CU. Elementarz krótkofalowca. Kable koncentryczne

Kabel koncentryczny to w krótkofalarstwie (i nie tylko) najpopularniejszy sposób zasilania anteny. Wykonana z takiego kabla linia transmisyjna pozwala doprowadzić nadawany sygnał do anteny oraz doprowadzić sygnał odebrany z anteny do odbiornika. Nie bez powodu linia zasilająca powinna być zawsze uważana za integralną część systemu antenowego.

Współczesny krótkofalowiec ma bardzo duży wybór kabli koncentrycznych, różniących się właściwościami fizycznymi, parametrami, zastosowaniami itd. Radioamatorów interesują przede wszystkim kable koncentryczne o impedancji falowej 50 Ohm – a to dlatego, że taka właśnie wartość impedancji falowej zapewnia dopasowanie do impedancji wyjściowej stopni wyjściowych transceiverów amatorskich.

Kable antenowe są opisywane różnymi parametrami i dość często zwracamy uwagę przede wszystkim na tłumienie. Należy pamiętać, że każdy kabel tłumi w pewnym stopniu sygnał. Inaczej mówiąc: w każdym kablu koncentrycznym występują straty. Tłumienie zależy jednak od wielu czynników: od średnicy i długości kabla, materiałów z jakich jest wykonany, od temperatury, jest także funkcją częstotliwości przesyłanego sygnału itd.

Zastosowanie

Kabel koncentryczny jest używany jako linia transmisyjna sygnałów o częstotliwościach radiowych. Jedną z zalet użycia kabla koncentrycznego w porównaniu do innych rodzajów linii transmisji radiowej jest to, że w przypadku idealnego kabla koncentrycznego pole elektromagnetyczne przenoszące sygnał istnieje tylko w przestrzeni między przewodem wewnętrznym i zewnętrznym. Dzięki tej właściwości kabel koncentryczny można stosować obok metalowych obiektów (takich jak np. rynny) bez strat mocy występujących w innych typach linii przesyłowych. Co więcej, kabel koncentryczny zapewnia ochronę sygnału przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi.

Budowa

Nazwa “koncentryczny” w pewnym stopniu wyjaśnia to, jak jest zbudowany taki kabel. Nazwa odnosi się do geometrycznego rozmieszczenia wewnętrznego przewodnika oraz zewnętrznej osłony. Co bardzo ważne: odstęp pomiędzy tymi warstwami to parametr, który decyduje m.in. o impedancji kabla.

Środkowa część kabla to przewód zwykle wykonany ze skręcanej linki miedzianej lub drutu miedzianego. Czasem środkowy przewód jest wykonany z innych materiałów. Środkowy przewód jest otoczony dielektrykiem wykonanym najczęściej z polietylenu (jednolitego lub spienionego). Wymiary dielektryka mają kluczowe znaczenie dla wartości impedancji falowej.

Wokół dielektryka znajduje się ekran (często potocznie określany terminem oplot) wykonany z oplotu miedzianego, a często oplotu wraz z warstwą folii metalowej dla polepszenia właściwości elektrycznych ekranu. Ekran stanowi ochronę przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi i wpływem elementów metalowych, które mogą znajdować się blisko kabla. W niektórych kablach żyła środkowa, a czasem także ekran są posrebrzane. 

Całość jest otoczona zewnętrzną izolacją. Na zewnętrznej powierzchni izolacji zwykle umieszczone (nadrukowane) są oznaczenia kabla, które pozwalają na identyfikację jego parametrów. Niektóre kable – zwykle przeznaczone do konstrukcji elektronicznych, nie wykorzystywane na zewnątrz – mogą nie posiadać zewnętrznej izolacji.

Kabel 75 Ohm z usuniętą zewnętrzną izolacją. Oplot miedziany. Wewnętrzny przewód w postaci wiązki drutów miedzianych
Kabel 50 Ohm z usuniętą zewnętrzną izolacją. W tej konstrukcji wykorzystano ekran z folii oraz oplot. Wewnętrzny przewód w postaci pojedynczego drutu miedzianego

Impedancja falowa

W krótkofalarskiej praktyce najczęściej wykorzystujemy kable koncentryczne o impedancji falowej 50 Ω. Wielu radioamatorów w swojej krótkofalarskiej historii wykorzystuje być może tylko takie koncentryki. Możemy się jednak także spotkać z kablami koncentrycznymi 75 Ω – odcinki takich kabli (stosunkowo krótkie) wykorzystywane są w układach dopasowujących niektórych anten. Kable o impedancji 75 Ω są natomiast powszechnie wykorzystywane w instalacjach telewizyjnych. 

Straty sygnału w kablu koncentrycznym

Straty (tłumienie) sygnału w kablu koncentrycznym to parametr określany w decybelach (dB). Najczęściej wartość tłumienia podawana jest dla odcinka 100 metrów kabla. Warto w tym miejscu zobrazować te parametry: 

  • Strata rzędu 5,5 dB oznacza, że tylko około 28% mocy dociera do anteny. 
  • Strata  4,5 dB oznacza, że 36% mocy dociera do anteny.
  • Strata 3 dB oznacza, że w linii zasilającej tracimy połowę mocy sygnału. 
  • Strata  2,4 dB oznacza, że 58% mocy dociera do anteny.
  • Strata 1,5 dB oznacza, że do anteny dociera 70% mocy.

