Koaksiyel kablo

Koaksiyel kablo (İngilizce kısaltması coax) radyo frekansta kullanılan bir kablo türüdür. Bu kablonun kesit alanı iç içe dört maddeden meydana gelir. En içte canlı hat, yani sinyali taşıyan hat vardır. Bu uç dielektrik sabiti yüksek bir yalıtkan ile çevrelenmiştir. Yalıtkanın çevresinde iletkenlerden oluşan bir örgü (veya ince varak) vardır. Bu örgü topraklanmıştır. En dışta ise koruyucu kılıf yer alır. Bu yapı koaksiyel kabloların kendi kalınlığındaki diğer kablolara göre daha elastiki olmalarını sağlar.

A: Koruyucu dış kılıf
B: İletken örgü (vaya ince varak)
C: Yalıtkan madde
D: İç iletken

Öte yandan kablonun iletkenlerden oluşan örgüsünün topraklanmış oluşu çok önemlidir. Çünkü bu sayede kablo elektromanyetik alan oluşturan cihazların yakınından etkilenmeden geçebilir.

Koaksiyel kablonun taşıdığı akım VHF veya UHF gibi çok yüksek frekanslı bir akımdır. Akımın yönü saniyede milyonlarca kez değiştirir. (VHF 30 milyondan 300 milyon Hz de kadar, UHF ise 300 milyondan 3 milyar Hz e kadar olan frekans alanıdır.)

Madde özellikleri

En içte iletken olarak bakır veya diğer iletken metaller kullanılır.

Çevredeki yalıtkanın dielektrik sabiti ve fiziki boyutları (kesit alanı) kablonun bazı elektriksel özelliklerini saptadığı için çok önemlidir. Kablo boyunca dielektrik sabit ve fiziki boyutların değişmemesi gerekir. Genellikle polyethylene (PE) veya Teflon (PTFE) gibi yalıtkanlar kullanılır. Yüksek güç taşımak için üretilmiş kalın kablolarda yalıtkan yerine gaz veya hava kullanıldığı da olur. Ancak bu gibi durumlarda iç ve dış iletkenlerin yanlışlıkla birbirlerine dokunmamaları için, içeride ayırıcı yalıtkan destekler kullanılır.

Dış iletken çoğu kez iletken tellerden yapılmış bir örgüdür. Ancak örgünün iki sorunu vardır. Örgü tellerinin fiziki kalınlığı kablo elektriksel karakteristiklerini etkiler. Ayrıca örgünün çok sık olmaması da taşınabilen frekansa bir üst sınır getirir. Bu sebeple, dış iletken olarak çok ince metal varakların kullanılması tercih edilir. Ancak metal varaklar eğilip bükülmeye örgü kadar uygun değillerdir. Ayrıca bu tercih kablo fiyatını artırabilir.

Koruyucu dış kılıf elektriksek performanstan ziyade kablonun korunması ile ilgilidir. Genellikle PVC gibi bir madde kullanılır. El değmeyecek ve çevreden etkilenmeyecek iç devrelerde dış kılıfa gerek bile yoktur.

Elektriksel karakteristikler

Elektriksel karakterleri hesaplayabilmek için, öncelikle bazı ölçülen değerleri belirtmek gerekir.

• İç iletkenin çapı, ${\displaystyle d}$.
• Dış iletkenin (örgü vb.) iç çapı, ${\displaystyle D}$.
• Yalıtkanın dielektrik sabiti, ${\displaystyle \epsilon }$. Bu sabit dielektrik sabit ile boşluktaki dielektrik sabitin çarpımı olarak gösterilebilir.

${\displaystyle \epsilon =\epsilon _{r}\cdot \epsilon _{0}}$. Şayet yalıtkan birden fazla maddenin karışımıyla oluşturulduysa, etkin dielektrik sabiti deyimi kullanılır. (mesela, polyethylene köpük hava ve polyethylene karışımıdır.)

• Yalıtkanın manyetik geçirgenliği ${\displaystyle \mu }$ Bu sabit bağıl manyetik geçirgenlik ile boşluktaki manyetik geçirgenliğin çarpımı olarak gösterilebilir.

${\displaystyle \mu =\mu _{r}\cdot \mu _{0}}$.

Ancak yalıtkan maddelerde bağıl manyetik geçirgenlik genellikle 1 e çok yakındır.)

Bir koaksiyel kablonun eşdeğer devre elemanlarının şamatik gösterimi.

• Birim uzunluk için şönt (paralel) kapasitans, birimi farad/metre (F/m)

${\displaystyle C={2\cdot \pi \cdot \epsilon \over \ln(D/d)}={2\pi \cdot \epsilon _{0}\cdot \epsilon _{r} \over \ln(D/d)}}$

• Birim uzunluk için seri induktans, birimi henri/metre, (H/m)

${\displaystyle L={\mu \over 2\cdot \pi }\ln(D/d)={\mu _{0}\cdot \mu _{r} \over 2\cdot \pi }\ln(D/d)}$

• Birim uzunluk için seri direnç, birimi ohm/metre (Ω/m).Alçak frekanslarda bu direnç iletkenlerin birim uzunluktaki dirençleridir ve çok düşüktür. (hemen hemen 0). Yüksek frekanslarda cidar etkisi denilen etki sebebiyle iç iletkenin etkin kesit alanı azaldığından seri direnç de artmaya başlar.
• Birim uzunluk için şönt (paralel) iletkenlik, birimi siemens/metre (S/m) Yalıtkan özelliğine bağlı olarak iletkenlik te çok küçüktür. (hemen hemen 0). Fakat şönt iletkenlik frekans yükseldikçe artmaya başlar.

