Koaxialkabelimpedans: varför 50 ohm och 75 ohm system sällan förlåter en missmatchning

Koaxialkabelteknik

Koaxialkabelimpedans: varför 50 ohm och 75 ohm sällan förlåter en missmatchning

Karakteristisk impedans kommer från geometri och dielektrikum, inte från priset. Här är hur 50 och 75 ohm system beter sig, vad en missmatchning faktiskt kostar och vilka nummer som hör hemma i en köpspecifikation.

En CCTV-installatör avslutar ett 75 ohm RG6-fall med en 50 ohm BNC-adapter eftersom reservdelslådan sitter närmare än lagret. Bilden är ren dag ett. Tre veckor senare rapporterar klienten svaga horisontella band, och kameran skylls först, inspelaren andra och kabeln sist.

Den korta versionen, före detaljen: varje element i kedjan måste komma överens om impedans, inklusive kabeln, kontakten och utrustningsporten. När de inte gör det reflekteras en del av signalen tillbaka längs linjen istället för att nå mottagaren, och dessa reflektioner blir mer skadliga när frekvensen stiger och körningarna blir längre.

Det som följer täcker vad karakteristisk impedans egentligen är, varför industrin satte sig på 50 och 75 ohm, hur en missmatchning dyker upp på testutrustning och på en skärm, och vad man ska skriva in i en specifikation så att problemet aldrig når platsen.

Vad koaxialkabelimpedansen faktiskt mäter

Karakteristisk impedans är inte motstånd. Det är förhållandet mellan spänning och ström för en våg som färdas längs linjen, och den existerar även när ingenting är anslutet längst bort. In den fysiska konstruktionen av en koaxialkabel den bestäms av tre saker: diametern på centrumledaren (d), innerdiametern på skölden eller på det dielektrikum som fyller utrymmet (D) och dielektricitetskonstanten för det materialet.

För en koaxial linje är den klassiska arbetsformeln Z0 = 138 dividerat med kvadratroten ur dielektricitetskonstanten, multiplicerat med basen tio logaritmen av D dividerat med d. Flytta ledaren och skärmen längre isär, eller sänk dielektricitetskonstanten, och impedansen stiger.

Två konsekvenser har betydelse kommersiellt:

• Impedansen ändras inte med längden. En 5 m och en 500 m bit av samma RG6 sitter båda på cirka 75 ohm.
• Impedans kan inte avläsas med en multimeter. För att verifiera det krävs en tidsdomänreflektometer, en nätverksanalysator eller ett sveptest mot en känd belastning.

DC-resistans är en separat specifikation, och det spelar fortfarande roll. En satellitmottagare som trycker upp LNB-ström på lång sikt måste övervinna slingmotstånd, något impedans säger ingenting om.

Varför 50 ohm och 75 ohm blev standarden

Ingetdera numret är godtyckligt. I luft dielektrisk koaxial är dämpningen lägst nära 77 ohm, medan effekthanteringen når toppar nära 30 ohm. Mikrovågsingenjörer behövde både låga förluster och användbar effekt, så 50 ohm blev den fungerande kompromissen och hårdnade till militär och senare kommersiell praxis. Broadcast-ingenjörer brydde sig om låga förluster på långa videokörningar med låg effekt, så 75 ohm, som låg närmare dämpningsminimum, blev standard för video och kabel-TV.

Femtio ohm är en kompromiss mellan effekt och förlust; sjuttiofem ohm lutar mot förlust. Båda är ingenjörsval, inte kvalitetsbetyg.

De synliga skillnaderna ligger främst i krafthanterings- och kontaktfamiljer, vilket jämförelsen nedan visar.

För 75 ohm distributionsarbete är skärmningsstrukturen vanligtvis nästa beslut efter impedans. Standardsköld passar korta abonnentkörningar, tri-shield lägger till en folie plus fläta för bullrigare miljöer, och quad-shield väljs där ingångs- och returförlustmarginalerna är snäva.

Missmatch i siffror: Return Loss, VSWR och synliga symtom

Reflektion är förutsägbar. Mata en 75 ohm belastning från en 50 ohm källa och reflektionskoefficienten är 0,2, vilket är en VSWR på cirka 1,5 till 1, en returförlust nära 14 dB och ungefär 4 procent av den infallande effekten som reflekteras. Fyra procent låter ofarligt, och på en kort lappledning brukar det vara det. På en 300 m trunk, eller i en tät kanaluppställning, är det inte det, eftersom den reflekterade vågen kommer sent och sedan adderar till eller subtraherar från den direkta signalen.

