同軸ケーブルの仕組み: 構造、信号、製造

同軸ケーブルはどのように機能するか: 簡単な答え

同軸ケーブルは、誘電絶縁体で分離され、保護用の外側ジャケットで包まれた 2 本の同心導体 (固体の内部導体が管状の外部導体 (シールド) で囲まれたもの) を使用して電気信号を伝送します。この形状により信号がケーブル内に閉じ込められ、標準のツイストペア線や平行線と比較して電磁干渉 (EMI) と信号損失が大幅に減少します。このため、ファイバーやワイヤレスの代替手段が拡大しているにもかかわらず、RF 伝送、ブロードバンド インターネット、ケーブル テレビ、精密機器には同軸が依然として主要な選択肢となっています。

同軸ケーブルの各層には、特定の物理的および電気的目的があります。導体には電流が流れます。誘電体はインピーダンスと伝播速度を制御します。シールドはノイズをブロックします。ジャケットは機械的および環境的損傷から保護します。 いずれかの層を剥がすと、ケーブルは正しく機能しなくなります。 各層とそれらがどのように相互作用するかを理解すると、同軸エンジニアリングが見かけよりも要求が厳しい理由が説明されます。

同軸ケーブルの層ごとの物理構造

内部導体

中心導体は通常、単銅またはより線銅ですが、高周波または高強度の用途では銅張鋼板 (CCS) および銀メッキ銅が使用されます。直径は、0.5 mm 未満の小型 RF ケーブルから 10 mm を超える大型の CATV トランク ケーブルまであります。高周波では、電流が導体の表面近くを流れる（表皮効果と呼ばれる現象）ため、導体の表面品質と導電率が損失数値に直接影響します。銀メッキは表面の導電性を高めるため、マイクロ波グレードのケーブルに銀メッキがよく使用されます。

誘電絶縁体

内部導体と外部導体の間に挟まれた誘電体は、インピーダンスと伝播速度 (VoP) という 2 つの重要なパラメーターを制御します。一般的な誘電体材料には、固体ポリエチレン (PE)、発泡ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE)、および空隙設計が含まれます。 発泡 PE は誘電率を約 2.25 (固体 PE) から約 1.4 ～ 1.6 に下げます。 これにより、VoP が光速の約 66% から 78 ～ 85% に上昇し、同時に誘電損失が減少します。これは両方ともブロードバンドまたは長時間のアプリケーションにとって望ましいものです。温度安定性が重要な場合には PTFE が選択されます。 –65 °C ～ 200 °C の範囲で電気的特性を維持します。

誘電体層の厚さと均一性は、ケーブルの特性インピーダンスを直接設定します。わずかな偏心（内部導体の中心からずれた配置）でも、インピーダンスが変化し、反射が発生します。これが、ワイヤおよびケーブル押出機の精度が製造において非常に重要である理由です。クロスヘッド ダイは、マイクロメートル単位で測定される公差内で導体を中心に配置する必要があります。

外部導体（シールド）

シールドは 2 つの機能を同時に果たします。信号の戻り電流経路であり、外部ノイズがケーブルに結合するのを防ぐ電磁バリアです。一般的なシールド構造には次のものがあります。

• 固体アルミニウムまたは銅のチューブ — 硬線 CATV ケーブルで使用されます。ほぼ 100% のカバレッジ、非常に低い損失、剛性
• 編組シールド — 通常、光学カバー率は 85 ～ 98%。柔軟性、耐久性があり、RG-58、RG-6、RG-11で使用されています。
• フォイルブレードの組み合わせ — ホイルは 100% をカバーします。編組により機械的強度と DC 連続性が追加されます。衛星ケーブルやブロードバンドケーブルで一般的
• トライシールドとクアッドシールド — 高干渉環境向けの複数のフォイル層と編組層。シールド効果は 90 dB を超える場合があります