Koaksiyel kablonun empedansının şamatik gösterimi ${\displaystyle Z_{0}}$.

Karakteristik empedans

Karakteristik empedans yansıma olmaksızın güç transferi yapabilmek için bilinmesi gerekli olan bir karakteristiktir.

Birim uzunluktaki seri direnç ve şönt iletkenlik 0 kabul edilirse,

${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {L/C}}}$). L ve C eşdeğerleri ile

${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {{\mu \over 2\pi }\ln(D/d)}{2\pi \epsilon \over \ln(D/d)}}}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {\mu }{\epsilon }}}\ln {\frac {D}{d}}}$.

Burada ln e tabanlı logaritmadır.

Dielektrik katsayı bağıl dielektrik katsayısı cinsinden ifade edilir ve e tabanına göre verilen logaritma on tabanına çevrilirse,

${\displaystyle \epsilon =\epsilon _{r}\cdot \epsilon _{0}}$

${\displaystyle \ln {\frac {D}{d}}\approx 0.434\cdot \log _{10}{\frac {D}{d}}}$.

${\displaystyle Z_{0}\approx {\frac {138}{\sqrt {\epsilon _{r}}}}\cdot \log _{10}{\frac {D}{d}}}$

Bu denklem kablo karakteristik empedansının sadece kullanılan yalıtkanın dielektrik katsayısıyla, iç ve dış iletkençaplarına bağlı olduğunu göstermektedir. Uygulamada görüntü sinyali (VF) için kullanılan kablolar 75 Ω radyo frekans (RF) ve ara frekans kabloları ise 50 Ω karakteristik empedansa sahiptir. Anten kablolarında ise 75 Ω ve 300 Ω başta olmak üzere çeşitli empedanslar kullanılır. Kablo üreticisi kataloglarda bu empedansı belirtir.

Sürat ve dalga boyu

Sinyalin kablo içindeki sürati yalıtkanın dielektrik sabiti ve manyetik geçirgenliğine bağlıdır. v sinyal sürati ve c de boşluktaki ışık hızı ise,

${\displaystyle v={1 \over {\sqrt {\epsilon \mu }}}={c \over {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}}}$

Fakat, bağıl manyetik geçirgenlik 1 e yakın olduğu için sürati tayin eden doğrudan bağıl dielektrik katsayıdır.

${\displaystyle v\approx {c \over {\sqrt {\epsilon _{r}}}}}$

Dalga boyu elektromanyetik sinyal süratinin frekansa bölünmesi ile bulunur.

${\displaystyle \lambda ={\frac {v}{f}}}$

Burada f frekans ve λ de dalga boyudur. Sürat parametresi ışık hızı cinsinden ifade edilirse,

${\displaystyle \lambda \approx {\frac {c}{f\cdot {\sqrt {\epsilon _{r}}}}}}$

Kablo içinde dalgaboyunun boşluktakinden daha kısa oluşu özellikle anten yönlendirilme hesaplarında dikkate alınması gereken bir unsurdur. Üreticinin kablo kataloglarında ya dalga boyunun kısalması ya da dielektrik katsayı verilir.

Zayıflama

Kablo içinde seri direnç ve şönt iletkenlik sebebiyle oluşan zayıflama, şayet uzun kablo ve yüksek frekans kullanılacaksa, dikkate alınması gereken bir planlama kriteridir. İlke olarak kalın kablolarda zayıflama ince kablolardan daha azdır. Zayıflama kablo üreticileri tarafından kataloglarda dB/m veya dB/100 m birimleriyle verilir. Yüksek güç uygulamalarında sadece gücün zayıflaması değil, aynı zamanda kablonun ısınması da dikkate alınmalıdır.

Kritik frekans

Koaksiyel kablolar özellikle yüksek frekanslarda kullanılır. Ancak frekansın alanın üst sınırı vardır. kablo bu sınırın üstünde kullanılmamalıdır.

Kablonun ortalama çapının ${\displaystyle {\frac {d+D}{2}}}$ olduğu dikkate alınırsa,

Bu frekans şu şekilde verilir.

${\displaystyle f_{c}={1 \over \pi \cdot ({D+d \over 2}){\sqrt {\mu \epsilon }}}={2\cdot c \over \pi \cdot ({D+d}){\sqrt {\mu _{r}\epsilon _{r}}}}}$.

Manyetik geçirgenlik 1 e eşitlenirse,

${\displaystyle f_{c}={2\cdot c \over \pi ({D+d}){\sqrt {\epsilon _{r}}}}}$.

Ancak yüksek frekansla ilgili bir sınırlama daha vardır. Yüksek frekanslarda kablo fazla bükülmemelidir. Amprik olarak, kablo bükülme yarıçapı sinyalin kablo içindeki dalga boyundan büyük olmalıdır.

Ayrıca bakınız

• Boşluğun Empedansı
• Elektromanyetik alanlar
• Çift hat

Kaynakça

1. ^ Elmore, William C. ; Heald, Mark A. :Physics of Waves, 1969