W powyższych przykładach piszemy o mocy docierającej do anteny, ale oczywiście dotyczy to także sygnału dostarczanego z anteny do odbiornika.

Jedną z rzeczy, na które należy zwrócić uwagę jest częstotliwość, dla której podawane są wartości tłumienia kabla koncentrycznego. Okazuje się, że wartości tłumienia rosną wraz ze wzrostem częstotliwości. To oznacza, że im wyższych częstotliwości używamy, tym lepszej jakości powinny być wykorzystywane kable koncentryczne. Oczywiście generalnie najlepiej używać kabli jak najwyższej jakości, ale w praktyce jest to zwykle pewien kompromis pomiędzy przeznaczeniem i sposobem wykorzystania a kosztami.

Posłużmy się przykładem bardzo popularnego kabla koncentrycznego oznaczonego symbolem RG-58. Swoje powodzenie zawdzięcza przystępnej cenie, lekkości (jest to lekki kabel o małej średnicy) i łatwości zastosowania. Kabel RG-58, w zależności od producenta, ma zewnętrzną średnicę rzędu 5 – 6 mm: a więc jest cienki i elastyczny.

Przy temperaturze 20C, na odcinku 100m i na częstotliwości 50MHz straty kabla RG-58 wynoszą około 8,2 – 10,9 dB (w zależności od producenta parametry kabla RG-58 mogą się od siebie nieco różnić). Na częstotliwości 400 MHz straty mają wielkości rzędu 24 – 34 dB, a więc ponad 99%. Tłumienność jest mniejsza na niższych częstotliwościach i rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości.

Kiedy zatem warto zastosować kabel RG-58? Na pewno znajdzie zastosowanie przede wszystkim na falach krótkich (stosunkowo niskie straty), w stacjach pracujących małą mocą i sytuacjach, kiedy do anteny należy doprowadzić dość dużo kabla. W zabudowie wielorodzinnej taki kabel nie odróżnia się wyglądem od kabli telewizyjnych i nie zwraca na siebie uwagi. RG-58 może być także dobrym rozwiązaniem jako kabel wykorzystywany do organizacji polowej pracy stacji KF. Jest to także rozwiązanie najbardziej budżetowe.

Lepszym rozwiązaniem od RG-58 jest kabel o symbolu H155. Przy podobnej średnicy i takiej samej łatwości zastosowania kabel ten ma mniejsze straty. Jeśli więc pozwalają na to finanse, z pewnością warto wybrać H155 zamiast RG-58. 

RG-58H155RG-213H1000RG174CNT 400AVA-5-50
50MHz8,2 – 10,9 dB6,84,62,721,12,50,78
400MHz24 – 34 dB17,8159808,72,29
Średnica5 – 5,5 mm5 – 5,5 mm> 102,8 mm10,3 mm28 mm
Cena za 1 m [PLN]3 – 4,54 – 5,5010 – 1615 – 201,90 – 38 – 926 – 28

W tabeli pokazano najpopularniejsze wśród krótkofalowców typy kabli koncentrycznych z orientacyjnymi cenami według stanu na kwiecień 2022 roku. W praktyce ceny jednego modelu kabla mogą się znacznie różnić w zależności od jakości, producenta oraz od ilości (zwykle przy zakupie większej ilości kabla, np. 100m, cena za metr jest znacznie korzystniejsza niż przy zakupie krótszych odcinków). Znakomita tabela porównawcza kabli koncentrycznych znajduje się w dziale „What’s New” na stronie http://dd1us.de/.

Tłumienność kabla koncentrycznego zależy od wielu czynników. Jednym z ważniejszych jest jego średnica. Generalna zasada jest taka, że kable grubsze są lepsze (mają mniejsze straty). Widać to nawet na podstawie danych z powyższej tabeli.

Tłumienność zależy także od rodzaju zastosowanego dielektryka. Najczęściej jako dielektryk stosowany jest polietylen jednolity lub spieniony. Wysokiej jakości kable, szczególnie przeznaczone do przenoszenia dużych mocy, posiadają dielektryk teflonowy. W niektórych kablach dielektryk to tylko szereg wsporników, tworzących komory wypełnione powietrzem.

Budowa kabla koncentrycznego

Ekran (oplot)

Ekran kabla koncentrycznego najczęściej ma postać cylindrycznego oplotu z drutów miedzianych (czasem ocynowanych) często uzupełnionych folią miedzianą lub aluminiową. Czasem ekran składa się z kilku warstw oplotu, co znacznie podnosi jego zdolność izolowania od zewnętrznych zakłóceń. Oplot z drutów miedzianych jest ponadto rozwiązaniem dość elastycznym, dzięki czemu kable tego typu dają się dość łatwo układać, zaginać itd. 

