Хотя и несложно понять, что фидеры большего диаметра имеют меньшие потери, не всегда ясно, что именно вызывает эти потери, почему они могут быть выше в кабелях, предназначенных для более низких частот (например DC, AC power или для аудио), или почему линии с открытым проводом могут иметь столь незначительные потери.

Поэтому в этой статье мы рассмотрим этот вопрос более подробно. Существует два основных фактора, способствующих потерям в фидере: диэлектрические потери и сопротивление проводника.

Диэлектрические потери

Диэлектрические потери обусловлены прохождением электрического поля через изоляционный материал между проводниками. Воздух (или вакуум) очень хорошо справляется с этой задачей. Полиэтилен или ПТФЭ (тефлон®) также неплохо справляются и используются в большинстве распространенных радиочастотных кабелей. Смешивание их с воздухом (с использованием вспененного диэлектрика) ещё больше снижает потери.

Например, на частоте 500 МГц около 30% потерь в кабеле обусловлено диэлектрическими потерями в кабелях с цельным полиэтиленом, тогда как для кабелей с изоляцией из вспененного полиэтилена это значение составляет менее 10%. (Вспененная изоляция в коаксиальном кабеле также позволяет использовать более крупный центральный проводник при том же импедансе, снижая сопротивление проводника.)

Диэлектрические потери, как правило, не играют существенной роли на КВ и VHF частотах. Однако некоторые пластики, например ПВХ или нейлон, могут быть довольно некачественными, в зависимости от конкретного состава, и повышенные потери могут стать заметными даже на 40 метров. Это часто является основной причиной потерь при использовании кабелей, не предназначенных для радиочастотного применения, таких как кабели для силовых или аудио использований.

Хорошим примером является график потерь для коаксиального кабеля Belden 9264, предназначенного для аудио применений:

Хотя по размеру он схож с RG-174 (красная кривая) и, вероятно, имеет даже меньшие потери ниже 1 МГц, потери относительно быстро возрастают с увеличением частоты в диапазоне КВ из-за использования огнестойкой полипропиленовой изоляции вместо полиэтиленовой.

Это одна из важных причин измерения потерь в кабелях, которые не предназначались для использования на радиочастотах: могут быть неожиданности!

Сопротивление проводника

Большая часть потерь в радиочастотных кабелях ниже примерно 1 ГГц обусловлена протеканием ВЧ-тока через сопротивление проводника. Это сопротивление увеличивается с частотой из-за скин-эффекта, при котором большая часть ВЧ-тока течёт вблизи поверхности проводника, а не внутри. По мере увеличения частоты меньшая часть поперечного сечения проводника фактически несет значительный ток, и эффективное сопротивление (часто называемое сопротивлением переменному току) увеличивается по сравнению с сопротивлением постоянному току.

Именно поэтому потери в фидерных линиях растут на более высоких частотах. (Это также объясняет, почему полые трубки могут быть столь же эффективными проводниками переменного тока, как и сплошной стержень из того же материала.)

Стальная проволока с медным покрытием (CCS)

Однако эффект поверхностного слоя также необходимо учитывать для некоторых линий питания на низких частотах. Проводники из стали с медным покрытием (CCS, например, CopperWeld®) имеют слой меди поверх стального сердечника. Сталь является очень поглощающим проводником для радиочастот из-за своих магнитных свойств. Пока толщина медного слоя как минимум в 3 раза превышает глубину проникновения, проводник должен вести себя как сплошная медь.

Один из многих онлайн-калькуляторов глубины проникновения находится здесь.

На более низких частотах глубина проникновения увеличивается. Ниже некоторой частоты медь не будет достаточно толстой, чтобы не допустить проникновения радиочастот в сталь, и потери будут выше, чем у сплошного медного проводника того же размера. Как правило, общие потери в кабеле на самом деле не увеличиваются при понижении частоты, а скорее кривая выравнивается, и потери не снижаются так сильно, как можно было бы ожидать.

Рассмотрим некоторые примеры: используя 3-кратную глубину проникновения в качестве ориентира, это минимальные толщины меди на разных частотах для минимизации потерь:

• 2 МГц: 130 мкм (0,005 дюйма)
• 7 МГц: 75 мкм (0,003 дюйма)
• 30 МГц: 36 мкм (0,0014 дюйма)
• 100 МГц: 20 мкм (0,0008 дюйма)

Стандартная спецификация для проволоки CCS (CopperWeld®) предусматривает содержание меди 30%, что означает, что толщина медного слоя составляет примерно 1/12 диаметра проволоки. Исходя из этого, мы можем рассчитать минимальный размер цельной проволоки CCS, которую можно использовать на любой частоте, не беспокоясь о дополнительных потерях в стали:

• 2 МГц: 1,6 мм (0,063 дюйма, или AWG #15 )
• 7 МГц: 0,9 мм (0,035 дюйма, или AWG #19 )
• 30 МГц: 0,4 мм (0,016 дюйма, или AWG #26 )
• 100 МГц: 0,24 мм (0,0095 дюйма, или AWG #30 )

Однако проблема усугубляется, когда мы используем многожильный провод вместо одножильного. Это связано с тем, что толщина меди в отдельной жиле становится толщиной меди на внешней стороне многожильного провода, а каждая жила в пучке из 7 жил составляет 1/3 диаметра всего провода. Поэтому мы можем составить отдельную таблицу с минимальными размерами для 7-жильных проводов CCS:

• 2 МГц: 4,7 мм (0,185 дюйма или AWG #5)
• 7 МГц: 2,7 мм (0,106 дюйма или AWG #10)
• 30 МГц: 1,2 мм (0,047 дюйма или AWG #17)
• 100 МГц: 0,72 мм (0,028 дюйма или AWG #21)

В других конфигурациях, например в 19-жильном проводе, слой меди будет ещё тоньше.

Это проблема? Учтите, что многожильный центральный проводник RG-11 (коаксиальный кабель 75-го калибра, такой же, как RG-8 или RG-213) имеет толщину 1,2 мм. Если бы такой кабель был изготовлен из 7-жильного провода CCS вместо меди, потери на частотах ниже 10 МГц были бы значительными. Во многих кабелях меньшего сечения, таких как RG-174, для повышения прочности центральный проводник (0,48 мм или AWG #24) состоит из нескольких жил.

И эти цифры предполагают, что в кабеле CCS содержится 30% меди: это не всегда так. Недорогие коаксиальные кабели, продаваемые для кабельного телевидения, где наиболее важны потери в диапазоне VHF/UHF, могут иметь толщину медной жилы всего от 20 до 30 мкм: дополнительные потери в диапазоне КВ в этом случае не имеют значения, поскольку кабель должен быть рассчитан на потери, возникающие в диапазоне UHF.

Мы также видим разницу с коммерческими лестничными линиями, в которых используются многожильные проводники CCS. В некоторых распространённых типах используется 19-жильный провод CCS толщиной 1 мм (0,04 дюйма или AWG #18) для обеспечения гибкости. Это означает, что толщина меди составляет примерно 16 мкм (0,00065 дюйма), что приводит к увеличению потерь во всём высокочастотном диапазоне по сравнению с цельнометаллическими проводами. Это в некоторой степени компенсируется тем, что такие кабели обычно имеют более высокое сопротивление, при котором сопротивление проводника не является проблемой.

Это не значит, что такие фидерные линии бесполезны, просто потери, особенно в нижних КВ-диапазонах, могут быть выше, чем ожидалось, тем более что некоторые калькуляторы потерь могут их не учитывать.

Контакт с оплёткой

Для правильной работы коаксиального кабеля необходимо, чтобы нити оплётки плотно прилегали друг к другу, образуя непрерывную металлическую трубку, а не множество отдельных нитей. Одной из наиболее распространённых причин выхода из строя коаксиальных кабелей является попадание воды внутрь кабеля, что может привести к окислению меди.

Оплётка может впитывать воду на некотором расстоянии от места попадания воды в кабель. (К сожалению, более высокие потери обычно приводят к снижению КСВ на конце кабеля, подключённом к станции, поэтому такие проблемы не всегда очевидны.) Высушить кабель практически невозможно, но даже если бы это было возможно, коррозия между жилами всё равно осталась бы.

При тестировании таких кабелей с использованием нагрузок с открытым и коротким замыканием потери часто оказываются выше, когда повреждённый конец кабеля замкнут.

При проверке старых кабелей оплётка под внешней изоляцией должна быть блестящей и чистой. В противном случае отрежьте конец кабеля, так как починить его невозможно. (Говорят, что специалисты временно восстанавливают кабель, энергично встряхивая и раскачивая его, чтобы попытаться удалить коррозию между жилами. Это в лучшем случае частичное и временное решение.)

Импеданс

Поскольку сопротивление проводника, как правило, является основным источником потерь в диапазоне ниже УВЧ, уменьшение тока приведёт к уменьшению мощности, рассеиваемой в сопротивлении. Таким образом, фидерная линия с более высоким характеристическим импедансом (более высокое напряжение, меньший ток) может иметь меньшие потери. Это основная причина, по которой открытая проводная линия имеет такие низкие потери (хотя потери не обязательно так низки, как утверждают некоторые исторические данные).

Дополнительные потери из-за КСВ

Работа фидера при высоком КСВ обычно (но не всегда!) увеличивает потери. Позвольте автору просто предупредить вас.

Любой калькулятор, который якобы позволяет рассчитать «потери из-за КСВ», зависящие только от значения КСВ, ошибается.

Любой калькулятор, который претендует на то, чтобы рассчитать «потери из-за КСВ» с учётом типа и длины кабеля, скорее всего, будет давать неверные результаты, но может дать полезную оценку для кабелей длиной более одной длины волны.

Для точности такой калькулятор должен учитывать фактический комплексный импеданс нагрузки.

WB6BYU