Impedansfel tenderar att meddela sig själva på några igenkännbara sätt:

• Svaga spökbilder, ringsignaler eller en andra kant på analog video
• Bandning, gnistra eller intermittent avhopp på digitala CATV- och IPTV-kanaler
• En stigande felfrekvens vid headend som ingen förstärkarjustering fixar
• Ett VSWR-larm vid en sändare som testar rent in i en dummylast
• En länk som passerar en gång och misslyckas när en annan enhet går med i kedjan

Matcha impedansen till installationen

De flesta impedansfel inträffar vid handover-punkter snarare än inuti kabeln. Ställ in kravet från applikationen först:

1. Satellit IF och DTH: 75 ohm från LNB till mottagare, med F-kontakter. Likström för LNB:n går på samma mittledare, så slingresistans och impedans hör båda till specifikationen.
2. CATV, MATV och IPTV distribution: 75 ohm genomgående. RG11 för antennfall och långa trunkar, RG6 för typiska abonnentkörningar, RG59 för korta lappar bakom utrustning.
3. CCTV: 75 ohm över videoparet, inklusive siamesiska konstruktioner som bär likström vid sidan av koaxialen.
4. Trådlösa och RF-länkar: 50 ohm genomgående. RG58 för korta byglar, RG213 eller LMR400 där en längre matarkörning annars skulle förbruka länkbudgeten.

Om ett system verkligen måste korsa mellan domäner, till exempel en 50 ohm radio som driver ett 75 ohm antennsystem, använd en matchande pad eller transformator istället för en adapter och hopp. Impedanstolerans är också värt att sätta fast i det här skedet, eftersom en kabel som driver flera ohm från nominellt uppträder som en liten missmatchning vid varje skarv längs banan.

CCTV och små system: där 75 ohm-fel gömmer sig

Övervakningsarbetet testar impedansdisciplinen hårdast, eftersom lågprisadaptrar och blandade kameramärken möts i samma skåp. En sammansatt CCTV-körning är 75 ohm från kamerautgången, genom koaxialen, till inspelarens ingång, och en lös BNC eller en lös 50 ohm-adapter påverkar en kort kabel som är mindre än en lång.

Siamesiska konstruktioner som KX6 med ström, RG59 med ström eller RG6 med ström placerar ett 75 ohm videopar bredvid ett 18 eller 20 AWG strömpar. Det tar bort en separat strömkörning, men det ändrar inte regeln: avsluta koaxialen som 75 ohm i båda ändar, med 75 ohm BNC- eller F-kontakter och inga 50 ohm-delar däremellan.

Vad du ska kontrollera innan du köper

Impedans är den enklaste raden på ett datablad att verifiera och den som oftast tas på förtroende. Be en leverantör om sex artiklar innan du lägger en produktionsorder:

1. Nominell impedans och tolerans. En 75 ohm videokabel med angiven plus eller minus 3 ohm är normalt; allt bredare än plus eller minus 5 ohm förtjänar frågor.
2. Sopa eller strukturell returförlustdata över bandet du faktiskt kommer att använda, inte en enda frekvenspunkt.
3. Utbredningshastighet, typiskt 0,66 till 0,87 beroende på om dielektrikumet är fast eller skummat, vilket driver timing och längdberäkningar.
4. Anslutningsgränssnitt. Bekräfta 75 ohm F eller 75 ohm BNC efter behov, och avvisa blandad 50 ohm hårdvara för videosystem.
5. Standarder och överensstämmelsebevis, som EN 50117 för CATV-kablar eller JIS- och MIL-ekvivalenter, plus UL, ETL, CE, CPR, RoHS eller REACH där projektet kräver dem.
6. Konsistens längs trumman. Den dielektriska diametern som ställer in impedansen måste vara stabil över hela längden, så ett provprov från båda ändarna av en leverans är en rimlig kontroll.

Impedansen beter sig som en kedja: 50 eller 75 ohm vid varje led, eller en reflektion vid varje led. Matcha numret med applikationen, använd 75 ohm för video, CATV, satellit och CCTV, och 50 ohm för RF, trådlöst och testarbete, se sedan till att kablar, kontakter, adaptrar och utrustningsportar stämmer överens. När ett signalproblem överlever varannan förklaring, mät med en tidsdomänreflektometer innan du byter ut en annan kamera.