Koaksiaalikaapeli

Koaksiaalikaapeli on siirtolinja, joka siirtää korkeataajuuksista sähkömagneettista kenttää paikasta toiseen. Koaksiaalikaapelin nimi tulee sen rakenteesta: se koostuu johtimesta sylinterimäisen ulkojohtimen sisällä. Tunnetuin käyttökohde koaksiaalikaapelille on television antennijohto. Muita käyttökohteita ovat muun muassa elektroniikka- ja tietoliikennesovellukset.

Rakenne

Koaksiaalikaapelin lieriömäisen rakenteen keskustassa on keskijohdin, jonka ympärillä on eristeainekerros. Tämän ympärillä on putkimainen ulkojohdin ja sen ympärillä muovinen ulkokuori. Keskijohtimena käytetään joko yksi- tai monisäikeistä kuparijohdinta. Toimiakseen paremmin korkeilla taajuuksilla, keskijohdin on voitu päällystää hopealla.

Sisempi eriste voi olla kiinteää muovia, vaahtomuovia tai ilmaa, jolloin keskijohdin ja ulkojohdin on erotettuna toisistaan erityisillä välikappaleilla. Materiaaleina voivat toimia muun muassa polyeteeni (PE), vaahdotettu polyeteeni (FPE), polyeteenivaahtoa (PF) ja teflonia (PTFE).

Ulkojohtimena toimii yleensä punottu kupariverkko, joka voi olla myös hopeapäällysteistä. Lisäksi voidaan käyttää kaksikerrosvaippaa, jossa voi olla kaksi punottua kupariverkkoa päällekkäin, mutta usein kuitenkin käytetään ohutta foliota kupariverkon alla. Ulkoeristeenä voidaan käyttää hyvin montaa eri materiaalia, mutta yleisin on PVC-muovi.

Toiminta ja käyttö

Suurtaajuinen sähkömagneettinen kenttä etenee koaksiaalikaapelissa poikittaisena värähtelynä, ns. TEM-moodissa, ja rajoittuu keskijohtimen ja ulkojohtimen väliseen eristeaineeseen. Tämän eristeen ominaisuudet ovat sen vuoksi ratkaisevat kaapelin laatua arvioitaessa. Myös ulkoeristeen materiaalin valitseminen on tärkeää erilaisia käyttökohteita silmällä pitäen, esimerkiksi kaapelista voidaan tehdä tulenkestävää, ultraviolettisäteilyä kestävää, hapettumista kestävää tai vettä kestävää. Ulkojohdin puolestaan estää ulkoisia sähkömagneettisia häiriöitä, sekä estää kaapelia lähettämästä häiriösignaaleja.

Yleinen termi siirtojohdon ominaisimpedanssia Z₀ määriteltäessä on

Z_{0}={\sqrt {\frac {R+j\omega L}{G+j\omega C}}}

,

missä R on siirtojohdon resistanssi, $j\omega L$ on impedanssin induktiivinen osa, G on siirtojohdon konduktanssi, ja $j\omega C$ on impedanssin kapasitiivinen osa. Normaaleilla siirtojohdoilla resistiiviset ja konduktiiviset ominaisuudet ovat huomattavasti pienemmät kuin induktiiviset ja kapasitiiviset ominaisuudet, jolloin yhtälö voidaan esittää muodossa

Z_{0}={\sqrt {\frac {L}{C}}}

.^[1]

Koaksiaalikaapelin kapasitanssi ja induktanssi määräytyvät pääasiassa kaapelin dimensioiden ja eristemateriaalin ominaisuuksien perusteella. Koaksiaalikaapelin ominaisimpedanssille pätee siis myös

Z_{0}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {\mu }{\epsilon }}}\ln \left({\frac {D}{d}}\right)

,

missä D on ulkovaipan sisähalkaisija, d on sisäjohtimen halkaisija, ln on luonnollinen logaritmi, $\mu$ on eristemateriaalin permeabiliteetti ja $\ \epsilon$ on eristemateriaalin permittiivisyys.^[2]

Oikein päätetyn koaksiaalikaapelin kumpaankin päähän kytkettävän laitteen impedanssin on oltava sama kuin koaksiaalikaapelin ominaisimpedanssi: muussa tapauksessa syntyy yleensä haitallisia vaimentavia seisovia aaltoja. Tästä syystä vanhanaikaisessa koaksiaalikaapelia käyttävässä ethernet -verkossa kaapeli päätettiin päätevastuksella.

Koaksiaalikaapelissa signaalin nopeus

v={\frac {1}{\sqrt {\mu \epsilon }}}={\frac {c}{\sqrt {\mu _{r}\epsilon _{r}}}}

,

jossa c on valonnopeus tyhjössä, $\mu _{r}$ on suhteellinen permeabiliteetti ja $\epsilon _{r}$ on suhteellinen permittiivisyys.^[1]

Koaksiaalista rakennetta käytetään paljon myös heikon pientaajuuksisen signaalin siirtämiseen (esimerkiksi mikrofonikaapeli). Tällöin putkimaisen ulkojohtimen maadoittaminen antaa signaalia siirtävälle keskijohtimelle hyvän häiriösuojauksen. Tällaisissa sovelluksissa ei kaapelin impedanssilla ole juuri merkitystä, vaan kaapeli kannattaa valita mekaanista kestävyyttä ja käyttömukavuutta silmällä pitäen.

