Кабели или кабельные сборки?

Введение

Общая классификация коаксиальных кабелей сегодня затруднительна в силу их огромного разнообразия. Действительно, российский разработчик может использовать классический ассортимент кабелей РК отечественного производства, может опираться на продукцию западных фирм или пойти по не всегда однозначному восточному пути, выбирая оптимальное решение. С практической точки зрения нет смысла структурировать все эти возможности. Значительно удобнее ориентироваться на конструктивные особенности кабелей, следующие из них технические характеристики и области их применения.

Часто выделяют такие категории кабелей, как фазостабильные, гофрированные, ручной формовки (Hand-formable), полужесткие (Semi-rigid), кабели RG и LMR. Мы слышим эти названия от инженеров, торговых партнеров и на презентациях технических экспертов поставщиков. Строгие и глубокоуважаемые специалисты старой закалки отнесутся к этому скептически. Но мы вполне можем говорить о том, что данные категории прошли через фильтр времени, устоялись на рынке и достаточно точно соответствуют определенным ожиданиям пользователя.

Что представляют собой наиболее востребованные на рынке виды коаксиальных радиочастотных кабелей, как они используются и как лучше приобретать их: в виде кабеля и соединителей отдельно или в виде готовых кабельных сборок?

Кабельные соединения до 6 ГГц

На частотах до 6 ГГц используются гибкие кабели на основе твёрдого фторопласта-4, полиэтилена и вспененного полиэтилена. Как часто встречающиеся рассмотрим подробнее RG, LMR и гофрированные кабели.

RG-кабели

Обозначение кабелей в виде RG с цифровым и буквенным индексом широко используется сегодня, хотя стандарт, который в свое время установил это обозначение, давно устарел. В нем было около 500 кабелей различных типов и конструкций. Сегодня из них широко распространено около двух десятков типов (рис. 1).

Рис. 1. Кабель RG 400

Обозначения RG могут ввести в заблуждение. Ответственные производители используют их, следуя требованиям стандартов в отношении конструкции и геометрии кабеля. Менее ответственные выбирают максимально востребованный на рынке, например RG 58. Изготавливают кабель, близкий по внешнему диаметру, но с другой изоляцией и конструкцией проводников. Добавляют к названию Ultra low loss — и пожалуйста: продукт готов. Стоит ли говорить о том, что установить соединители под RG 58 на такой кабель не получится. Способы не ошибиться с кабелями RG — придерживаться выбранного производителя и внимательно проверять подбираемые аналоги по всем параметрам, от материалов и геометрии до рабочих частот и температур.

Популярные кабели RG (табл. 1) можно разделить на три подгруппы: малого, среднего и большого сечения. К первым отнесем кабели с внешним диаметром до 2–3 мм, например RG 316, RG 178, RG 174. Они используются в коротких соединениях длиной до 0,5 м часто внутри, а не снаружи аппаратуры. Ко второй подгруппе отнесем такие кабели, как RG 58, RG 223, RG 400 — самые востребованные из всех RG и самые универсальные. Их применяют и внутри, и снаружи аппаратуры в соединениях от 200–300 мм до нескольких метров и даже десятков метров, если позволяют потери. И наконец, кабели крупного сечения: RG 213, RG 214, RG 393 — наиболее часто востребованные типы. Такие кабели применяются в качестве фидерных в длинах до нескольких десятков метров или используются для изготовления коротких перемычек с минимальными потерями — например, для мощных трактов оборудования базовых станций систем связи.

Кабели RG обычно применяют на частотах до 1–6 ГГц в зависимости от конструкции. В качестве материала изоляции используется твердый фторопласт‑4 или полиэтилен, экран выполняется в виде одиночной или двойной оплетки. Можно говорить о том, что в мире коаксиальных кабелей сегодня кабели RG обладают скромными характеристиками, которых, однако, достаточно для большого числа задач на указанных выше частотах.

LMR

Марка кабелей LMR принадлежит компании Times Microwave, сегодня они часть Amphenol. Это семейство кабелей с изоляцией из вспененного полиэтилена, предназначенных для телекоммуникационной отрасли (рис. 2). Их появление — развитие в направлении снижения плотности изоляции и повышения уровня экранировки. Неоспоримые достоинства LMR: низкие потери, невысокая стоимость, достаточная механическая прочность, достаточная для прокладки гибкость, стойкость к внешним воздействующим факторам. Обычно их используют в неподвижных соединениях.

Рис. 2. Кабель LMR 300

Кабели LMR (табл. 2) значительно лучше RG по затуханию и часто используются в антенно-фидерных трактах вместо них. Сегодня кабели LMR-класса выпускает большое число западных и азиатских производителей. В силу относительной технологической простоты все они довольно близки по характеристикам и не сильно отличаются по ценам.