アウタージャケット

ジャケットは最も外側の保護層で、一般に PVC、ポリエチレン、LSZH (低煙ゼロハロゲン)、またはフッ素ポリマーで作られています。ジャケットの材質の選択は、設置環境によって決まります。PVC は経済的であり、屋内での使用には難燃性です。 PE と LLDPE は、屋外埋設用に耐紫外線性と耐湿性を備えています。 LSZHは、火災時の有毒ガスの排出が減少するため、公共スペースや交通インフラでの使用が義務付けられています。ジャケットは、シールドが完成した後、別の押出パスでワイヤおよびケーブル押出機によって適用されます。

特性インピーダンス: 50Ω と 75Ω が優勢な理由

特性インピーダンスは DC 抵抗ではなく、ケーブルの形状と絶縁体の誘電率によって完全に決まる周波数に依存しない特性です。式は次のとおりです。

Z₀ = (138 / √εr) × log₁₀(D/d)

ここで、εr は誘電体の比誘電率、D は外部導体の内径、d は内部導体の外径です。確立されたエンジニアリング上の理由から、2 つのインピーダンス値が同軸の世界を支配しています。

ポリエチレン誘電体を使用した同軸の理論上の最小損失インピーダンスは約 77 Ω です。これが、75Ω が放送業界の標準になった理由です。 50Ω の値は、最大電力処理 (最適値は約 30 Ω) と最小損失の間の妥協点であり、双方向 RF リンクにより適しています。電源、ケーブル、負荷間のインピーダンスの不整合は、信号反射、定在波、電力損失を引き起こします。問題は電圧定在波比 (VSWR) によって定量化されます。

ケーブル内の信号伝送機構

同軸ケーブルは、ほとんどの人が直感的に想像するような方法で信号を伝送するものではありません。水がパイプを流れるように、エネルギーは導体を通って流れません。代わりに、内部導体と外部導体の間の空間、つまり誘電体領域を電磁波として伝播します。導体は、波を導き、閉じ込める境界条件として機能します。この伝播モードは TEM (横電磁) モードと呼ばれ、電界成分と磁界成分の両方が進行方向に対して完全に横方向になります。

電界は内部導体 ( ) と外部導体 (–) の間で放射状に放射しますが、磁界は内部導体の周囲に同心円を形成します。フィールドはシールド内に完全に囲まれているため、シールドの完全性が維持されている限り、ケーブルは外部にエネルギーをほとんど放射せず、外部フィールドの影響をほとんど受けません。シールドの破損、コネクタの不良、またはケーブルのねじれにより、フィールドの形状が乱れ、ノイズや損失が発生します。

伝播速度と電気長

信号は、誘電体によって決まる真空中の光速の数分の一の速度で同軸ケーブルを通過します。固体 PE の VoP は約 66% です。フォーム PE はそれを 78 ～ 85% に高めます。 PTFE のエアスペース設計は 93 ～ 98% に達します。 固体 PE を使用した 10 メートルのケーブルの場合、一方向の信号遅延は約 50 ナノ秒です。 これは、制御された位相関係を実現するために、ケーブル長が特定の電気長 (信号波長の分数または倍数) に切断される高精度のタイミング、レーダー システム、およびフェーズド アレイ アンテナにおいて重要です。

減衰メカニズム

同軸ケーブルでの信号損失は、次の 3 つの主な原因によって発生します。

• 導体損失 — 内部導体とシールドの抵抗加熱。低周波で支配的であり、表皮効果により √f に比例します。
• 誘電損失 - 交流磁場がその分子構造にストレスを与えると、絶縁体によって吸収されるエネルギー。周波数とともに直線的に増加するため、マイクロ波周波数では PTFE や発泡 PE などの低損失誘電体が使用されます。
• 放射線損失 - シールドの欠陥による漏れ。適切に構成されたケーブルでは通常無視できますが、シールドが損傷している場合、または高次の伝播モードがケーブルのカットオフ周波数を超えて励起されている場合は重大です。

