Το οµοαξονικό καλώδιο

Transcript

1 ΤΟ ΟΜΟΑΞΟΝΙΚΟ ΚΑΛΩ ΙΟ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗ Toυ Γιώργου Σ. Κακαβιάτου Η «αλλαγή του Νεγρεπόντε» (Negroponte s switch), πρό - βλεψε πριν λίγα χρόνια ό,τι: «όλες οι ραδιο-επικοινωνίες θα µετατραπούν σε ενσύρµα - τες και όλα τα ενσύρµατα δίκτυα θα µεταλλαχθούν σε ασύρµατες ζεύξεις» *. Ήδη έχουµε εισέλθει στην εποχή αυτής της µετάπτωσης. Τα επί - γεια ραδιοδίκτυα (Ραδιοφωνία, Τηλεόραση, µικροκυµατικές ζεύξεις) παραχωρούν τη θέση τους στα καλωδιακά δίκτυα οπτικών ινών, ενώ τα κλασικά τηλεφωνικά δίκτυα υποχωρούν κάτω από την πίεση της κινητής τηλεφωνίας. Το οµοαξονικό καλώδιο Θεωρία και πράξη της κοινής, αλλά και άγνω - στης γραµµής µεταφοράς, που χρησιµοποιεί - ται στη δορυφορική τηλεόραση Α υτή η θεµελιώδης µεταβολή αλλάζει και το ρόλο των «γραµµών µεταφοράς» (transmission lines). Τα ενσύρµατα µέσα µετάδοσης χρησιµοποιήθηκαν σχεδόν αποκλειστικά στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, µέχρι που έκαναν την εµφάνισή τους τα επίγεια και δορυφορικά µικροκυµατικά συστή- µατα µετάδοσης. Σήµερα, οι ραδιοζεύξεις αντικαθίστανται και πάλι από γραµµές µεταφοράς «οπτικών ινών». Με τον ένα ή µε τον άλλο τρόπο, λοιπόν, οι γραµµές µεταφοράς έπαιξαν και συ- * What is now in the air will go under the ground and what is underground will go into the air! 116 ΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΝΕΑ ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2009

2 1 Ισοδύναµο κύκλωµα γραµµής µεταφοράς. Οι παράµετροι R, L, G και C είναι γνωστές ως «σταθερές της γραµµής» και ορίζονται ως: R: ωµική αντίσταση σειράς, L: αυτεπαγωγή σειράς, G: παράλληλη αγωγιµότητα, C: παράλληλη χωρητικότητα. νεχίζουν να κατέχουν κύριο ρόλο στην τεχνολογία. Στη δορυφορική τηλεόραση, η «κάθοδος της κεραίας» παίζει κρίσιµο ρόλο στην ποιότητα της λήψης και πολλές φορές αναδεικνύεται σε καθοριστικό παράγοντα της σωστής εικόνας. Αν και η θεωρία των γραµµών µεταφοράς κυριαρχείται από πολύπλοκες ε- ξισώσεις και βαριά µαθηµατικά, που αποθαρρύνουν τον µη ειδικό, θα προσπαθήσουµε να δώσουµε µία εικόνα των αρχών που τις περιγράφουν και των λεπτοµερειών που θα πρέπει να ε- φαρµόζονται σε µία σωστή δορυφορική εγκατάσταση. Θεωρία των γραµµών µεταφοράς Ως µέσο µετάδοσης ορίζεται το σύστηµα το οποίο επιτρέπει τη διάδοση του ηλεκτροµαγνητικού σήµατος. Μπορεί να είναι τηλεφωνικό καλώδιο, οµοαξονικό καλώδιο, οπτική ίνα ή ραδιοζεύξη. Τα µέσα µετάδοσης διακρίνονται σε περιορισµένα - όπως είναι οι γραµµές µεταφοράς - και σε µη περιορισµένα, όπως είναι ο αέρας, το κενό και το νερό. Τα περιορισµένα µέσα διαφοροποιούνται, επίσης, ανάλογα µε το φάσµα συχνοτήτων των ση- µάτων που µεταδίδουν: Για σήµατα συχνότητας έως 300kHz (LF, Low Frequency), χρησιµοποιούνται δισύρµατα τηλεφωνικά καλώδια ή συνεστραµ- µένα ζεύγη. Για σήµατα µεσαίων και υψηλών συχνοτήτων, µέχρι 2000 MHz (2 GHz), υιοθετείται η λύση του οµοαξονικού καλωδίου. Για ακόµη πιο υψηλές συχνότητες µέχρι MHz (30 GHz) και µέχρι το όριο του ορατού φωτός, εφαρµόζεται η λύση των κυ- µατοδηγών. Για το ορατό και το υπεριώδες φάσµα χρησιµοποιούνται οι οπτικές ίνες. Η γραµµή µεταφοράς, µεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια υπό τη µορφή