同軸ケーブル

次のセクションでは、以下の記号を使用します。

• 長さ${\displaystyle \ell }$ケーブルの。
• 外径${\displaystyle d}$内部導体の。
• 内径${\displaystyle D}$盾の。
• 誘電率${\displaystyle \epsilon }$絶縁体の誘電率。誘電率はしばしば比誘電率として表される。$\displaystyle \epsilon _{\text{r}}$誘電率を参照$\displaystyle \epsilon _{0}}$空きスペースの:${\displaystyle \epsilon =\epsilon _{\text{r}}\epsilon _{0}.}$絶縁体が異なる誘電体材料の混合物である場合（例えば、ポリエチレンフォームはポリエチレンと空気の混合物である）、有効誘電率という用語は$\displaystyle \epsilon _{\text{eff}}}$よく使われる。
• 透磁率${\displaystyle \mu }$絶縁体の透磁率。透磁率は、しばしば相対透磁率として表される。${\displaystyle \mu _{\text{r}}}$透過性について言及$\displaystyle \mu _{0}}$空きスペースの:${\displaystyle \mu =\mu _{\text{r}}\mu _{0}.}$相対透過率はほぼ常に1になります。

• 単位長さあたりのシャント容量（ファラド/メートル）：^{[ 10 ] [ 11 ]}$${\displaystyle C={\frac {2\pi \epsilon }{\ln {\frac {D}{d}}}}={\frac {2\pi \epsilon _{0}\epsilon _{\text{r}}}{\ln {\frac {D}{d}}}}.}$$
• 中心導体を薄い中空円筒とみなした場合の単位長さあたりの直列インダクタンス（ヘンリー/メートル）：^{[ 11 ]}$${\displaystyle L={\frac {\mu }{2\pi }}\ln {\frac {D}{d}}={\frac {\mu _{0}\mu _{\text{r}}}{2\pi }}\ln {\frac {D}{d}}.}$$
• 単位長さあたりの直列抵抗（オーム/メートル）。低周波数では、単位長さあたりの抵抗は内部導体とシールドの抵抗のみとなります。高周波数では、表皮効果により各導体の薄い層に伝導が限定されるため、実効抵抗が増加します。
• 単位長さあたりのシャントコンダクタンス（ジーメンス/メートル）。シャントコンダクタンスは通常、誘電特性の良い絶縁体（誘電正接が非常に低い）が使用されるため、非常に小さい値になります。高周波では、誘電体の抵抗損失が大きくなることがあります。