減衰は、特定の周波数における単位長さあたりの dB で指定されます。標準の RG-6 クワッド シールド ケーブルには、およそ 100 MHz で 2.0 dB/100 フィート、900 MHz で 6.5 dB/100 フィート 、周波数とともに損失がどのように大幅に増加するかを示しています。 LMR-400 のようなハイエンドの低損失ケーブルは、より大きな導体と発泡誘電体により 900 MHz の減衰を約 2.7 dB/100 フィートにカットします。

同軸ケーブルの製造方法: ケーブルの役割 ワイヤーおよびケーブル押出機

同軸ケーブルの製造は複数の段階からなるプロセスであり、各段階での寸法精度がケーブルの電気的性能を決定します。ワイヤおよびケーブル押出機は、誘電体絶縁と外側ジャケットの塗布という 2 つの最も重要なステップの中心となります。

内部導体 Drawing and Stranding

このプロセスは、一連のダイを通して銅棒を引き抜き、目標の導体直径に達することから始まります。許容差は厳しく、0.9 mm の導体を備えた 50Ω ケーブルの場合、±0.01 mm の偏差でもインピーダンスが著しく変化します。撚り線は、押出ラインの前に束ね機または撚り機を通過します。

誘電体押出成形

ここで、ワイヤおよびケーブル押出機が最も重要な機能を実行します。導体はクロスヘッド ダイを通して供給され、制御された圧力と温度の下で溶融 PE、発泡 PE、または PTFE コンパウンドがその周囲に塗布されます。誘電体の同心度、つまり導体が絶縁体の中心にどれだけ正確に配置されているかは、インピーダンスを仕様内に保つために、誘電体の壁の厚さの ±1 ～ 2% 以内に維持する必要があります。

発泡 PE ケーブルの場合、ガス (通常は窒素) が溶融ポリマーの流れに注入され、制御されたセル構造が作成されます。 発泡体の密度は誘電率を直接設定します したがって、ガス圧力、溶融温度、ライン速度を厳密に調整する必要があります。最新のケーブル押出機ラインでは、ダイの後でリアルタイムの静電容量測定が使用されています。単位長さあたりの静電容量を測定すると、絶縁体の直径と誘電率が即座に示され、押出機の制御システムへの自動フィードバックが可能になります。

押し出し成形後、絶縁導体は水冷トラフを通過して誘電体を固化させてから、キャタピラ引き取りユニットに到達します。小径同軸誘電体押出成形のライン速度は、導体のサイズと誘電体の厚さに応じて、通常、毎分 100 ～ 500 メートル以上の範囲になります。

シールド

誘電体が冷えて巻き取られた後、ケーブルはシールド線に送られます。ホイルシールドは、アルミニウムとポリエステルのラミネートテープを誘電体の上に縦方向または螺旋状に巻き付けることによって適用されます。編組シールドは、細い銅線または錫メッキ銅線を搭載した数十から数百のボビンを備えた編組機で適用されます。フォイルプラス編組構造を必要とするケーブルの場合、両方の操作を単一のマシンパスで組み合わせることができます。

ジャケット押出

最後の押出ステップでは、別のワイヤーおよびケーブル押出機 (通常はコンパウンドに応じて一軸または二軸押出機) を使用して外側ジャケットを貼り付けます。 PVC ジャケットラインは通常 50 ～ 150 m/min で稼働します。 PE および LSZH コンパウンドは、劣化を防ぐために押出機バレルに沿った慎重な温度プロファイリングが必要です。ジャケットの壁の厚さの均一性は、スパーク試験 (2 ～ 6 kV の高電圧導通試験) とインラインのレーザー直径ゲージによってチェックされます。完成したケーブルには、現場で識別できるように、タイプ指定、インピーダンス、定格電圧、および製造日が印刷されています。

一般的な同軸ケーブルの種類とその仕様

「RG」（ラジオガイド）という呼称は、もともとは米軍の仕様システムでした。最新のケーブルでは、多くの RG 指定がメーカー固有の部品番号に取って代わられていますが、従来の指定は依然として業界で広く認識されています。違いを理解すると、特定の用途に適したケーブルを選択するのに役立ちます。