ηλεκτροµαγνητικού κύµατος, από την πηγή προς το δέκτη. Σε ιδανική ζεύξη, η διέλευση του σήµατος πρέπει να είναι απρόσκοπτη. Στην πραγµατικότητα, όµως, το µέσο µετάδοσης διαφοροποιεί το σήµα. Συνήθως το εξασθενεί και του προκαλεί καθυστέρηση. Επιδρά αποσβεστικά πάνω στο σήµα και µειώνει την ενέργειά του, ενεργεί σαν βαθυπερατό φίλτρο και εξασθενεί περισσότερο τις υψηλές συχνότητες απ ό,τι τις χαµηλές, διαφοροποιεί τις ταχύτητες µετάδοσης των κυµάτων που έχουν διαφορετικές συχνότητες, προκαλώντας παραµόρφωση φάσης και προκαλεί ανακλάσεις στα άκρα της, δηµιουργώντας στάσι- µα κύµατα. Αν ένα δεδοµένο µήκος της γραµµής µεταφοράς, χωριζόταν σε πάρα πολλά τµήµατα, θα προέκυπτε ένα πολύ µικρό (απειροστό) τµήµα, µε τα βασικά στοιχεία: ωµική αντίσταση R, αγωγιµότητα G, αυτεπαγωγή L (πηνίο) και χωρητικότητα C (πυκνωτής), (Εικόνα 1). Οι παράµετροι R, L, G και C είναι γνωστές ως σταθερές της γραµµής και ορίζονται ως: R: ωµική αντίσταση σειράς (Ω/m, ωµ ανά µέτρο), L: αυτεπαγωγή σειράς (H/m, ανρί ανά µέτρο) G: παράλληλη αγωγιµότητα (S/m, σίµενς ανά µέτρο), C: παράλληλη χωρητικότητα (F/m, φαράντ ανά µέτρο). Κάθε καλώδιο εµφανίζει ωµική αντίσταση, που έχει άµεση επίπτωση στην εξασθένιση του µεταδιδόµενου ηλεκτροµαγνητικού κύµατος. Η ωµική αντίσταση εξαρτάται από το είδος του υλικού, τα γεωµετρικά στοιχεία του καλωδίου (µήκος, πάχος) και τη θερµοκρασία. Εκτός από την ωµική αντίσταση, οι δισύρµατες γραµµές εµφανίζουν επίσης επαγωγική R L και χωρητική αντίσταση R C **. Η ε- παγωγική αντίσταση εκφράζει την ιδιότητα του αγωγού να αντιδρά σε κάθε µεταβολή του µαγνητικού πεδίου µέσα στο οποίο βρίσκεται. Αυξάνει µε τη συχνότητα, µε αποτέλεσµα, η µετάδοση των υψίσυχνων κυµάτων να γίνεται προβληµατική. Η χωρητική αντίσταση οφείλεται στη χωρητικότητα που εµφανίζεται µεταξύ των αγωγών. Η γραµµή δηλαδή, συµπεριφέρεται όπως έ- νας πυκνωτής, όπου το ρόλο των αγώγιµων πλακών παίζουν οι δύο αγωγοί και του διηλεκτρικού το µεταξύ τους µονωτικό υλικό. Η χωρητική αντίσταση µειώνεται, όταν αυξάνει η συχνότητα. Επειδή όµως εµφανίζεται παράλληλα στη γραµµή, στις υ- ψηλότερες συχνότητες δηµιουργεί µεγαλύτερες αποσβέσεις. Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά των δισύρµατων καλωδίων είναι η ολική αντίσταση της γραµµής (Z ο ), που παλαιότερα λεγόταν «σύνθετη αντίσταση» και σήµερα γίνεται προσπάθεια να επικρατήσει ο σωστός όρος εµπέδηση (= φρενάρισµα, impedance), είναι ο λόγος τάσης προς ρεύµα για κάθε κύµα, που διαδίδεται κατά µήκος µιας γραµµής µεταφοράς και δίνεται από τη σχέση: Ζ ο = V / I (µονάδα µέτρησης: Ωµ). Η εµπέδη- 2 Η ταχύτητα διάδοσης (v) του ηλεκτροµαγνητικού κύµατος κατά µήκος της γραµµής, σε σχέση µε την ταχύτητα του φωτός ( c ) εξαρτάται από τη διηλεκτρική σταθερά των υλικών. Αποτελεί χαρακτηριστικό µέγεθος κάθε γραµµής µεταφοράς και στοιχείο που καθορίζει την ποιότητά της. Ο παράγων ταχύτητας k, που λέγεται και διηλεκτρική σταθερά, ορίζεται µε τη βοήθεια της παραπάνω εξίσωσης. ** Η επαγωγική και η χωρητική αντίσταση υπολογίζονται από τις εξισώσεις RL=jωL και RC = jωc, όπου j είναι η µονάδα των φανταστικών αριθµών και ω η συχνότητα, αλλά από εκεί και µετά το πράγµα γίνεται ιδιαίτερα πολύπλοκο! 117