• 特性インピーダンスはオーム（Ω）で表されます。無限長の伝送線の複素インピーダンスZ _0は^{[ 12 ]です。}$${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {R+sL}{G+sC}}},}$$ここで、Rは単位長さあたりの抵抗、Lは単位長さあたりのインダクタンス、Gは誘電体の単位長さあたりのコンダクタンス、Cは単位長さあたりの静電容量、s = jω = j 2 πfは周波数です。インピーダンスの式では、「単位長さあたり」の次元が相殺されます。DCでは2つのリアクタンス項がゼロなので、インピーダンスは実数値となり、非常に高くなります。$${\displaystyle Z_{\text{DC}}={\sqrt {\frac {R}{G}}}.}$$周波数が高くなると、リアクタンス成分が影響を及ぼし、回線のインピーダンスは複素数値になります。非常に低い周波数（電話システムで重要な可聴周波数帯域）では、Gは通常sCよりもはるかに小さいため、低周波数でのインピーダンスは$${\displaystyle Z_{\text{LF}}\approx {\sqrt {\frac {R}{sC}}},}$$位相値は-45°です。より高い周波数では、通常、リアクタンス項がRとGを支配し、ケーブルインピーダンスは再び実数値になります。その値はZ₀、つまりケーブルの特性インピーダンス_です。$${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {sL}{sC}}}={\sqrt {\frac {L}{C}}}.}$$ケーブル内部の材料の誘電特性がケーブルの動作範囲で大きく変化しないと仮定すると、特性インピーダンスはシールドカットオフ周波数の約5倍以上の周波数では周波数に依存しません。一般的な同軸ケーブルの場合、シールドカットオフ周波数は600  Hz（RG-6Aの場合）から2,000  Hz（RG-58Cの場合）です。^{[ 13 ]}
  パラメータLとC は、内径 ( d ) と外径 ( D )の比と誘電率( ε ) から決定されます。特性インピーダンスは^{[ 14 ] [ 11 ]で与えられます。}$$${\displaystyle Z_{0}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {\mu }{\epsilon }}}\ln {\frac {D}{d}}\approx {\frac {59.96~\Omega }{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}}}}\ln {\frac {D}{d}}\approx {\frac {138~\Omega }{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}}}}\log _{10}{\frac {D}{d}}.}$$$
• 単位長さあたりの減衰（損失）は、デシベル/メートルで表されます。これは、ケーブルを充填する誘電体材料の損失と、中心導体および外側シールドの抵抗損失に依存します。これらの損失は周波数に依存し、周波数が高くなるにつれて大きくなります。導体の表皮効果損失は、ケーブルの直径を大きくすることで低減できます。直径が2倍のケーブルは、表皮効果抵抗が半分になります。誘電体損失やその他の損失を無視すると、ケーブルが太くなると、dB/m損失は半分になります。システムを設計する際、エンジニアはケーブルの損失だけでなく、コネクタの損失も考慮します。
• 伝播速度（メートル毎秒）。伝播速度は誘電率と透磁率（通常は1）に依存します。^{[ 11 ]}$${\displaystyle v={\frac {1}{\sqrt {\epsilon \mu }}}={\frac {c}{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}\mu _{\text{r}}}}.}$$
• シングルモード帯域。同軸ケーブルでは、支配的なモード（カットオフ周波数が最も低いモード）はTEMモード^{[ 8 ]}であり、カットオフ周波数はゼロで、DCまで伝搬します。次にカットオフ周波数が低いモードはTE11モードです_{。このモードは、ケーブルの円周を一周する際に1つの「波」（極性の反転が2回）を持ちます。TE11モード}が伝搬するための条件は、誘電体中の波長が絶縁体の平均円周以下であること、つまり周波数が少なくとも$${\displaystyle f_{\text{c}}\approx {\frac {1}{\pi \left({\frac {D+d}{2}}\right){\sqrt {\mu \epsilon }}}}={\frac {c}{\pi \left({\frac {D+d}{2}}\right){\sqrt {\mu _{\text{r}}\epsilon _{\text{r}}}}}}.}$$したがって、このケーブルはDCからこの周波数までシングルモードであり、実際にはこの周波数の90%まで使用できる可能性があります^{[ 15 ] 。}
• ピーク電圧。ピーク電圧は絶縁体の破壊電圧によって決まります。^{[ 16 ]}$${\displaystyle V_{\text{p}}=E_{\text{d}}{\frac {d}{2}}\ln {\frac {D}{d}},}$$ここで、Vp_はピーク電圧、Ed_は絶縁破壊電圧（ボルト/メートル）、dは内径（メートル）、Dは外径（メートル）である。計算されたピーク電圧は、多くの場合、安全係数によって低減される。

同軸ケーブルの最適なインピーダンスは、1929年にベル研究所 で実験的に、低減衰で77Ω、 高電圧で60Ω、 高電力で30Ωと決定されました。空気誘電体と所定の内径のシールドを備えた同軸ケーブルの場合、特性インピーダンスが76.7Ωになるように内部導体の直径を選択することで減衰が最小になります 。^{[ 17 ]}より一般的な誘電体を考慮すると、最小挿入損失インピーダンスは52～64Ωの値まで低下します 。最大電力処理は30Ωで達成されます 。^{[ 18 ]}

自由空間で中心給電ダイポールアンテナ（つまり、地面反射のないダイポールアンテナ）を整合させるために必要なインピーダンスはおよそ73Ωである ため、 短波アンテナを受信機に接続する際に75Ω同軸ケーブルが一般的に使用されていました。これらのアンテナは通常、RF電力レベルが非常に低いため、減衰量に比べると、電力処理能力や高電圧破壊特性は重要ではありません。CATVについても同様で、多くの放送テレビ設備やCATVヘッドエンドでは、地上波信号を受信するために300Ω折り返しダイポールアンテナを使用していますが、 75Ω同軸 ケーブルは 、これらのアンテナ用の便利な4:1バラン変圧器として使用できるだけでなく、減衰量も低くなっています。

30 Ω と 77 Ω の算術平均は 53.5 Ω、幾何平均は 48 Ω です。電力処理能力と減衰の妥協点として 50 Ω が選ばれた理由として一般的に挙げられています。^{[ 17 ]} 50 Ω は、通常の地面から半波長ほど上に設置された半波長ダイポールの給電点インピーダンスにほぼ相当するため、許容範囲内でうまく機能します (理想的には 73 Ω ですが、低く垂れ下がった水平線の場合は減少します)。       