コネクタと終端: ほとんどの問題が始まる場所

ケーブル自体は同軸リンクの一部にすぎません。コネクタは信号をケーブルから機器に伝達しますが、製造または取り付けが不十分な場合、信号損失、反射、障害の主な原因となります。コネクタは、その内部形状全体にわたってケーブルと同じ特性インピーダンスを維持する必要があります。不連続性があると反射が発生します。

一般的な同軸コネクタのタイプ

• BNC (銃剣ニール・コンセルマン) — 50 Ω、定格 ~4 GHz、1/4 回転バヨネット ロック。テスト機器、ビデオ、計測器の標準
• SMA (サブミニチュア バージョン A) — 50 Ω、定格 18 GHz、ネジ式。 RF モジュール、アンテナ、マイクロ波アセンブリで広く使用されています
• N型 — 50 Ω または 75 Ω、定格 11 ～ 18 GHz、耐候性。屋外アンテナや基地局装置に使用
• F型 — 75 Ω、最大 ~3 GHz。住宅用 CATV および衛星設備のいたるところに普及しています。ケーブル自体の中心導体がコネクタピンとして機能します
• PL-259(UHF) — 公称 50 Ω ですが、完全に一定のインピーダンスではありません。実際の定格は最大 300 MHz です。アマチュア無線ではよくあること

適切な終端処理を行うには、ケーブルを正確な寸法に剥がし、編組を潰さず、コネクタ界面での誘電体の同心性を維持し、嵌合時に正しいトルクを適用する必要があります。ケーブル TV 配信システムに 1 つの F コネクタが不適切に取り付けられていると、信号入力 (外部信号の漏洩) および信号出力 (ケーブル信号の漏洩) が発生し、ノード全体のパフォーマンスが低下する可能性があります。

同軸とその他の伝送メディア: いつ選択するか

同軸ケーブルはあらゆる用途に最適な選択肢ではありませんが、特定のシナリオでは明らかな利点が得られます。一般的な代替案と比較すると、どこに最適であるかが明確になります。

同軸対ツイストペア (Cat5e/Cat6/Cat8)

ツイスト ペアは、差動信号と厳しいツイスト レートに依存して EMI をキャンセルします。これは、同軸のシールド TEM モードとは根本的に異なるアプローチです。ツイスト ペアは、安価で軽量で終端が簡単なため、構造化イーサネット ケーブルの主流となっています。ただし、数百 MHz を超える RF 周波数や高干渉環境では同軸に適合できません。 Cat8 は 40 Gbps をサポートしますが、2 GHz では 30 メートル以上の動作のみをサポートします ;適切に取り付けられた RG-6 同軸ケーブルは、はるかに簡単な増幅で、はるかに長い距離にわたって 3 GHz までの広帯域信号を処理します。

同軸と光ファイバー

ファイバーは本質的に電磁干渉感受性がゼロで、長距離にわたってはるかに低い減衰 (シングルモードでは約 0.2 dB/km であるのに対し、マイクロ波周波数では同軸では 40 ～ 100 dB/km)、銅線をはるかに上回る帯域幅容量を提供します。トレードオフとしては、トランシーバー電子機器のコスト、脆弱性、信号とともに DC 電力を伝送できないことが挙げられます。同軸は、短い RF リンク、アンテナ給電線、および 1 本のケーブルで電力信号を必要とするアプリケーション (例: ファントム電源供給マイク、同軸経由で給電されるアクティブ衛星 LNB) に依然として好まれています。

同軸と導波管の比較

約 18 GHz を超える周波数では、同軸損失が法外に大きくなり、電磁波を運ぶ中空の金属パイプである導波管の減衰ははるかに低くなります。導波管には内部導体がないため、中心での導体の損失はありません。その硬質な構造と周波数選択性の性質 (導波管はカットオフ周波数を超える信号のみを通過させます) により、広帯域または柔軟な設置には適していません。柔軟性と接続性が必要な場合は、18 GHz 未満では同軸が主流です。

