površino kovine. Tam kjer ni polja, pa ne more biti električnega toka, zato VF tokovi tečejo samo po površini kovin. Kako globoko pa tečejo? Natančno toliko, kolikor lahko v kovino prodre elektromagnetno polje, ki požene tokove. 5

6 Izgube v koaksialnih kablih Vdorna globina elektromagnetnega polja je odvisna od frekvence in vrste kovine. Manjša je pri boljših prevodnikih in obratno sorazmerna s kvadratnim korenom frekvence. Izgube v koaksialnih kablih V praksi to pomeni, da če uporabimo okroglo bakreno žico debeline 1 mm na frekvenci 100MHz, potem tokovi tečejo na površini v plasti debeline 6,6µm. Ohmska upornost žice je zato za VF tok frekvence 100MHz približno 38-krat večja, kot pa za enosmerni tok, ki teče po celotnem preseku. Te izgube, nastale zaradi krožnega pojava predstavljajo glavni izvor izgub v koaksialnem kablu. 6

7 Izgube v koaksialnih kablih Izgube so odvisne od frekvence, notranjega premera plašča, so večje pri kablih z večjim εr. So komplicirana funkcija karakteristične impedance kabla in naraščajo pri majhnem in velikem Zk. Izgube so odvisne od specifične upornosti in magnetne permeabilnosti vodnikov. Izgube v koaksialnih kablih Če hočemo izdelati kabel s čim manjšimi izgubami, moramo smiselno izbrati Zk in εr. Če si narišemo funkcijo izgub v odvisnosti od Zk, ugotovimo da so izgube v kablu najmanjše, ko je Zk nekje med 50 in 75Ω v odvisnosti od relativne dielektričnosti εr. Kabel s takšno Zk se da brez problema izdelati, zato sta ti dve vrednosti danes standardizirani. Izgube lahko zmanjšamo tudi z uporabo izolatorja z manjšo εr, zato imajo kabli z majhnimi izgubami penast dielektrik oziroma zrak za izolacijo. 7

8 Izgube v koaksialnih kablih Izgube v koaksialnih kablih Z uporabo boljšega prevodnika da malo zmanjšati izgube srebrenje. Ni potrebno več, kot je vdorna globina, se pravi nekaj µm. Po preskusu z meritvami ugotovimo, da se vrednosti ujemajo s kvalitetnimi kabli, pri cenenih so izgube za 25% večje od izračunanih, zaradi pletene žile, pletenega oklopa, tokovi se ne porazdelijo enakomerno. Izgube v nekvalitetnem dielektriku (nečistoče) se prištevajo k izgubam zaradi krožnega pojava. 8

9 Izgube v koaksialnih kablih Izgube v dielektriku so odvisne predvsem od vsebnosti nečistoč (nekvalitetne surovine, nečiste kemikalije), lahko pa v kabel prodrejo tudi pozneje (na primer neprimeren zaščitni plašč kabla). Za VF se dielektrik z izgubami obnaša kot zaporedna vezava upora in kondenzatorja. Za te izgube velja, da niso odvisne od Zk in od D, ampak so premosorazmerne s frekvenco. Izgube v koaksialnih kablih Izgube v kablu za kabel RG-213 9

10 Izgube v koaksialnih kablih Kako mora biti izdelan kvaliteten koaksialni kabel? Zaščitni plašč ne sme biti trhel ali lepljiv. Oklop mora biti pravilno pleten in dovolj gost, dielektrik se ne sme videti Za frekvence nad 300MHz uporabimo kable z dvojnim opletom ali folijo Oklop mora biti lepe svetleče rdeče bakrene barve, brez korozije Dielektrik mora biti čist, bel napol prosojen polietilen oziroma čista bela pena, brez kakršne koli umazanije ali barve Izgube v koaksialnih kablih Dielektrik se mora točno prilegati oklopu Srednja žila mora biti točno v sredini dielektrika Srednja žila, kot ena bakrena žica oziroma cevka omogoča manjše izgube, vendar se kabel s pleteno žilo lažje zvija. Zaradi krožnega pojava je ugodno, če sta žila in oklop posrebrena. Tu moramo biti pozorni, namreč nekateri ceneni kabli imajo žilo in oklop pocinkan (sive barve). Cink ima večjo specifično upornost od bakra, zato ima tak kabel zelo visoke VF izgube. 10

11 Merjenje izgub Izgube v kablu lahko tudi merimo in to na čim več različnih frekvencah. Če pri kvalitetnem kablu izmerimo 2dB izgub na 144MHz, potem bo imel isti kabel pri devetkrat višji frekvenci 1296MHz trikrat več izgub, 6dB. To pomeni da izgube naraščajo s kvadratnim korenom frekvence, oziroma vzrok za njih je ohmska upornost vodnikov in krožni pojav. Če izmerimo pri višji frekvenci bistveno večje dušenje, potem je vzrok za to nekvaliteten dielektrik, ali pa slab oklop kabla. Merjenje izgub 11

12 Merjenje izgub V tabeli poglejmo kabel 22/99FC. Kabel ima pri 200MHz dušenje 4,1dB. Pri devetkrat višji frekvenci bi moral imeti trikratno dušenje. To bi bilo 12,3dB. Iz tabele vidimo, da ima pri frekvenci 1750MHz dejansko dušenje 13,3dB. To pomeni, da gre 1dB izgub na račun izgub v dielektriku in ostalega. Dejansko je 1dB/100m malo in ta kabel je kvaliteten. Merjenje izgub 12

13 Merjenje izgub V drugi tabeli poglejmo kabel RG58 C/U. Kabel ima pri 50MHz dušenje 10,7dB. Pri devetkrat višji frekvenci bi moral imeti trikratno dušenje. To bi bilo 32,1dB. Iz tabele vidimo, da ima pri frekvenci 500MHz dejansko dušenje 39,9dB. To pomeni, da ima ta kabel kar 7,8dB izgub več, kot bi jih izračunali po formulah. To pa ni tako malo. Kdor kabel pozna ve, da ima finožično žilo in pleten oplet. Dodatne izgube nastanejo tu in nekaj v nekvalitetnem dielektriku. Merjenje izgub Najpogosteje merimo izgube na dva načina, z merilnikom moči in z reflektometrom. Meritev z merilnikom moči je enostavna in rezultat preprosto kvocient izmerjenih moči. 13

14 Merjenje izgub Če so izgube v kablu majhne, kar si običajno želimo, jih lahko izmerimo z reflektometrom. Prilagojenost je enaka dvakratnim izgubam v kablu. Če izmerimo prilagojenost 6dB, potem so izgube v kablu 3dB. Vzamemo povprečje dveh meritev. Primerno za dušenja do 10 db. Merjenje izgub Merilnik moči domače izdelave Meritev v frekvenčnem področju 1kHz 500MHz in moči -60dBm do +15dBm. Ima tudi RS232 izhod. 14

15 Merjenje izgub Mostiček reflektometra Reflektometer Oddajnik, na primer VCO 15