3 ΤΟ ΟΜΟΑΞΟΝΙΚΟ ΚΑΛΩ ΙΟ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗ Toυ Γιώργου Σ. Κακαβιάτου 3 Τρεις κλασικές περιπτώσεις τερµατισµού της γραµµής µεταφοράς. Στην πρώτη περίπτωση, η γραµµή µεταφοράς τερµατίζει σε φορτίο χαρακτηριστική αντίσταση, ίση µε αυτή της γραµµής. εν υπάρχει ανακλώµενο κύµα και αναφερόµαστε σε προσαρµοσµένη γραµµή. Είναι η επιθυµητή κατάσταση σε κάθε χρήση των γραµµών µεταφοράς. Αν η γραµµή τερµατιστεί µε οποιαδήποτε άλλη αντίσταση, τότε ανακλάται ενέργεια από τον τερµατισµό. Η δεύτερη περίπτωση αναφέρεται στη βραχυκυκλωµένη στο άκρο της, γραµµή. Το κύµα ανακλάται εξ ολοκλήρου µε αντίθετη φάση. Αν η γραµµή µείνει ανοικτή στο τέλος της, τότε το κύµα ανακλάται επίσης ολοκληρωτικά, χωρίς αλλαγή φάσης. ση µπορεί να προσεγγισθεί σε ορισµένες περιπτώσεις, όπως στη γραµµή µεταφοράς «απείρου µήκους», είτε όταν η συχνότητα (ω) είναι µεγάλη (ωl>>r και ωc>>g), είτε σε γραµµή µεταφοράς χωρίς απώλειες R=0, και είναι: Ζ ο = L/C. Όταν δεν συντρέχουν αυτές οι προϋποθέσεις, τότε η χαρακτηριστική α- ντίσταση δίνεται από τη σχέση Ζ ο = (R + R L ) / (G + R C ). Επο- µένως, όταν αναφερόµαστε στη σύνθετη αντίσταση της γραµ- µής, πρέπει να κάνουµε µνεία και της συχνότητας για την οποία εµφανίζεται. Η εµπέδηση της γραµµής είναι µεταβλητό µέγεθος, αλλά σταθεροποιείται όταν η συχνότητα γίνει πολύ υψηλή! Ο συντελεστής εξασθένισης (a) εκφράζει τη µείωση της τάσης ( ή του ρεύµατος) σε σχέση µε την απόσταση κατά µήκος της γραµµής µεταφοράς. Η ταχύτητα διάδοσης (u) των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων σε γραµµή µεταφοράς χωρίς απώλειες ή στις υψηλές συχνότητες, δίνεται από τη σχέση: u = 1 / L/C. Σύµφωνα µε την ηλεκτροµαγνητική θεωρία, η ταχύτητα αυτή δίνεται επίσης και από την εξίσωση: u = c / k, όπου k είναι ο συντελεστής µείωσης ταχύτητας του ηλεκτροµαγνητικού κύµατος της γραµµής µεταφοράς. Λέγεται επίσης και διηλεκτρική σταθερά της γραµµής (εικόνα 2). Τερµατισµός της γραµµής µεταφοράς Όταν το «οδεύον» ηλεκτροµαγνητικό κύµα συναντά σηµείο κακής προσαρµογής (mismatch) της γραµµής µεταφοράς, τότε προκαλείται ανακλώµενο ηλεκτροµαγνητικό κύµα, που οδεύει µε αντίθετη φορά, «συµβάλλει» µε το πρώτο και δηµιουργείται το «στάσιµο κύµα». Πρόκειται για µία κατάσταση εγκλωβισµού ενέργειας, που πηγαινοέρχεται άσκοπα πάνω στη γραµµή. Η α- νάκλαση του κύµατος προκαλεί, επίσης, απώλεια της ισχύος του. Η χαρακτηριστική εµπέδηση των γραµµών µεταφοράς και οι τερµατισµοί, είναι οι σηµαντικότεροι παράγοντες για την ε- λαχιστοποίηση των ανακλάσεων και τη µεγιστοποίηση της µεταφερόµενης ισχύος. Προσαρµοσµένο τερµατισµό έχουµε όταν η γραµµή µεταφοράς τερµατίζεται µε αντίσταση ίση µε τη χαρακτηριστική εµπέδηση Z ο. Τότε, η γραµµή συµπεριφέρεται σαν να έχει άπειρο µήκος, µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει ανακλώµενη ενέργεια του οδεύοντος κύµατος. Αν η γραµµή τερµατιστεί µε οποιαδήποτε άλλη αντίσταση, τότε ανακλάται ενέργεια από τον τερµατισµό. Το µέγεθος του ανακλώµενου παλµού καθορίζεται από την εµπέδηση του φορτίου Z L και την εµπέδηση Z ο της γραµµής. Έτσι, ο συντελεστής ανάκλασης (ρ) ορίζεται ως: ρ = (Z L - Z ο ) / (Z L + Z ο ). Αν η αντίσταση του φορτίου είναι ίση µε την αντίσταση της γραµ- µής, τότε ρ=0 και δεν υπάρχει ανακλώµενο