Wysokiej jakości kable, jak np. wymieniony w tabeli AVA-5-50, posiadają ekran wykonany z karbowanej miedzi. Kable tego typu są grube i sztywne. Wiele stacji amatorskich (szczególnie contestowych i nastawionych na wysokie częstotliwości)  wykorzystuje tego rodzaju kable. Często w takich zastosowaniach sygnał jest doprowadzany takim niskostratnym kablem, a na końcu wykonane jest przejście na kabel o mniejszej średnicy, bardziej elastyczny, który jest np. podłączony do anteny kierunkowej.

Powłoka zewnętrzna

Zewnętrzna powłoka kabla (w niektórych kablach jej nie ma) ma przede wszystkim funkcję ochronną. Chroni przed uszkodzeniami, ale przede wszystkim przed wpływem warunków atmosferycznych. Należy pamiętać, że oploty wykonane z drutów miedzianych są mocno higroskopijne – łatwo chłoną wilgoć. Wilgoć z kolei powoduje korozję oplotu – w efekcie kabel koncentryczny traci swoje parametry. Ogólna zasada jest taka, że jeśli twój kabel “nabierze wody”, powinieneś go wyrzucić do kosza i zainstalować nowy koncentryk. Ta informacja to także wskazówka, aby przygotowując kabel (instalując wtyki, dołączając do anteny) zadbać o izolację połączeń od warunków atmosferycznych. Niektóre kable są dodatkowo wypełnione specjalnym żelem, zapobiegającym wchłanianiu wilgoci.

W niektórych kablach przeznaczonych do specjalistycznych zastosowań zewnętrzna powłoka oraz dielektryk są wykonane z materiałów o podwyższonej odporności na wysokie temperatury lub materiałów ogniotrwałych.

Jaki kabel koncentryczny wybrać

Nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Decyzja zależy od tego, jaki rodzaj krótkofalarstwa uprawiamy, jakie mamy możliwości lokalowe, w czym się specjalizujemy i wreszcie zależy od możliwości finansowych. Jak pokazuje zamieszczona powyżej tabela (w której wymieniono zaledwie kilka rodzajów), koszt 100 metrów kabla może stanowić równowartość średniej klasy fabrycznego transceivera. 

W rzeczywistości jest tak, że jeśli mamy możliwości finansowe i lokalowe oraz specjalizujemy się w jakiejś dziedzinie krótkofalarstwa, w pewnym momencie dochodzimy do etapu, kiedy zaczynamy zwracać uwagę na wszystkie detale. Często dochodzi do sytuacji, że postawienie kolejnej czy większej anteny nie jest możliwe, ale zwykle zawsze można zainstalować nowy koncentryk, aby “zyskać” kilka decybeli. Lepszy koncentryk oznacza, że nasza stacja staje się bardziej efektywna: my lepiej słyszymy i nas lepiej słychać (i to bez dokładania wzmacniacza czy wymiany radia).

W przypadku niewielkiej stacji, pracującej głównie mocą max. 100W często wykorzystujemy kable typu H155. Są one także bardzo popularne jako koncentryki wykorzystywane podczas wyjazdów, do organizacji pracy stacji polowych. Na falach krótkich tego rodzaju kable mają przyzwoite parametry.

Stosunkowo często wykorzystuje się także łączenia różnych rodzajów kabli koncentrycznych. Wspominany wielokrotnie w tym artykule kabel H1000 jest dość sztywny, nie wspominając już o kablach typu AVA-5-50 (które dodatkowo są dość ciężkie). Jeśli tego typu kable są wykorzystywane do zasilania anten kierunkowych, zwykle zasadniczy odcinek linii poprowadzony jest takim właśnie kablem, a samo zasilanie anteny wraz z odcinkiem luźnej pętli (niezbędnej do tego, aby anteną obracać) jest wykonane z kabla lżejszego i bardziej elastycznego, który jest dołączony do zasadniczej linii.

Budując instalację antenową z pewnością należy unikać kabli koncentrycznych typu “no-name” o niewiadomym pochodzeniu i trudnych do zweryfikowania parametrach. Możemy zaoszczędzić finansowo, ale ten zysk nie zrekompensuje strat, jakie poniesiemy od strony parametrów naszej stacji. Na szczęście na polskim rynku większość sklepów oferuje kable koncentryczne dobrej jakości, o weryfikowalnych parametrach. Należy pamiętać, że dobry kabel, prawidłowo zainstalowany i zabezpieczony to zwykle inwestycja na wiele lat.

Wszystkich, którzy by chcieli bardziej zgłębić temat zachęcam do lektury artykułu z Wikipedii na temat kabli koncentrycznych: https://pl.wikipedia.org/wiki/Kabel_koncentryczny.

Ponadto warto zapoznać się z bardzo obszernym, szczegółowym i merytorycznym  artykułem z portalu ElektroSystemy: https://elektrosystemy.pl/?p=11591. To duża dawka wiedzy.

Warto także zaglądać na wspomnianą w artykule stronę z tabelą porównawczą kabli koncentrycznych: http://dd1us.de/. (dział „What’s New”).

Skomentuj

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *