同軸ケーブル選択ガイド: インピーダンス、減衰、コネクタのマッチング方法

ある現場技術者は、新しい基地局の設置のために RG-58 ケーブルのバッチを注文したことがありますが、試運転中に 50 オームのケーブルが正しいことを発見しましたが、2.4 GHz での減衰は 1 メートルあたりほぼ 0.8 dB でした。リンクバジェットが崩壊しました。同軸ケーブルの選択をインピーダンスとコネクタの種類だけに焦点を当てた場合、この種の間違いはよくあります。実際の選択プロセスには、減衰と柔軟性、シールドの適用範囲と曲げ半径、誘電体の種類とコストといった一連のトレードオフが関係します。このガイドでは、実際に重要なパフォーマンス パラメータについて説明し、一般的なケーブル ファミリ間の違いを説明し、ケーブルをどのように使用するかを示します。 SMAコネクタ または、N タイプ インターフェイスは、機器のポートだけでなく、選択したケーブルにも適合する必要があります。

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基本的な構造から始める：実際に何を選択するか

同軸ケーブルには、内部導体、誘電絶縁体、シールド、外部ジャケットの 4 つの同心円層があります。各層は電気的性能に異なる影響を与えます。内部導体には、純銅、銅被覆鋼、またはより線銅を使用できます。固体導体は DC 抵抗が低く、位相安定性が優れています。撚り線導体は柔軟性を提供しますが、挿入損失が増加します。誘電体は固体ポリエチレン (PE)、発泡 PE、またはポリテトラフルオロエチレン (PTFE) である必要があります。発泡誘電体は空気を閉じ込めて誘電率と減衰を低減するため、低損失ケーブルのデフォルトとなっています。 PTFE は高温に対応しますが、発泡 PE よりもコストが高く、損失もわずかに高くなります。シールドは、単一編組、二重編組、またはフォイルと編組の組み合わせにすることができます。シールド効果は外部干渉からの分離の dB で測定され、二重シールド ケーブルは通常、単一編組ケーブルよりも 10 ～ 20 dB 優れた遮蔽性を実現します。

インピーダンス: 50 オームと 75 オームの決定

インピーダンスはケーブル選択における最初のフィルターです。 RF 業界標準は、送信機、受信機、アンテナ、およびテスト機器の 50 オームです。これは、最小の減衰と最大の電力処理の間の妥協点を表します。ビデオおよび放送システムでは 75 オームが使用されます。これは、誘電体の外径が固定されている場合、このインピーダンスにより高周波での減衰が少なくなるからです。ほとんどの選択ガイドでは、これを「RF の場合は 50、ビデオの場合は 75」と単純化していますが、重要なニュアンスがあります。 50 オームのシステムで 75 オームのケーブルを使用すると、電圧定在波比が約 1.5:1 に上昇し、電力の約 4 パーセントが反射されます。敏感な受信機入力の場合、その反射は許容される可能性があります。送信機出力の場合、最終増幅段が過熱する可能性があります。疑わしい場合は、ケーブルのインピーダンスをシステムのインピーダンスに一致させ、不一致が意図的かつ計算されたものでない限り、インピーダンス整合アダプターの使用を避けてください。

周波数範囲と誘電損失の役割

すべての同軸ケーブルには使用可能な周波数上限があります。その天井を超えると、誘電体は損失が大きくなり、ケーブルは伝送線というよりも導波管のように動作し始めます。固体 PTFE と固体外部導体を備えたセミリジッド ケーブルは、小さな直径で 40 GHz 以上に達します。編組シールドと発泡 PE 誘電体を備えたフレキシブル ケーブルは、特殊な低損失材料を使用しない限り、通常 6 GHz 未満に留まります。誘電率によって速度係数が決まります。固体 PE の速度係数は約 0.66、発泡 PE の速度係数は約 0.80 ～ 0.88、空隙設計の速度係数は最大 0.96 です。速度係数が高いほど、電気的遅延が短くなり、同じ周波数でのメートル当たりの損失が小さくなります。 3.5 GHz での 3 メートルのケーブルの場合、発泡 PE 誘電体と固体 PE の損失の差は 0.4 ～ 0.6 dB になる可能性があり、これは固定リンク バジェットのマージンに影響を与えるには十分です。