RG-62は、 1970年代から1980年代初頭にかけてメインフレームコンピュータネットワークで使用されていた93Ωの同軸ケーブルです（IBM 3270端末とIBM 3274/3174端末クラスタコントローラを接続するために使用されていました）。その後、 ARCNET用のDatapointなど、一部のLAN機器メーカーがRG-62を同軸ケーブルの標準規格として採用しました。このケーブルは、同サイズの他の同軸ケーブルと比較して、単位長さあたりの静電容量が最も低いという特徴があります。

同軸システムのすべてのコンポーネントは、コンポーネント間の接続部での内部反射を避けるために、同じインピーダンスを持つ必要があります（インピーダンス整合を参照）。このような反射は信号減衰を引き起こす可能性があります。反射によって定在波が発生し、損失が増加し、高出力伝送ではケーブルの絶縁破壊につながる可能性さえあります。アナログビデオまたはテレビシステムでは、反射によって画像にゴーストが発生します。多重反射によって、元の信号の後に複数のエコーが発生する場合があります。同軸ケーブルが開放状態（終端が接続されていない状態）の場合、終端抵抗はほぼ無限大となり、反射が発生します。同軸ケーブルが短絡されている場合、終端抵抗はほぼゼロとなり、逆極性の反射が発生します。同軸ケーブルをインピーダンスに等しい純抵抗で終端すると、反射はほぼ解消されます。

信号漏洩とは、電磁界がケーブルのシールドを通過する現象であり、双方向で発生します。侵入とは、外部信号がケーブル内部に侵入することであり、ノイズや目的信号の妨害を引き起こす可能性があります。流出とは、ケーブル内部に留まるべき信号が外部に漏れ出すことであり、ケーブル終端での信号強度の低下や、近隣機器への無線周波数干渉を引き起こす可能性があります。深刻な漏洩は、通常、コネクタの取り付け不良やケーブルシールドの欠陥によって発生します。

例えば、米国では、ケーブルテレビシステムからの信号漏洩はFCCによって規制されています。これは、ケーブル信号が航空無線や航行無線と同じ周波数帯を使用しているためです。CATV事業者は、侵入を防ぐためにネットワークの漏洩を監視することもできます。ケーブルに外部信号が侵入すると、不要なノイズや画像のゴースト現象が発生する可能性があります。過剰なノイズは信号を圧倒し、使い物にならなくしてしまうこともあります。チャンネル内の侵入は、侵入キャンセルによってデジタル的に除去できます。

理想的なシールドは、穴や隙間、突起のない完全な導体で、完全な接地線に接続されているものです。しかし、滑らかで固体の高導電性シールドは、重く、柔軟性がなく、高価になります。このような同軸ケーブルは、商用ラジオ放送塔への直線給電に使用されます。より経済的なケーブルでは、シールドの有効性、柔軟性、コストの間で妥協する必要があり、例えば、フレキシブルハードラインの波状表面、フレキシブル編組シールド、またはフォイルシールドなどが用いられます。シールドは完全な導体にはなり得ないため、シールド内部を流れる電流は、シールドの表面に電磁場を発生させます。

表皮効果について考えてみましょう。導体内の交流電流の大きさは、表面からの距離とともに指数関数的に減衰し、浸透深さは抵抗率の平方根に比例します。つまり、有限の厚さのシールドでは、導体の反対側の表面に少量の電流が流れ続けるということです。完全な導体（すなわち、抵抗率がゼロ）であれば、電流はすべて表面を流れ、導体内部への浸透は起こりません。実際のケーブルは、通常は非常に優れた導体ではあるものの、不完全な導体で作られたシールドを備えているため、必ず何らかの漏洩電流が発生します。

隙間や穴によって、電磁場の一部が反対側に透過します。例えば、編組シールドには多くの小さな隙間があります。箔（固体金属）シールドを使用する場合は隙間は小さくなりますが、それでもケーブルの長さに沿って継ぎ目があります。箔は厚みが増すにつれて剛性が高くなるため、薄い箔層を編組金属層で囲むことが多く、これにより一定の断面積に対してより大きな柔軟性が得られます。