Гофрированные кабели

Гофрированные кабели — основной строительный материал антенно-фидерных трактов сотовой связи первого и второго поколения (рис. 3, табл. 3). Они успешно применяются и сегодня. Экран таких кабелей выполняется сплошным медным и гофрированным для лучшей гибкости. Обычно их используют в длинных фидерных трактах и для изготовления кабельных джамперов — соединений антенн и фидерных кабелей.

Рис. 3. Гофрированные кабели

Изготовление сборок в диапазоне до 6 ГГц

Mы рассмотрели три наиболее востребованные подгруппы радиочастотных кабелей: RG, LMR и гофрированные кабели. Все они используются в основном на частотах до 5–6 ГГц. Области применения этих кабелей очень разнообразны. В каком случае предпочтительнее готовые сборки (табл. 4), а когда отдельно кабель и соединители?

Важно отметить, что изготовление кабельных сборок в этом диапазоне частот не является технически сложной задачей. Для монтажа соединителей широко используется обжим, применяются сборные конструкции, а главное — из-за все еще достаточно большой длины волны требования к точности разделки кабеля и позиционирования его частей при монтаже невысокие.

Кабельные соединения выше 6 ГГц

Рассмотренные в первой части кабели применяются на частотах до 6 ГГц. Для более высоких частот требуются другие решения и конструкции, появляются новые условия, и решения в пользу готовых кабельных сборок принимается чаще.

Semi-Rigid

Название этой подгруппы кабелей часто порождает путаницу. На Западе их кабели называют Semi-rigid («полужесткие»), потому что формовка все-таки возможна, пусть и однократная. Жесткие коаксиальные линии у них — это действительно уже «трубы» большого сечения, которые не предполагают изгибов или формовки. В нашей стране кабели Semi-Rigid с экраном в виде сплошной металлической трубки называют «жесткие», опираясь на их механические свойства — способность сохранять форму. При этом название «полужесткие» у нас часто отдают формуемым вручную кабелям. Мы в этой статье будем следовать западному подходу.

Рис. 4. Полужесткий кабель Semi-rigid

Полужесткие кабели (Semi-Rigid) первыми появились на частотах выше 6 ГГц и долгое время были единственным вариантом для соединений на этих частотах, конкурируя с волноводами (рис. 4, табл. 5). Достоинства таких кабелей обеспечиваются сплошным металлическим экраном: минимальные потери по сравнению с любыми другими конструкциями такого же сечения на таком же материале диэлектрика. Но подобные кабели сложно обрабатывать и формовать. Кабельные сборки на основе полужестких кабелей изготавливаются по заранее подготовленным чертежам. При монтаже нужно соблюдать осторожность, чтобы не повредить их. Повторная формовка невозможна, поэтому любые ошибки приводят к существенным дополнительным затратам.

Наиболее популярные сечения полужестких кабелей 0,086″ и 0,141″, 0,047″ и 0,250″ используются реже. Первые два кабеля являются максимально универсальными. Размеры позволяют сравнительно легко обрабатывать их вручную. Характеристики дают возможность выполнять соединения на частотах до 40 и 33 ГГц соответственно. Кабель 0,141″ обычно используется там, где для него хватает места, или в более длинных соединениях; 0,086‑й применяется в более коротких соединениях, так как имеет бóльшие потери.

Кабель 0,047″ уже достаточно тонкий, и обрабатывать его руками сложно. Он используется в ограниченном пространстве и может применяться, например, в компактных линиях задержки. В то же время потери в нем велики, и применять на высоких частотах его затруднительно.

Все полужесткие кабели обычно размещаются внутри аппаратуры, поскольку не имеют оболочки. Иногда их окрашивают для дополнительной защиты от внешних воздействующих факторов.

Возможная путаница с формуемыми вручную кабелями и Semi-Rigid не ограничивается их наименованием. Дело в том, что при появлении полужестким кабелям были присвоены RG-обозначения. Как вы уже догадываетесь, тут может быть немало вариантов. Semi-Rigid-кабель 0,086″ — более тонкий и имеет RG-обо-значение RG 405; более толстый 0,141″ имеет обозначение RG 402. Вы можете встретить такие варианты: RG 405 flexible, RG 402 Hand Formable. Всегда проверяйте документацию для определения точного соответствия.

Формуемые вручную кабели

Кабели такой конструкции появились как развитие идеи кабелей Semi-Rigid — гораздо более удобная и экономичная альтернатива (табл. 6). Специалисты компании Huber + Suhner первыми разработали кабели ручной формовки. Они известны под названием Sucoform. Сегодня кабели такого класса выпускает большое число компаний в Европе, Азии и Северной Америке.

Экран кабелей ручной формовки представляет собой оплетку, пропитанную по всей длине оловянным припоем (рис. 5). Такая конструкция — со сплошным экраном — имеет характеристики, практически идентичные сплошной медной трубке, но при этом кабель можно многократно изгибать и наносить на него при производстве оболочку.