κύµα. Αν η αντίσταση του φορτίου είναι µεγαλύτερη από την αντίσταση της γραµµής, τότε ρ>0 και υπάρχει ανακλώµενο κύµα, το ο- ποίο έχει µικρότερο «µέγεθος» από το κύµα που συνεχίζει την πορεία του προς το τελικό φορτίο. Αν η αντίσταση του φορτίου είναι µικρότερη από την αντίσταση της γραµµής, τότε ρ<0 και υπάρχει ανακλώµενο κύµα, το οποίο έχει µεγαλύτερο «µέγεθος» από το κύµα που συνεχίζει την πορεία του προς το τελικό φορτίο. Πρόκειται για τη χειρότερη δυνατή κατάσταση, που σχεδόν αχρηστεύει τη γραµµή µεταφοράς. Αν δύο γραµµές µεταφοράς, η πρώτη µε χαρακτηριστική αντίσταση Z 1 και η δεύτερη µε εµπέδηση Z 2, ενωθούν µεταξύ τους, τότε ο συντελεστής ανάκλασης στο σηµείο ένωσης των δύο γραµµών, δίνεται από τη σχέση: ρ = (Z 2 Z 1 ) / (Z 2 + Z 1 ). Οι δύο διαφορετικές γραµµές µπορούν να προσαρµοστούν, εισάγοντας µια αντίσταση είτε σε σειρά είτε παράλληλα. Αν η εµπέδηση της αρχικής γραµµής είναι µεγαλύτερη από τη συνδεόµενη χαρακτηριστική εµπέδηση, τότε µία αντίσταση R ίση µε τη διαφορά τους, συνδέεται σε σειρά µε τη συνδεόµενη γραµµή R = Z 1 Z 2. Αν η εµπέδηση της αρχικής γραµµής είναι µικρότερη από τη χαρακτηριστική αντίσταση της δεύτερης γραµµής, τότε µία α- ντίσταση R συνδέεται παράλληλα µε την ένωση και η τιµή της υπολογίζεται από τη σχέση R= Z 1 Z 2 / (Z 2 Z 1 ). Το βραχυκύκλωµα εµφανίζει µηδενική εµπέδηση και ο συντελεστής ανάκλασης είναι ρ = - 1. Αν η γραµµή µείνει ανοικτή στο 4 Η χαρακτηριστική αντίσταση της δισύρµατης γραµµής µεταφοράς, που αποτελείται από δύο παράλληλους αγωγούς, εξαρτάται από το πάχος και την απόσταση των καλωδίων, αλλά και τη διηλεκτρική σταθερά των υλικών. Συνήθως κυµαίνεται στην περιοχή από 300 έως 600 Ω. 118 ΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΝΕΑ ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2009

4 5 Η χαρακτηριστική αντίσταση της οµοαξονικής γραµµής µεταφοράς, εξαρτάται από τις διαµέτρους των δύο αγωγών, αλλά και τη διηλεκτρική σταθερά των υλικών. Συνήθως κυµαίνεται στην περιοχή από 50 έως 100 Ω. τέλος της, τότε η εµπέδηση του ανοιχτού κυκλώµατος είναι ά- πειρη και ο συντελεστής ανάκλασης γίνεται ίσος µε +1. Εποµένως, µε ανοικτό κύκλωµα ως φορτίο το ανακλώµενο κύµα είναι ίσο µε το προσπίπτον, ενώ στο βραχυκύκλωµα το ανακλώµενο κύµα είναι ίσο σε µέγεθος και αντίθετο (σε φάση) µε το προσπίπτον (εικόνα 3). Οµοαξονική γραµµή µεταφοράς Το οµοαξονικό καλώδιο παίρνει το όνοµά του από την κατασκευή του. Αποτελείται από κεντρικό χάλκινο αγωγό, ο οποίος περικλείεται από µονωτική πλαστική ύλη, η οποία λέγεται «διηλεκτρικό». Γύρω από το διηλεκτρικό και οµοαξονικά τοποθετηµένη ως προς τον κεντρικό αγωγό, υπάρχει θωράκιση από µεταλλικό πλέγµα ή φύλλο αλουµινίου. Στην περίπτωση του αλουµινίου υπάρχει και γυ- µνό καλώδιο γείωσης. Τα καλώδιο, τέλος, περικλείεται από εξωτερικό µονωτικό περίβληµα. Επειδή η θωράκιση είναι γειωµένη, το οµοαξονικό καλώδιο δεν επηρεάζεται εύκολα από εξωτερικές πηγές ηλεκτροµαγνητικών πεδίων. Κατά συνέπεια, εξασφαλίζει τη µετάδοση σηµάτων, µε καλή απόρριψη του θορύβου. Παρουσιάζει επίσης χαµηλή εξασθένιση στις υψηλές συχνότητες. Χρησιµοποιήθηκε ευρύτατα κατά την περασµένη δεκαετία και σαν καλώδιο σύνδεσης τοπικών δικτύων. Αντικαταστάθηκε όµως απλά το καλώδιο συνεστραµµένων ζευγών, κυρίως για λόγους κόστους και ταχύτερης κατασκευής των δοµηµένων καλωδιώσεων των κτιρίων. Προσφέρει υψηλό εύρος ζώνης µε αποτέλεσµα να επιτυγχάνει υψηλότερες ταχύτητες µετάδοσης από τα χάλκινα καλώδια. Το γεγονός αυτό δικαιολογεί την ευρεία χρήση του στην καλωδιακή τηλεόραση (CATV), στα κλειστά κυκλώµατα επιτήρησης (CCTV) και στις συνδέσεις (καθόδους) κεραιών. Ιστορία του οµοαξονικού καλωδίου Στα τέλη της δεκαετίας του 30, το υπουργείο Άµυνας των Η.