ケーブルの両端のコネクタとのインターフェース部分の接触不良や、シールドの破損があると、信号漏洩が深刻になる可能性がある。

ケーブルへの信号漏れやケーブルからの信号漏れを1000分の1、あるいは10000分の1にまで大幅に低減するために、スーパーシールドケーブルは、原子炉の中性子束カウンターなどの重要な用途でよく使用されます。

原子力用途のスーパーシールドケーブルはIEC 96-4-1, 1990で定義されていますが、ヨーロッパでは原子力発電所の建設に長い空白期間があったため、既存の多くの設備では英国規格AESS(TRG) 71181 ^{[ 19 ]に準拠したスーパーシールドケーブルが使用されており、これはIEC 61917 [ 20 ]}で参照されています。

同軸ケーブルの不完全なシールドに沿って流れる電流は、たとえ微弱であっても、視覚的または聴覚的な干渉を引き起こす可能性があります。アナログ信号を配信するCATVシステムでは、同軸ネットワークと住宅の電気接地システムとの間の電位差によって、画面に「ハムバー」と呼ばれるノイズが発生することがあります。これは、画面上にゆっくりと上方向にスクロールする幅広の水平方向の歪みバーとして現れます。このような電位差は、住宅内の共通接地に適切に接続することで低減できます。グランドループを参照してください。

外部電界は、送信機と受信機の間の外部導体の外側のインダクタンスに電圧を発生させます。複数のケーブルが並列に接続されている場合、インダクタンスが減少するため、電圧も小さくなり、この影響は軽減されます。外部導体は内部導体上の信号の基準電位を伝達するため、受信回路は誤った電圧を測定します。

コモンモード電流は、シールド内の迷走電流が中心導体の電流と同じ方向に流れることで発生し、同軸ケーブルからの放射を引き起こします。これは、内側導体と外側導体の信号電流が等しく逆方向である、望ましい「プッシュプル」差動信号電流とは逆のものです。

同軸ケーブルのシールド効果の大部分は、中心導体とシールドに逆向きの電流が流れ、互いに打ち消し合う逆向きの磁場が発生することによって生じ、その結果、放射が抑制されます。同様の効果はラダーラインにも適用されます。しかし、ラダーラインは周囲の金属物体に非常に敏感で、磁場が完全に打ち消し合う前に金属物体が磁場に入り込む可能性があります。同軸ケーブルは、磁場がシールド内に閉じ込められているため、この問題はありません。ただし、シールドと、同軸ケーブルが給電するアンテナなどの他の接続物体との間に磁場が発生する可能性は依然としてあります。アンテナと同軸ケーブルのシールド間の磁場によって発生する電流は、中心導体の電流と同じ方向に流れるため、打ち消し合いません。エネルギーは同軸ケーブル自体から放射され、アンテナの放射パターンに影響を与えます。十分な電力があれば、これはケーブルの近くにいる人にとって危険となる可能性があります。適切な場所に配置され、適切なサイズのバランを使用することで、同軸ケーブルのコモンモード放射を防ぐことができます。絶縁トランスまたはブロッキングコンデンサを使用して、無線周波数信号を通過させつつ直流電流や低周波電力を遮断したい機器に同軸ケーブルを接続できます。

上記の特性インピーダンス式は無線周波数では良い近似値ですが、100 kHz 未満の周波数(オーディオ など) では完全な電信方程式を使用することが重要になります。^{[ 12 ]}$${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {R+j\omega L}{G+j\omega C}}}.}$$ この式を一般的な 75 オーム同軸ケーブルに適用すると、オーディオ スペクトル全体でインピーダンスが約 150  Ω ～ 約 5  kΩ の範囲となり、公称値よりもはるかに高くなります。伝搬速度も大幅に低下します。したがって、同軸ケーブルのインピーダンスは RF 周波数では一定ですが、オーディオ周波数では変動します。この効果は、大西洋横断電信ケーブルを介して通常の音声信号を送信しようとしたときに現れ、結果は芳しくありませんでした。^{[ 21 ] [ 22 ]}