Рис. 5. Кабель Sucoform без оболочки

Формуемые вручную кабели гораздо удобнее в работе. Спектр их применений значительно шире, чем у полужестких кабелей. Они существенно дешевле полужестких кабелей и с ними легко работать даже при большой длине соединения.

Изготовление кабельных сборок на полужестких и формуемых вручную кабелях на предприятии возможно при наличии у персонала достаточной квалификации, необходимого инструмента и оснастки. На частотах выше 6 ГГц следует контролировать КСВН и потери всех изготавливаемых кабельных сборок. Поскольку компоненты существенно дороже, чем на более низких частотах, следует учитывать риски ошибок при монтаже и возможные из-за этого дополнительные затраты.

Фазостабильные кабели и кабельные сборки

Две рассмотренные группы кабелей выпускаются с изоляцией из фторопласта‑4. При всех достоинствах данного материала как СВЧ-диэлектрика он имеет и некоторые недостатки. Один из них — низкая стабильность в диапазоне температур и, как следствие, низкая фазовая стабильность кабелей на его основе. Решить задачу фазостабильного кабельного соединения можно, только используя более сложные технологии изготовления изоляции кабелей и соответствующие материалы (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция гибкого фазостабильного СВЧ-кабеля:
1 — центральный проводник;
2 — изоляция (диэлектрик);
3, 4 — экран из ленты и оплетки;
5 — оболочка

Стабильность фазы соединения можно рассматривать в двух плоскостях: диапазона температур и механических воздействий. Стабильность фазы в диапазоне температур в большей степени имеет значение для массива соединений. Если по какой-то причине часть из них нагревается больше, а часть остается холодной, то при лучшей фазовой стабильности кабелей в диапазоне температур относительный уход по фазе будет меньшим.

Фазовая стабильность при механических воздействиях является более распространенной проблемой и охватывает в той или иной мере всех пользователей векторных анализаторов цепей и ряд других применений. В измерениях более стабильные кабели позволяют реже калиброваться, что сокращает время проведения измерений, износ измерительного оборудования и компонентов.

В выборе в пользу сырьевого кабеля или готовых кабельных сборок, если речь идет о фазостабильных соединениях, пользователь ограничен. Большинство высококачественных фазостабильных СВЧ-кабелей поставляется только в виде готовых кабельных сборок. Среди них можно выделить изделия общего применения и предназначенные специально для векторных измерений.

Рис. 7. Фазостабильные кабельные сборки общего применения

Фазостабильные кабели общего применения обычно выпускаются в виде серии кабельных сборок, на основе набора кабелей различного сечения. В качестве материала изоляции для таких кабелей используют фторопласт‑4 низкой плотности (LD-PTFE). Центральный проводник выполняется плетеным для версий с высокой гибкостью или сплошным для версий с меньшими потерями. Кабели серии перекрывают диапазоны частот до 18/26/40/50/65 ГГц. Часто производители предлагают к таким сборкам различные варианты дополнительной внешней защиты, повышающие механическую прочность и стойкость к другим воздействующим факторам, например влаге, пыли и соляному туману (рис. 7, табл. 7). Кабели на основе фторопласта‑4 низкой плотности могут выпускаться в достаточно больших длинах до 60–100 м и более в зависимости от сечения. Сборки могут также поставляться в больших, по нескольку десятков метров, длинах.

Гибкие версии фазостабильных кабельных сборок на основе LD-PTFE можно успешно использовать при работе с векторными анализаторами цепей. Для большого числа задач фазовой стабильности, которую они обеспечивают, достаточно. Однако лучшими сборками для работы с такими приборами будут специальные серии прецизионных кабельных сборок для векторных измерений.

Рис. 8. Фазостабильные кабельные сборки для векторных измерений

Для их изготовления используются фазостабильные кабели небольших, до 3–4 мм в диаметре, сечений, которые помещаются в дополнительную внешнюю защиту, препятствующую изгибам со слишком малым радиусом (рис. 8, табл. 8). Такие сборки выпускаются в длинах до 1–2 м, часто только стандартных конфигураций. Дело в том, что кабели для их изготовления отбираются из произведенной партии специальным образом. Это объясняет высокую цену подобных изделий. В качестве соединителей используются NMD и обычные варианты 3.5mm, 2.92mm и 1.85mm.

Заключение

В зависимости от решаемой задачи можно отдать преимущество кабелю или готовым кабельным сборкам. С ростом рабочих частот изготовление сборок самостоятельно осуществлять сложнее, а возможная потеря дорогостоящих материалов и компонентов будет приводить к все более ощутимым дополнительным затратам. При комплектовании измерительного оборудования СВЧ-диапазона, особенно векторных анализаторов цепей, для получения лучших характеристик следует предпочесть готовые высококачественные фазостабильные СВЧ-сборки.