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同軸ケーブルは、19 世紀後半の誕生以来、高周波信号の伝送の基礎となってきました。これらのケーブルは、誘電体絶縁体で分離された同心円状の導体という独特の構造で知られ、通信から放送に至るまでのさまざまな用途で極めて重要です。信号伝送を最適化し、干渉を最小限に抑えることを目指す専門家にとって、さまざまな種類の同軸ケーブルを理解することは不可欠です。この包括的な分析では、3 つの主要なタイプのを掘り下げ 同軸ケーブル、その構造、用途、およびその性能を支配する基本原理を調査します。
同軸ケーブルの進化は、1880 年のオリバー ヘビサイドの先駆的な研究にまで遡ることができます。ヘビサイドの英国特許では、平行ケーブル間の信号干渉を排除するための同軸設計の使用が概説されており、これは電気工学における重要な進歩です。彼の洞察は現代の伝送路の基礎を築き、長距離にわたる効率的で信頼性の高い通信を可能にしました。同軸ケーブルの最初の実用的な用途は、初期の大西洋横断電信ケーブルで現れ、最小限の損失で信号を伝送する能力を実証しました。
同軸ケーブル技術の中核は、ケーブルの構造内に電磁場を閉じ込める原理です。内部導体は信号を伝送し、外部導体またはシールドは接地基準および外部電磁干渉に対するバリアとして機能します。これらの導体間の誘電体絶縁体は一定の間隔を維持し、ケーブルの特性インピーダンスを決定します。この設計により、低減衰で効率的な信号伝送が保証されます。
同軸ケーブルの電気的特性を理解することは、特定の用途に適切なタイプを選択するために重要です。主要なパラメータは次のとおりです。
特性インピーダンス (Z 0) : 内側と外側の導体の直径と絶縁体の誘電率の比によって決まります。一般的なインピーダンスは 50 Ω と 75 Ω です。
減衰: 導体抵抗と誘電損失の影響を受ける、単位長さあたりのデシベルで測定される信号強度の損失。
電圧処理: 最大電圧容量はケーブルの絶縁耐力と寸法によって決まります。
周波数応答: 大きな損失や歪みを生じることなく、さまざまな周波数にわたって効果的に信号を送信する能力。
同軸ケーブルは、特定のニーズや環境に応じてさまざまなタイプに多様化されています。主なタイプは次の 3 つです。
硬質同軸ケーブル
セミリジッド同軸ケーブル
フレキシブル同軸ケーブル
硬質同軸ケーブルは、ディスク絶縁体で分離された固体の内部導体と外部導体で構成されています。外部導体は通常、滑らかなまたは波形の銅管で、優れたシールドと最小限の信号損失を提供します。これらのケーブルは、柔軟性が要求されない常設設置用に設計されています。これらは、高電力伝送線路、アンテナフィーダ、および放送施設で一般的に使用されます。
内部導体は通常、その高い導電性のために選ばれた固体の銅棒です。誘電絶縁体は、スペーサーを備えた空気、またはポリエチレンやテフロンなどの固体材料にすることができます。外部導体の剛性により、一貫した特性インピーダンスを維持し、反射を最小限に抑えるために不可欠な正確な導体間隔が保証されます。
剛性同軸ケーブルは、低減衰で高電力処理能力があるため、次のような用途での信号伝送に最適です。
放送送信機
携帯電話基地局
衛星通信システム
セミリジッド同軸ケーブルは、PTFE (テフロン) 製の誘電体と固体の内部導体を備えた固体金属の外部導体 (通常は銅) を備えています。これらのケーブルは、パフォーマンスと柔軟性のバランスを提供し、最大 50 GHz の高周波アプリケーションで正確で安定したパフォーマンスを実現します。
金属製の外側シースは優れたシールド効果を発揮し、電磁干渉と信号漏洩を軽減します。 PTFE 誘電体により低損失と高い熱安定性が確保され、これらのケーブルは要求の厳しい環境に適しています。
セミリジッド同軸ケーブルは一般的に次の用途に使用されます。
軍事および航空宇宙システム
マイクロ波回路
高周波試験装置
柔軟な同軸ケーブルは、編組金属シールドと柔軟な誘電体材料によって特徴付けられます。内部導体は、柔軟性を高めるために単線または撚り線にすることができます。これらのケーブルは、移動や頻繁な曲げが必要な用途で広く使用されています。
編組シールドは通常銅またはアルミニウムで作られており、電気特性に大きな影響を与えることなくケーブルを曲げることができます。発泡ポリエチレンなどの誘電体材料は、低損失特性を維持しながらケーブルの重量を軽減し、柔軟性を向上させます。
柔軟な同軸ケーブルは次の分野で広く使用されています。
家庭用電化製品 (テレビ、ビデオデッキ)
データ通信ネットワーク（イーサネットケーブル）
移動無線通信
3 種類の同軸ケーブルを比較するには、電気的および機械的特性を分析して、特定の用途への適合性を判断する必要があります。
硬質同軸ケーブルは、固体導体と最小限の誘電損失により、減衰が最も低くなります。セミリジッド ケーブルは、減衰がわずかに高くなりますが、高周波で優れた性能を維持します。フレキシブル ケーブルは減衰が大きいため、増幅なしの長距離高周波伝送にはあまり適していません。
| ケーブルの種類 | 減衰量 (dB/100m at 1GHz) | 最大周波数 (GHz) |
| 硬い | 5.0 | 10 |
| 半硬質 | 6.5 | 50 |
| フレキシブル | 10.0 | 3 |