同軸ケーブル製造における品質管理

同軸ケーブル製造には精度が要求されるため、品質管理は最終的なバッチ検査ではなく、継続的なインラインプロセスになります。同軸製造用のワイヤおよびケーブル押出機ラインは通常、複数の測定システムを同時に統合します。

• レーザー直径ゲージ — 誘電体 OD の非接触測定、通常は ±0.001 mm の精度。冷却トラフの直後に配置
• 静電容量モニター — 単位長さあたりの静電容量を測定します。これは、誘電体の壁の厚さと誘電率に相関します。偏差によりライン速度または押出機の RPM が自動補正されます。
• 偏心スキャナ — X線または超音波スキャナーにより、誘電体内の内部導体の同心度をリアルタイムでチェックします
• スパークテスター — 誘電体全体に 2 ～ 10 kV DC または AC を印加して、使用中に絶縁不良を引き起こす可能性のあるピンホールまたは薄いスポットを検出します。
• ケーブル TDR テストの完了 — 時間領域反射率測定は、回線にパルスを送信し、反射を分析することにより、完成したケーブルに沿ったインピーダンスの不連続性を特定します。

放送グレードの CATV ケーブルのインピーダンス均一性仕様は、通常、ケーブル全長にわたって ±2 Ω です。 、5 ～ 1000 MHz 帯域で 23 ～ 30 dB の構造リターン ロス (SRL) 要件があります。 200 m/分を超える生産速度でこれらの数値を一貫して達成するには、極めて正確な金型設計、材料の一貫性、および閉ループのプロセス制御が必要です。これらはすべて、ワイヤおよびケーブル押出機とその関連測定システムの性能を中心としています。

同軸ケーブルが実際にどのように機能するかを示す実際のアプリケーション

ケーブルテレビ（CATV）配信

CATV ヘッドエンドは信号を受信し、ハイブリッド光同軸 (HFC) ネットワーク上に信号を配信します。ファイバーはヘッドエンドから近隣ノードまで信号を伝送します。 RG-11 または硬線同軸は、ノードからタップ (通常は 500 メートル以内) まで伝送します。 RG-6 ドロップは蛇口から各家庭に接続します。各セグメントはアンプを使用してケーブルの減衰を克服し、最高のキャリア周波数 (通常、DOCSIS 3.1 システムでは 1 GHz 以上) でのケーブルの損失に基づいて間隔を設定します。

携帯電話基地局

BTS 無線ユニットと塔頂部のアンテナ間のフィーダー ケーブルは、ほとんどの場合同軸であり、柔軟な波形の同軸か硬質の硬線のいずれかです。 900 MHz で 30 メートルの LMR-400 を実行すると、約 0.8 dB 損失します。 2.1 GHz (3G UMTS) では、同じ実行で約 1.3 dB 損失します。フィーダ損失が 1 dB ごとに実効放射電力を直接減少させるため、タワーの最上部に無線ユニットを取り付け、ファイバでベースバンド ユニットに接続するリモート ラジオ ヘッド (RRH) 設置が主流になっています。これにより、フィーダ損失が完全に排除されます。

医療および産業用計器

超音波トランスデューサ、MRI シグナル チェーン、および産業用レーダー レベル ゲージはすべて、放送システムと同じ理由、つまりシールドの完全性と制御されたインピーダンスのために同軸接続に依存しています。超音波では、同軸は最小限の歪みで圧電トランスデューサとの間で MHz 範囲のパルスを伝送します。誘電体材料と導体材料は場合によっては生体適合性が必要であり、ケーブルは滅菌サイクルに耐える必要があります。この要件により、専用のワイヤおよびケーブル押出機ラインで製造される特殊フッ素ポリマー誘電体の設計を推進することになります。