Π.Α. εξέδωσε την προδιαγραφή MIL17, που αφορούσε σε οµοαξονικά καλώδια RF, µε στόχο να τυποποιήσει τις προµήθειές του. Κάθε προδιαγεγραµµένος τύπος καλωδίου είχε τον κωδικό RG x / U (x = ένας αριθµός). Ακόµη και σήµερα υπάρχουν διάφορες απόψεις για το τι ακριβώς σηµαίνουν τα γράµµατα RG. Η πιο πιθανή εξήγηση είναι ότι σηµαίνει «Radio Guide» και ο α- ριθµός x που προσδιορίζει κάθε τύπο καλωδίου, αντιστοιχεί στον αριθµό της σελίδας του βιβλίου που εµφανιζόταν η αντίστοιχη προδιαγραφή! Το γράµµα U που ακολουθεί µετά από την κάθετο, µάλλον σηµαίνει Universal (γενικής χρήσης). Με το πέρασµα των χρόνων, ορισµένες προδιαγραφές υπόκεινται σε α- ναθεωρήσεις. Αυτές σηµειώνονταν µε ένα κεφαλαίο γράµµα, αµέσως µετά τον αριθµό. Έτσι, ο αρχικός τύπος RG-71 / U µετά την πρώτη αναθεώρηση έγινε RG-71 A/U και µετά τη δεύτερη RG-71 B/U. Στα τέλη της δεκαετίας του 40, υπήρχαν πάνω από 50 διαφορετικοί τύποι RG καλωδίων. Κάποιοι από τους RG/U τύπους καλωδίων παρόλο που είχαν σχεδιαστεί µε κριτήριο τις ανάγκες των ενόπλων δυνάµεων των Η.Π.Α.- αποδείχτηκε ότι ήταν εξίσου κατάλληλοι και για εµπορικές εφαρµογές. Για παράδειγµα, το RG-58C/U χρησιµοποιείται σε όλες σχεδόν τις εγκαταστάσεις εκποµπής χαµηλής ισχύος, και το RG-6/U σε ό- λες τις εγκαταστάσεις κεραιών τηλεόρασης. Ο ανταγωνισµός και η παγκοσµιοποίηση της παραγωγής οδήγησαν σε αλλοίωση των προδιαγραφών Έτσι «γεννήθηκαν» τα καλώδια «τύπου RG» (RG type cables). Συνήθως ονόµαζαν έτσι ένα καλώδιο, το οποίο είχε την ίδια σύνθετη αντίσταση και τις ίδιες διαστάσεις µε το πρωτότυπο, ώστε να χρησιµοποιούνται οι ίδιοι συνδετήρες (connectors). Η εποχή της σύγχυσης είχε αρχίσει. Για κάθε προδιαγεγραµµένο καλώδιο RG-x/U, εµφανίστηκαν εκατοντάδες καλώδια τύπου RG-x. Το κλασικό καλώδιο RG-6, που χρησιµοποιείται σε όλες τις δορυφορικές εγκαταστάσεις, προσφέρεται από διάφορους κατασκευαστές και σε πολλές διαφορετικές εκδόσεις! Το µόνο κοινό στοιχείο είναι ότι η σύνθετη χαρακτηριστική αντίσταση είναι 75 Ohm και η διάµετρος µόνωσης περίπου 4,70mm. Όλα τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά, µπορεί να διαφέρουν. Η πρωτότυπη προδιαγραφή για το καλώδιο RG-6 A/U είναι παρωχηµένη - ανενεργή πλέον - και το καλώδιο που περιγράφει, σε καµία περίπτωση δεν αφορά σε εφαρµογές τηλεοπτικής λήψης στη σύγχρονη εποχή. Τα καλώδια τύπου RG-6 δεν ανταποκρίνονται σε καµία συγκεκριµένη προδιαγραφή και δεν ελέγχονται από κανένα διεθνή ή εθνικό Οργανισµό. ύο καλώδια τύπου RG-6 µπορεί να έχουν διαφορετικά τεχνικά χαρακτηριστικά και διαφορετικές τιµές πώλησης, είτε πρόκειται για καλώδια διαφορετικών κατασκευαστών ή ακόµα και για καλώδια του ίδιου κατασκευαστή. 119