高電力アプリケーションでは電力処理能力が重要です。リジッド ケーブルは、より大きな導体サイズと空気誘電体により優れており、絶縁破壊が発生する前により高いピーク電圧を可能にします。セミリジッド ケーブルは適度な電力処理を備えていますが、フレキシブル ケーブルは導体サイズが小さく、誘電体が固体であるため制限があります。
信号の漏洩を防ぎ、干渉を最小限に抑えるには、シールド効果が不可欠です。リジッドおよびセミリジッド ケーブルは、外部導体が固体であるため、優れたシールドを提供します。フレキシブル ケーブルは編組シールドに隙間があるためシールド効果が低くなりますが、複数層の設計 (クワッド シールド ケーブルなど) では性能を向上させることができます。
適切な同軸ケーブルを選択するには、電気的性能と柔軟性、重量、耐環境性などの機械的要件のバランスを考慮する必要があります。
屋外または過酷な環境で使用されるケーブルは、紫外線、湿気、極端な温度に耐える必要があります。このような条件には、保護ジャケット付きの硬質ケーブルが適しています。埋設用に設計された柔軟なケーブルには、湿気の侵入を防ぐための防水ゲルが含まれています。
ロボット工学やポータブル機器など、頻繁に移動する必要があるアプリケーションには、柔軟なケーブルが必要です。トレードオフは、減衰が大きくなり、シールド効果が低下することです。アプリケーションの機械的要求を理解することで、ケーブルの寿命と信頼性が保証されます。
同軸ケーブル設計の革新は、高周波通信システムの進化するニーズに応え続けています。
先進的な誘電体材料の研究は、信号の減衰を減らすことを目的としています。発泡誘電体と人工ポリマーは誘電率を低くすることで、ケーブルが損失を低減しながら高周波で効率的に動作できるようにします。
箔と編組を組み合わせた二重または四重シールドなどの強化されたシールドにより、電磁適合性 (EMC) が向上します。これらの進歩は、高レベルの電磁干渉のある環境では非常に重要であり、信号の完全性を確保します。
同軸ケーブルの 3 つの主要なタイプ (リジッド、セミリジッド、フレキシブル) を理解することは、信号伝送に携わるエンジニアや技術者にとって不可欠です。各タイプには明確な利点があり、特定の用途に適しています。電気的特性、環境条件、機械的要件に基づいて適切なケーブルを選択することで、専門家はシステムのパフォーマンスと信頼性を最適化できます。同軸ケーブル技術の継続的な進歩により、高速、高周波通信システムに対する増え続ける需要がサポートされ続けています。
さまざまなのアプリケーションと機能についてさらに洞察を得るには 同軸ケーブル、継続的な研究と新しいテクノロジーの探索が推奨されます。
1. リジッド、セミリジッド、フレキシブル同軸ケーブルの主な違いは何ですか?
硬質同軸ケーブルは固体の外部導体を備えており、柔軟性に欠けるため固定設備で使用されます。セミリジッド ケーブルは固体金属の外側シースを備えていますが、曲げ能力は限られており、精密な用途に適しています。フレキシブル ケーブルには編組シールドが付いているため、大幅な柔軟性が得られますが、信号損失がわずかに高く、シールド効果は低くなります。
2. 誘電体材料は同軸ケーブルの性能にどのような影響を与えますか?
誘電体材料は、ケーブルの静電容量、特性インピーダンス、減衰に影響を与えます。発泡ポリエチレンなどの誘電率が低い材料は信号損失を減らし、より高い周波数の伝送を可能にします。誘電体の選択は、ケーブルの電圧処理と熱特性にも影響します。
3. 同軸ケーブルにおいてシールド効果が重要なのはなぜですか?
シールド効果は、外部の電磁干渉による信号への影響を防ぎ、信号漏洩を最小限に抑えるケーブルの能力を決定します。高いシールド効果は、重大な電磁ノイズのある環境や、軍事や航空宇宙用途などの信号の完全性が最も重要な環境では非常に重要です。
4. 可撓性同軸ケーブルは高周波用途に使用できますか?
可撓同軸ケーブルは、高周波では減衰が大きく、特性インピーダンスが不安定になるため、一般に低周波用途に限定されます。数 GHz を超える高周波アプリケーションの場合は、優れた性能を備えたセミリジッドまたはリジッド同軸ケーブルが推奨されます。
5. 環境要因は同軸ケーブルの選択にどのような影響を与えますか?
極端な温度、湿気、紫外線暴露、機械的ストレスなどの環境要因により、時間の経過とともにケーブルの性能が低下する可能性があります。適切なジャケット、保護コーティング、およびこれらの要因に耐性のある材料を備えたケーブルを選択することで、特定の環境における長期的な信頼性とパフォーマンスが保証されます。
6. 同軸ケーブル用途において特性インピーダンスはどのような役割を果たしますか?
特性インピーダンスは、反射を最小限に抑え、ケーブルと接続された機器間の電力伝送を最大化するためのインピーダンス整合の基本です。一般的なインピーダンス値は、RF アプリケーションでは 50 Ω、ビデオおよびケーブル テレビでは 75 Ω で、電力処理と信号減衰の最適化に基づいて選択されます。
7. 同軸ケーブル技術の進歩は現代の通信需要に追いついていますか?
はい、材料科学とケーブル設計に関する継続的な研究により、同軸ケーブルの性能が向上し続けています。高度な誘電体、改良されたシールド技術、特殊な構造などの革新により、同軸ケーブルは、現代の通信システムにおけるより高い周波数、より高いデータレート、強化された信号完全性に対する高まる要件を満たすことができます。