GPS および衛星受信機

GPS は 1575.42 MHz (L1) および 1227.60 MHz (L2) で動作します。アクティブ GPS アンテナから受信機までの同軸配線は、アンテナの内蔵 LNA に RF 信号と DC 電力の両方を同じケーブル上で供給します。ケーブル損失は信号対雑音比を直接的に低下させます。 1.5 GHz で 10 メートルの RG-6 を実行すると、約 1.0 dB の損失が発生します。 — 管理可能; 50 メートルの走行ではほぼ 5 dB を消費します。これは通常、標準のアクティブ アンテナの LNA ゲインを超え、インラインで電力を供給される信号ブースターが必要になります。

同軸ケーブルの仕組みに関するよくある質問

同軸ケーブルはなぜこれほど優れた EMI 除去性能を備えているのでしょうか?

信号を運ぶ電磁場が内部導体と外部導体の間に完全に囲まれているためです。外部磁場は連続シールドを貫通できません。外部磁場はシールドの外面に電流を誘導しますが、それらの電流は内部磁場には影響しません。逆も同様です。ケーブルの内部信号フィールドは外部に放射されず、他のシステムとの干渉が防止されます。この「同軸の対称性」が、RF 環境において同軸がオープンワイヤやツイストペアよりも優れたパフォーマンスを発揮する根本的な理由です。

間違ったインピーダンスのケーブルを使用するとどうなりますか?

50 Ω システムで 75 Ω ケーブルを使用すると、インピーダンスの不整合が生じます。信号パワーの一部は、入力と出力の各遷移でソースに向かって反射されます。反射波と入射波が組み合わされてケーブル上に定在波が形成されます。これは、信号の振幅が一定ではなく、ケーブル長に沿って変化することを意味します。 1.5:1 の VSWR (50/75 Ω 接合からの適度な不整合) は、約 4% の反射電力を表します。高出力 RF 送信機では、過剰な反射電力により最終段のアンプが損傷する可能性があります。精密測定では、測定信号に誤差が生じます。

同軸経由で電力と信号を同時に供給できますか?

はい。これは、Power over Coax (PoC)、または衛星の文脈では LNB 給電と呼ばれます。 DC 電圧 (衛星 LNB では通常 13 V または 18 V、CCTV では異なる) が RF 信号とともに内部導体に重畳されます。バイアス ティー (単純なインダクタとコンデンサのネットワーク) は、両端で DC パスと RF パスを分離し、機器が RF 信号に影響を与えることなく DC を抽出または注入できるようにします。電流定格は導体のサイズとコネクタの接点定格によって制限され、一般に標準同軸の場合は数百ミリアンペアです。

同軸ケーブルが処理できる最大周波数は何によって制限されますか?

周波数の上限は 2 つの要素によって設定されます。まず、減衰は周波数とともに増大し、最終的にはケーブルが実用的でなくなります。第二に、そしてより基本的なことですが、信号の波長がケーブルの横方向の寸法と同等になると、TEM モードに加えて高次の伝播モード (TE および TM モード) が励起される可能性があります。これらのモードは異なる速度で伝わるため、信号の歪みや放射漏れが発生します。最初の高次モードのカットオフ周波数は約 f_c = 7.52 / (D d) GHz (寸法はcm単位)。標準の RG-58 は約 11 GHz をカットします。 UT-047 のような直径の小さいケーブルは 65 GHz を超えることができます。

曲げは同軸ケーブルの性能にどのような影響を与えますか?

同軸ケーブルを最小曲げ半径未満で曲げると、誘電体が歪み、内部導体が中心からずれ、外部導体が永久に変形する可能性があります。これらすべてが局所インピーダンスを変化させ、信号反射を増加させます。メーカーは、通常、固定設置の場合はケーブルの外径の 10 ～ 20 倍、繰り返しの屈曲用途の場合は 6 ～ 10 倍に等しい最小曲げ半径を指定しています。鋭いねじれは永久的な損傷を与えます。 10 GHz を超える高周波アプリケーションでは、セミリジッド ケーブルの緩やかな曲がりも、アセンブリの電気的性能に考慮する必要があります。