減衰：スペックシートの見方

減衰は通常、特定の周波数で 100 メートルあたりの dB で指定され、曲線は周波数との近似平方根の関係に従います。同じ構造を仮定すると、1 GHz で 10 dB 損失のケーブルは、5 GHz で約 22 dB 損失を示します。つまり、周波数が特定されない限り、「平均損失」の数値は意味を持ちません。ケーブルを比較する簡単な方法は、ターゲット帯域に応じて 2.4 GHz または 5 GHz での 100 メートルあたりの減衰を調べることです。たとえば、RG-58 は 2.4 GHz で 100 メートルあたり約 25 dB、LMR-400 は 2.4 GHz で 100 メートルあたり約 4 dB、1/2 インチ波形ケーブルは約 2 dB を示します。トレードオフは厚さと曲げ半径です。損失が低いケーブルは物理的に大きくなり、それほどきつく曲げることはできません。ケーブルの配線を計画するときは、1 メートルあたりの減衰に長さを乗算し、コネクタの損失を加えて総損失を計算します。すべてのコネクタ ペアは平均して 0.1 ～ 0.3 dB の損失を追加するため、4 つのコネクタ ペアを使用した実行では、ケーブル自体がカウントされる前に 0.8 ～ 1.2 dB の損失が発生します。

一般的な同軸ケーブルの種類: あなたの配線に適したものはどれですか?

RG 指定システムは、ほとんどのエンジニアが認識しているよりも古いものであり、メーカー間の一貫性を保証するものではありません。そうは言っても、一般的な RG タイプは、サイジングとパフォーマンスの期待を短縮するのに依然として役立ちます。

セミリジッドおよび超低損失アセンブリ

セミリジッド ケーブルは、固体銅の外部導体と固体 PTFE 誘電体を使用します。一度曲げて形を整えると動かないため、軍用レーダー給電ネットワークなどの位相が重要な用途に最適です。トレードオフは、曲げには特別な工具が必要であり、ケーブルを何度も曲げ直すことができないことです。低損失とフィールドの柔軟性の両方を必要とするアプリケーション向けに、メーカーは現在、 超低損失フレキシブルケーブルアセンブリ 低密度 PTFE 誘電体を備えた波形または編組の外部導体を使用します。これらのケーブルは、コネクタ界面での繰り返しの屈曲に耐えながら、ほぼ半剛性の損失値を達成します。

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シールド: 密な環境では一次効果となる二次効果

ほとんどのデータシートでは、シールド効果は単一周波数の数値として記載されていません。標準的な方法では、周波数範囲にわたる伝達インピーダンスをテストします。優れた編組シールドの伝達インピーダンスは、100 MHz 未満では 1 メートルあたり 1 ～ 5 ミリオームで、1 GHz では 1 メートルあたり 50 ～ 200 ミリオームに上昇します。フォイルと編組の組み合わせにより、転送インピーダンスを 1 メートルあたり 5 ミリオーム未満、最大数ギガヘルツまで維持できます。複数の送信機が数十ワットの出力で動作する混雑した無線室内では、シールドが不十分なケーブルが意図しないアンテナとして機能します。その結果、受信機の感度が低下し、相互変調積が生じ、低周波回路での音声ノイズが発生します。シールドの経験則: ケーブルが屋外、他のケーブルと平行、または高出力無線から 1 メートル以内にある場合は、二重シールド タイプを選択し、シールド被覆率を確認します (高品質ケーブルの編組シールドは 90 ～ 97 パーセントです)。