大型のハードラインでは、中心導体が硬質または波形銅管のいずれかで構成されている場合があります。ハードラインの誘電体は、ポリエチレンフォーム、空気、または窒素や乾燥空気などの加圧ガスで構成されます。ガス充填ラインでは、ナイロンなどの硬質プラスチックがスペーサーとして使用され、内部導体と外部導体を分離します。これらのガスを誘電体空間に加えることで、水分汚染が軽減され、安定した誘電率が得られ、内部アーク放電のリスクが低減されます。ガス充填ハードラインは通常、テレビやラジオ放送、軍用送信機、高出力アマチュア無線アプリケーションなどの高出力RF送信機で使用されますが、マイクロ波帯などの重要な低出力アプリケーションでも使用される場合があります。ただし、マイクロ波領域では、送信機からアンテナ、またはアンテナから受信機へのアプリケーションでは、ハードラインよりも導波管がよく使用されます。ハードラインで使用されるさまざまなシールドも異なります。硬質チューブやパイプを使用するものもあれば、曲げやすく、ケーブルを曲げた際のねじれを軽減する波形チューブを使用するものもある。小型の硬質ケーブルは、特にマイクロ波帯域の機器など、高周波用途において、機器の各段間の干渉を低減するために内部的に使用されることがある。

放射ケーブルまたは漏洩ケーブルは、ハードラインと同様の方法で構築される同軸ケーブルの一種ですが、シールドに同調スロットが切り込まれています。これらのスロットは、特定のRF波長または特定の無線周波数帯域に同調されます。このタイプのケーブルは、送信機と受信機の間で同調された双方向の「望ましい」漏洩効果を提供することを目的としています。エレベーターシャフト、米海軍の艦船、地下輸送トンネル、およびアンテナの設置が困難なその他の場所でよく使用されます。このタイプのケーブルの一例として、Radiax（CommScope）があります。^{[ 58 ]}

RG-6は、さまざまな用途向けに設計された 4 種類のタイプがあります。さらに、コアは銅被覆鋼 (CCS) または裸の銅 (BC) のいずれかです。「プレーン」または「ハウス」 RG-6 は、屋内または屋外の住宅配線用に設計されています。「フラッデッド」ケーブルは、地下導管または直接埋設で使用するために、防水ゲルが注入されています。「メッセンジャー」は、ある程度の防水性を備えている場合もありますが、電柱からの架空配線に伴う張力を支えるために、全長に沿って鋼製のメッセンジャー線が追加されている点で区別されます。「プレナム」ケーブルは高価で、防火基準を満たすために換気ダクトで使用するように設計された特殊なテフロンベースの外被が付属しています。これは、多くの「プレーン」または「ハウス」ケーブルの外被および内部絶縁に使用されているプラ​​スチックが燃焼時に有毒ガスを発生するため開発されました。

三軸ケーブル（またはトライアックスケーブル）は、同軸ケーブルに3層目のシールド、絶縁体、被覆材を加えたものです。接地された外側のシールドは、外部からの電磁干渉から内側のシールドを保護します。

セミリジッドケーブルは、銅製の外被を用いた同軸ケーブルの一種です。このタイプの同軸ケーブルは、特に高周波域において、編組導体を用いたケーブルに比べて優れたシールド性能を発揮します。しかし、その名の通り柔軟性に乏しく、初期成形後に曲げることを想定していないのが大きな欠点です。（§ ハードラインを参照）

コンフォーマブルケーブルは、柔軟性が求められる用途で使用される、セミリジッド同軸ケーブルに代わる柔軟で再成形可能なケーブルです。コンフォーマブルケーブルは、標準的な同軸ケーブルと同様に、特殊な工具を必要とせず、手作業で被覆を剥がしたり成形したりできます。

リジッドラインは、PTFEサポートを使用して1メートルごとに同心円状に保持された2本の銅管で構成される同軸線です。リジッドラインは曲げることができないため、多くの場合、エルボが必要です。リジッドラインとの接続は、内側のバレット/内側サポートとフランジまたは接続キットを使用して行います。通常、リジッドラインは、バレットとフランジのサイズが標準ライン径に一致する標準化されたEIA RFコネクタを使用して接続されます。各外径に対して、75オームまたは50 オームの内側チューブが入手可能です。リジッドラインは、高出力送信機と他のRFコンポーネント間の相互接続のために屋内で一般的に使用されますが、耐候性フランジを備えたより堅牢なリジッドラインは、アンテナマストなどで屋外で使用されます。重量とコストを削減するために、マストや同様の構造物では、外側のラインはアルミニウムであることが多く、腐食を防ぐために特別な注意が必要です。フランジコネクタを使用すると、リジッドラインからハードラインに接続することもできます。多くの放送用アンテナやアンテナスプリッターは、フレキシブル同軸ケーブルやハードラインに接続する場合でも、フランジ付きのリジッドラインインターフェースを使用しています。リジッドラインは、さまざまなサイズで製造されています。