Käytännön koaksiaalikaapelit

Kaupallisten koaksiaalikaapelien tavallisimmat impedanssit ovat 50 ja 75 ohmia. Edellisten lisäksi kaupallisesti on saatavilla muun muassa 93 ohmin kaapeleita. Kaapeleiden vaimennus kasvaa taajuuden funktiona.

Yleisiä koaksiaalikaapeleita
Kaapelityyppi	Ominais- impedanssi(Ω)	Keskijohdin Ø mm	Eriste		Kokonais- halkaisija (mm)	Vaippa	Vaimennus dB / 100 m		Kommentit	Lähde
Kaapelityyppi	Ominais- impedanssi(Ω)	Keskijohdin Ø mm	tyyppi	Ø mm	Kokonais- halkaisija (mm)	Vaippa	@400 MHz	@2400 MHz	Kommentit	Lähde
Aircell 5	50	1,08	PF	2,95	5,0	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	19,3	49,9	Radioamatöörit, LA- ja radiopuhelinten antennikaapelit, harrastuskäyttö	^[3]
Aircell 7	50	1,85 (19 x 0,37)	PF	5,0	7,3	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	13,2	35,6	Erittäin taipuisa mikroaaltokaapeli	^[4]
Aircom Plus	50				10,3	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	8,4		VHF-ja UHF-taajuuksille soveltuva kaapeli.	^[5]
Ecoflex 10 Standard	50	2,85 (7 x 1,0)	PF	7,25	10,2	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	8,4	23,6	WLAN, radioamatöörit, ammattikäyttö	^[6]
Ecoflex 10 Plus	50	2,85 (7 x 1,0)	PF	7,25	10,2	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	8,4	22,9	Kuparipinnoitetulla alumiiniytimellä	^[7]
Aircom Premium	50	2,75 (1 x 2,75)	PF	7,20	10,2	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	7,3	20,0	Vaativa ammattikäyttö, digitaaliyhteydet	^[8]
Ecoflex 10 Standard Heatex	50	2,85 (7 x 1,0)	PF	7,25	10,2	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	8,4	23,6	Kuten Ecoflex 10 Standard, mutta halogeenivapaa, palamattomalla kuorella	^[9]
Ecoflex 10 Plus Heatex	50	2,85 (7 x 1,0)	PF	7,25	10,2	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	8,4	22,9	Kuten Ecoflex 10 Plus, mutta halogeenivapaa, palamattomalla kuorella	^[10]
SeaTex 10	50	2,85 (7 x 1,0)	PF	7,25	10,2	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	8,4	23,6	Meriteollisuuteen, laivoihin, öljynporauslautoille. SHF 2, halogeeniton.	^[11]
Ecoflex 15 Standard	50	4,5 (7 x 1,55)	PF	11,3	14,6	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	5,9	16,3	WLAN, radioamatöörit, vaativa ammattikäyttö	^[12]
Ecoflex 15 Standard Heatex	50	4,5 (7 x 1,55)	PF	11,3	14,6	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	5,9	16,3	Paloturvallinen, julkisiin tiloihin	^[13]
Ecoflex 15 Plus	50	4,5 (7 x 1,55)	PF	11,3	14,6	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	5,3	14,9	Kuparipinnoitetulla alumiiniytimellä	^[14]
Ecoflex 15 Plus Heatex	50	4,5 (7 x 1,55)	PF	11,3	14,6	2, kuparifolio ja kuparipalmikko	5,3	14,9	Kuten Ecoflex 15 Plus, mutta halogeenivapaa, palamattomalla kuorella	^[15]
RFA78	50	9,3	PF	22,0	27,8	1, korrugoitu kupariputki	2,3	6,1	Vaativat tietoliikennesovellukset	^[16]
RG-213/U	50	2,25 (7 x 0,75)	PE	7,25	10,3	1, kuparipalmikko	14,5		Kohteet, joissa RF-ominaisuuksille ei aseteta suuria vaatimuksia	^[17]
RG-58/U	50	0,95 (19 x 0,18)	PE	2,95	5,0	1, tinapinnoitettu kuparipalmikko	36,0		Radioamatöörit, LA- ja radiopuhelinten antennikaapelit, harrastuskäyttö	^[17]
TELLU13	75	1,0	PF	4,8	7,0	2, kuparifolio ja kuparipalmikko			TV-, yhteisantenni- ja kaapeli-TV –verkon sisäkaapeli	^[18]
LMR 1700	50	13,39	PF	34,3	42,42	alumiinifolio, kuparipalmikko	2,1	4,9	vaativat tietoliikennesovellukset	^[19]

Eristekoodit

PE, polyeteeni
PF, polyeteenivaahto