5 ΤΟ ΟΜΟΑΞΟΝΙΚΟ ΚΑΛΩ ΙΟ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗ Toυ Γιώργου Σ. Κακαβιάτου Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των οµοαξονικών καλωδίων Σύνθετη Χαρακτηριστική Αντίσταση (Impedance) Οι συνηθέστερες τιµές σύνθετης χαρακτηριστικής αντίστασης είναι 50 και 75 Ohm. Καλώδια 50 Ohm χρησιµοποιούνται σε εγκαταστάσεις εκπο- µπής σήµατος ενώ καλώδια 75 Ohm σε εγκαταστάσεις λήψης. Εξασθένηση ή Απώλειες (Attenuation ή Loss) Εκφράζει την εξασθένηση του σήµατος, καθώς αυτό διατρέχει το καλώδιο. Εξαρτάται από τη συχνότητα του σήµατος και από το µήκος του καλωδίου. Συνήθως εκφράζεται σε db / 100 µέτρα καλωδίου, σε κάθε συχνότητα. Για παράδειγµα, το καλώδιο RG-6/U πρέπει να έχει απώλειες 8,50 db /100 µέτρα στη συχνότητα των 1000 MHz). Απώλειες 1 db αντιστοιχούν σε πτώση του σήµατος κατά 21%, 2db=37%, 3db=50%, 4db=60%, 5db=69%, 6db=75%, 7db=80%, 8db=84%, 9db=87%, 10db=90%. Θωράκιση Κάθε καλώδιο που µεταφέρει σήµα, λειτουργεί ταυτόχρονα και ως κεραία λήψης, λαµβάνοντας εξωτερικά ηλεκτροµαγνητικά σήµατα, τα οποία προσθέτει στο σήµα που µεταφέρει. Παράλληλα, λειτουργεί και ως κεραία εκποµπής, εκπέµποντας στο γύρω χώρο ένα τµήµα του σήµατος που µεταφέρει. Η θωράκιση προσδιορίζει την αντίσταση του οµοαξονικού καλωδίου στις ε- ξωτερικές ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές. Στις συχνότητες 5-30 ΜHz, µέτρο της θωράκισης είναι η σύνθετη αντίσταση µεταφοράς (transfer impedance, Zt) σε mohm/m. Όσο µικρότερη η τιµή Zt σε mohm/m, τόσο καλύτερα θωρακισµένο είναι το καλώδιο. Στις συχνότητες ΜHz, εκφράζεται ως εξασθένηση της θωράκισης (screening attenuation, As) σε db. Όσο µεγαλύτερη η τιµή της As σε db, τόσο περισσότερο καταφέρνει το καλώδιο να εξασθενήσει τις παρεµβολές, άρα «προστατεύει» καλύτερα το σήµα που µεταφέρει. Επίσης, όσο καλύτερη η θωράκιση, τόσο λιγότερο ποσοστό του σήµατος που µεταφέρει το καλώδιο εκπέµπεται στο περιβάλλον. Απώλειες επιστροφής (Structural Return Loss, SRL) Οι απώλειες επιστροφής (SRL) είναι ένας δείκτης της ποιότητας κατασκευής του καλωδίου. Σε κάθε καλώδιο, οι µικρές α- τέλειες της κατασκευής προκαλούν µικρές ανακλάσεις του σή- µατος που αυτό µεταφέρει. Οι ανακλάσεις αυτές αθροίζονται διανυσµατικά κατά µήκος του καλωδίου, δηµιουργώντας ένα σήµα που επιστρέφει. Η διαφορά του σήµατος που επιστρέφει από το αρχικό, εκφρασµένη σε db, αποτελεί το SRL. ηλαδή, SRL 40 db σηµαίνει ότι το σήµα που επιστρέφει θα είναι κατά 40 db πιο εξασθενηµένο από το αρχικό. Όσο µεγαλύτερη είναι η απόλυτη τιµή σε db, τόσο ασθενέστερες είναι οι ανακλάσεις, άρα τόσο πιο άρτιο κατασκευαστικά είναι το καλώδιο. Στην α- ναλογική επίγεια τηλεόραση, ένα καλώδιο µε κακό SRL προκαλεί «είδωλα» στην εικόνα της τηλεόρασης. Στην περίπτωση των ψηφιακών σηµάτων, ένα καλώδιο µε κακό SRL µπορεί να προκαλέσει «παγώµατα» στην εικόνα ή ακόµη και να την εξαφανίσει τελείως. Μια ειδική περίπτωση κακού SRL είναι η περιοδικότητα. Σε αυτήν υπάρχει µια κατασκευαστική α- τέλεια, που επαναλαµβάνεται σε ίσα διαστήµατα. Το αποτέλεσµα είναι το καλώδιο να εµφανίζει επιλεκτικά µεγάλες απώλειες, «εξαφανίζοντας» τα σήµατα που µεταφέρονται σε συγκεκριµένες συχνότητες µόνο. Μερικές φορές, οι κακές τιµές SRL µπορεί να µην είναι αποτέλεσµα κακής κατασκευής, αλλά να προκύψουν από κακή εγκατάσταση. Για να µη συµβεί αυτό, θα