コネクタ: ケーブルの勝敗を決めるポイント

ケーブルの品質はコネクタによって決まります。アン N型コネクタ 最大 11 GHz (一部の高精度バージョンは 18 GHz) まで処理し、ケーブルにクランプまたは圧着したときに耐候性を提供します。 SMA コネクタは物理的に小さく、18 GHz (一部のバリエーションでは 27 GHz) まで動作しますが、正確なセンター ピンの位置合わせと 0.56 N·m のトルク レンチが必要です。手で締めすぎると誘電体に亀裂が入り、断続的なショートが発生する可能性があります。コネクタを選択するときは、ケーブルとコネクタの接合部で何が起こるかを考慮してください。

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• 圧着コネクタ: 高速で再現性があり、特定のケーブル直径に合わせて調整された圧着工具が必要です。
• クランプコネクタ: 圧縮リングでケーブルジャケットを保持し、直径のわずかな変動を許容します。
• はんだ付けタイプのコネクタ: 最良の電気接触が得られますが、組み立てに時間がかかり、誘電体が過熱する危険があります。

既製のケーブル アセンブリを注文する場合、取り付け方法はメーカーの責任となりますが、仕様書にはケーブル タイプ、コネクタのトルク、および動作周波数範囲でテストされた VSWR が記載されている必要があります。 SMA のような小型コネクタの VSWR が 1.5:1 を超える場合、最新の RF 設計では危険信号です。ほとんどの高精度アセンブリは VSWR が 1.3:1 未満に保たれます。

柔軟性、曲げ半径、設置性

データシートには通常、1 回の取り付けの場合は最小曲げ半径が記載されており、繰り返し曲げる場合はそれより大きな半径が記載されています。最小曲げ半径を超えると、シールドが圧縮され、特定の周波数で VSWR スパイクとして現れる局所的なインピーダンス バンプが発生する可能性があります。恒久的な設置の場合、安全マージンとして記載されている曲げ半径の少なくとも 2 ～ 3 倍を残すことがルールです。動作中にケーブルを屈曲させる必要がある場合は、より線中心導体ケーブルを選択し、サイクル単位で屈曲寿命を確認してください。多くの低損失フレキシブル ケーブルは、曲げ半径が仕様の範囲内であれば、1,000 ～ 5,000 回の屈曲サイクルに耐えます。セミリジッド ケーブルは、わずか数サイクルで亀裂が生じる可能性があります。

雨、気温、紫外線への曝露

屋外ケーブルにはプラスチック製のジャケット以上のものが必要です。外側のジャケットは、UV 安定化ポリエチレンまたは同様の耐候性素材である必要があります。 PVC ジャケットは安価ですが、長時間日光に当たると亀裂が入り、氷点下では硬化します。ケーブルが屋外の壁を通過する場合は、ドリップループを使用し、ケーブルの入り口を耐候性パテで密閉します。そうしないと、水が編組に沿って移動し、シールドが腐食します。誘電体の温度定格も考慮してください。標準PEは-40℃まで使用可能ですが、ジャケットは脆くなります。 PTFE ケーブルは最大 200°C まで耐えられるため、高温のアンプ コンポーネントの近くの高出力送信回路に使用されます。屋内セクションと屋外セクションが混在する設置の場合、フォイルと編組シールドの上にポリオレフィン ジャケットまたは PE ジャケットを備えたケーブルが安全な中間点となります。

データの視覚化: 数値を一目で比較

物理は視覚化するとより明確になります。次のグラフは、説明したケーブル ファミリの一般的なパフォーマンスを比較しています。値は公開されているデータシートの代表的な数値であり、特定のサプライヤーの仕様シートの代替となるものではありません。

ケーブルとコネクタの適合: 実用的なチェックリスト

ケーブル選択ガイドは、ケーブルの選択をコネクタ シリーズに関連付けなければ不完全になります。コネクタ ピンには中心導体の直径範囲が定義されており、コネクタが想定しているよりも細い中心ピンを持つケーブルを使用すると、はんだ接合が不良になったり、圧着が緩んだりする原因になります。コネクタの許容範囲よりも太い中心導体を備えたケーブルは、コネクタ本体を変形させ、不整合を引き起こす可能性があります。一般的な組み合わせは次のとおりです。

同軸ケーブルのラベルの見方

ケーブルのラベルはメーカー間で一貫性がありません。 UL スタイル番号を印刷するもの、RG 指定を印刷するもの、独自のモデル名を印刷するものがあります。表示される重要な情報は、インピーダンス、pF/m 単位の静電容量、外径、および周波数範囲です。ケーブルのラベルに「RG-6」とブランド名のみが記載されている場合は、不完全な仕様として扱ってください。 50 オーム ケーブルの静電容量は通常 80 ～ 100 pF/m ですが、75 オーム ケーブルの静電容量は 65 ～ 70 pF/m です。静電容量が欠落している場合は、それを測定します。1 メートルのサンプルにわたる静電容量計を使用すると、式 Z0 = 1/(c*C) を使用しておおよそのインピーダンスが得られます。ここで、c は速度係数、C は 1 メートルあたりの静電容量です。これは、マークのない余剰ケーブルを扱う場合に便利な現場検証方法です。

新しいケーブルを購入するか、既存のケーブルを使い続けるか: 確認すべきこと

既存のシステムで故障したケーブルを交換する場合は、代替品を注文する前に、古いケーブルを引き抜いて端を検査してください。クランプで押しつぶされたり、曲げ半径を超えて引っ張られたり、湿気にさらされたりしたケーブルは、コネクタを再圧着しただけでは回復しません。シールドの状態を見てください。編組が黒ずんでいるか緑色になっている場合は、腐食により抵抗がすでに増加しているため、ケーブルを廃止する必要があります。誘電体が変色している場合は、熱による損傷により損失が増加しています。このような場合、同じケーブル タイプを同じ長さで再利用するのが合理的ですが、直径がわずかに大きい二重シールド バージョンにアップグレードすると、コネクタ スキームを変更せずに再発する干渉問題が解決されることがよくあります。

間違った選択の代償

ケーブル 1 メートルあたりの価格だけでなく、総設置コストを考慮してください。 RG-58 を使用して 20 メートルを実行すると、ケーブルに約 30 ドルとコネクタに 10 ドルの費用がかかります。同等の LMR-400 を実行するには、ケーブルが 90 ドル、コネクタが 15 ドルかかります。しかし、RG-58 の動作に追加の 4 dB の損失があり、受信信号が 4 dB 低下する場合、それを補うために遠端に 200 ドルのアンプが必要になる可能性があります。安いケーブルは、アンプを追加するまでしか安くなりません。同じ論理がシールドにも当てはまります。二重シールド ケーブルのコストは単一シールド タイプより 30 ～ 50% 高くなりますが、送信機が近くにある環境では、二重シールド ケーブルを使用することで、トラブルシューティングに何日も費やす断続的な問題が回避されます。

同軸ケーブル選択ガイド: 5 段階のプロセス

1. システム要件をリストします: インピーダンス、周波数範囲、最大挿入損失、および動作環境。
2. リンク バジェット (ケーブルの合計長、コネクタ数、両端で予想される信号レベル) を計算します。
3. 損失バジェットと物理的クリアランスの制約を満たすケーブル タイプの候補リストを作成します。
4. 干渉源への近接性と屋外暴露に基づいてシールドの必要性を評価します。
5. コネクタの互換性を確認し、工場で終端されたオプションと現場で終端されたオプションを決定します。

標準化されたアプローチのために、多くの調達エンジニアは、承認されたケーブル タイプの少数のセットを保持しています。1 つはショート ジャンパ用のフレキシブル RG タイプ、1 つはアンテナ給電用の低損失フレキシブル、そして 1 つは高周波または高信頼性パス用のセミリジッドまたは超低損失タイプです。これにより在庫が制限され、現場チームが終了方法に慣れやすくなります。

よくある質問