πρέπει κατά την εγκατάσταση να λαµβάνεται µέριµνα ώστε να µη γίνεται υπέρβαση της ελάχιστης ακτίνας κάµψης που προτείνει ο κατασκευαστής και να µην ασκούνται υπερβολικές εφελκυστικές δυνάµεις (απότοµα τραβήγµατα). Κατά την εγκατάσταση ο- µοαξονικού καλωδίου µε στερεωτικά καρφιά (ρόκα), οι αποστάσεις µεταξύ των καρφιών να µην είναι σε καµιά περίπτωση ίσες µεταξύ τους, αλλά τυχαίες. Κατασκευαστικά στοιχεία Ως προς την κατασκευή του, ο κεντρικός αγωγός του οµοαξονικού καλωδίου διακρίνεται σε: Μονόκλωνος: Είναι η πιο συνηθισµένη κατασκευή. Αποτελείται από ένα µόνο σύρµα. Πολύκλωνος: Αποτελείται από σύρµατα συστρεµµένα µεταξύ τους. Ο πολύκλωνος αγωγός παρέχει περισσότερη ευκαµψία και µεγαλύτερη αντοχή σε µηχανική καταπόνηση. Παράλληλα ό- µως, οι απώλειες ενός καλωδίου µε πολύκλωνο αγωγό είναι περίπου 30% µεγαλύτερες από το ίδιο καλώδιο µε τον αντίστοιχο µονόκλωνο αγωγό. Έτσι, η χρήση πολύκλωνου αγωγού περιορίζεται µόνο στις περιπτώσεις εκείνες όπου η εγκατάσταση του καλωδίου δεν είναι µόνιµη. Ως προς το υλικό κατασκευής, ο κεντρικός αγωγός µπορεί να είναι: Χάλκινος: Αποτελεί την πιο συνηθισµένη περίπτωση και προσφέρει αξιοπιστία στις περισσότερες περιπτώσεις. Χάλκινος επικασσιτερωµένος: Ο κασσίτερος προστατεύει το σύρµα από την οξείδωση και διευκολύνει τον τερµατισµό του καλωδίου µε κόλληση. Επειδή όµως έχει αρκετά χαµηλότερη α- γωγιµότητα από το χαλκό, οι απώλειες του καλωδίου είναι µεγαλύτερες, ειδικά στις υψηλότερες συχνότητες, λόγω του επιδερµικού φαινοµένου. Για το λόγο αυτό, η χρήση επικασσιτερωµένου αγωγού έχει περιοριστεί πολύ τα τελευταία χρόνια. Χάλκινος επαργυρωµένος: Στην περίπτωση αυτή - και επειδή ο άργυρος έχει υψηλότερη αγωγιµότητα από το χαλκό - γίνεται εκµετάλλευση του επιδερµικού φαινοµένου, ώστε τα καλώδιο να έχει καλύτερες απώλειες, ειδικά στις υψηλές συχνότητες των δορυφορικών σηµάτων. Παράλληλα, προστατεύεται καλύτερα από την οξείδωση. Ως προς τη µόνωση ή το διηλεκτρικό υλικό, το οµοαξονικό καλώδιο µπορεί να κατασκευάζεται από: 120 ΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΝΕΑ ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2009

6 Συµπαγές πολυαιθυλένιο (solid PE): ίνει στο καλώδιο σταθερότητα, πολύ καλή µηχανική αντοχή και προστασία από την υ- γρασία. Μειονέκτηµά του, η σχετικά υψηλή διηλεκτρική σταθερά, η οποία καθορίζει τη χρήση κεντρικού αγωγού µικρότερης διαµέτρου. Ως αποτέλεσµα, ένα καλώδιο µε µόνωση από συ- µπαγές πολυαιθυλένιο, έχει µεγαλύτερες απώλειες από το α- ντίστοιχο ίδιων διαστάσεων καλώδιο, µε µόνωση από διογκω- µένο πολυαιθυλένιο. Αφρώδες ή διογκωµένο πολυαιθυλένιο (foam or expanded PE): Χρησιµοποιείται στην πλειοψηφία των περιπτώσεων. Στο συµπαγές πολυαιθυλένιο εισάγεται µια χηµική ουσία, η οποία προκαλεί τη διόγκωση του πλαστικού. Έτσι, επιτυγχάνεται η πτώση της διηλεκτρικής σταθεράς της µόνωσης, γίνεται εφικτή η χρήση κεντρικού αγωγού µεγαλύτερης διαµέτρου και, τελικά, το καλώδιο έχει χαµηλότερες απώλειες. Τα καλώδια που παράγονται µε τη µέθοδο αυτή, υστερούν ως προς τη σταθερότητα, τη µηχανική αντοχή και την αντοχή σε γήρανση. Ταυτόχρονα, «θωρακίζει» το καλώδιο από εξωτερικές ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές. Στο οµοαξονικό καλώδιο, ο εξωτερικός αγωγός παίζει διπλό ρόλο. Μεταφέρει το σήµα και ταυτόχρονα θωρακίζει το καλώδιο από εξωτερικές ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές. Ως προς την κατασκευή του, διακρίνουµε τους εξής τύπους : Πλέγµα: Αποτελείται από πολλά µικρά και λεπτά σύρµατα, πλεγ- µένα µεταξύ τους. Θεωρείται ικανοποιητική κατασκευή για µεταφορά σηµάτων χαµηλών συχνοτήτων, αλλά δεν παρέχει αποτελεσµατική προστασία από παρεµβολές υψηλής συχνότητας, ακόµη κι αν το πλέγµα είναι πολύ πυκνό. Συνδυασµός πλέγµατος και ταινίας: Είναι ο πιο συνηθισµένος τύπος εξωτερικού αγωγού. Υπάρχουν πολλών ειδών κατασκευές, ανάλογα µε τα χαρακτηριστικά που θέλουµε να έχει το καλώδιο. Έτσι, έχουµε ταινίες αλουµινίου ή χαλκού, µονές ή διπλές, µε διαφορετικά πάχη. Οι ταινίες αλουµινίου συνδυάζονται µε πλέγµα α- πό σύρµατα επικασσιτερωµένα ή επαργυρωµένα, ενώ οι ταινίες χαλκού µε σύρµατα χάλκινα. Η χρήση ταινιών αλουµινίου µε σύρ- µατα από απλό χαλκό, καλό θα είναι να αποφεύγεται, διότι µε την ελάχιστη παρουσία υγρασίας, προκαλείται γαλβανική διάβρωση λόγω επαφής διαφορετικών µετάλλων, η ταινία καταστρέφεται και οι απώλειες του καλωδίου αυξάνουν δραµατικά. Η εξωτερική επένδυση προστατεύει το καλώδιο από το εξωτερικό περιβάλλον. Μπορεί να είναι από τα παρακάτω υλικά: PVC: Είναι το πιο συνηθισµένο υλικό εξωτερικής επένδυσης. Προσφέρει προστασία και παράλληλα καθιστά το οµοαξονικό καλώδιο πολύ εύκαµπτο. PVC απαλλαγµένο από µόλυβδο (Lead Free PVC): Έχει τα ίδια χαρακτηριστικά µε το PVC, χωρίς όµως να περιέχει µόλυβδο. Σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες και στο πλαίσιο της γενικότερης περιβαλλοντικής ευαισθησίας, έχει επιβληθεί δια νόµου η αντικατάσταση του κοινού PVC, από PVC απαλλαγµένο από µόλυβδο. Θερµοπλαστικό µίγµα µε επιβράδυνση καύσης (Flame retardant, HFFR): Πρόκειται για µία νέα γενιά υλικών, τα οποία, σε περίπτωση πυρκαγιάς όχι µόνο δεν µεταδίδουν τη φλόγα, αλλά επιπρόσθετα δεν εκλύουν τοξικά δηλητηριώδη αέρια. Μίγµα Πολυαιθυλενίου (PE compound): Είναι ένα ειδικό µίγ- µα πολυαιθυλενίου. Παρέχει εξαιρετική προστασία του καλωδίου από την υγρασία και την ηλιακή ακτινοβολία, αντίσταση στην εκδορά και µεγαλύτερη αντοχή στη µηχανική καταπόνηση. Είναι ιδανικό για καλώδια που χρησιµοποιούνται σε υπόγειες ή και εξωτερικές εγκαταστάσεις. Στην Ελλάδα υπάρχει σοβαρή κατασκευαστική υποδοµή οµοαξονικών γραµµών µεταφοράς (Βιοµηχανία Ειδικών Καλωδίων, BIOKAL), στον Πεντάλοφο της Θεσσαλονίκης. Κατασκευάζει ο- µοαξονικά καλώδια κάθε είδους και εφαρµόζει όλες τις τελευταίες καινοτοµίες και σύγχρονες προδιαγραφές. Οµοαξονικοί σύνδεσµοι F Οι οµοαξονικοί σύνδεσµοι τύπου F δεν έχουν κεντρικές ακίδες. Αντ αυτού, χρησιµοποιούν το στερεό κεντρικό αγωγό του καλωδίου, ως κεντρική ακίδα. Για αυτόν το λόγο, οι σύνδεσµοι τύπου F δεν µπορούν να χρησιµοποιηθούν µε τα καλώδια που έχουν κεντρικό αγωγό πλέγµατος. Οι σύνδεσµοι σειράς «F» είναι: Οικονοµικοί: Χρησιµοποιούνται για να συνδέσουν οµοαξονικά καλώδια τύπου RG-59 και RG-6 µε βίντεο, στην καλωδιακή τηλεόραση (CATV) και για να συνδέσουν κάµερες ασφαλείας. Είναι ευρύτατα χρησιµοποιούµενοι για την καλωδίωση στα σπίτια. Είναι διαθέσιµοι σε τύπους ενός ή δύο κοµµατιών. Είναι διαθέσιµοι και σε βιδωτή µορφή (screw-on). 121