Matarledningar, koaxialkabel och kontakter

Matarledningen är vägen mellan sändare och antenn. Den ser ut som en vanlig sladd, men vid radiofrekvenser beter den sig som en egen komponent med en bestämd impedans, en fördröjning och en dämpning som växer med frekvensen. Ett val av kabel som duger på kortvåg kan äta upp mer än hälften av effekten på 70 cm-bandet. Artikeln går igenom hur de vanliga ledningstyperna är byggda, hur du läser dämpningsdata och vilka kontakter som hör till vad.

Tre sorters matarledningar#

Alla matarledningar för radio gör samma sak: de håller kvar vågens energi i närheten av ledarna och leder den dit den ska. Skillnaden ligger i hur fältet är ordnat (figur 1).

• Koaxialkabel har en innerledare omgiven av isolering och en skärm av fläta eller folie. Fältet är instängt, så kabeln kan läggas nära metall och mark utan att påverkas mycket. Den är osymmetrisk (se balun och mantelströmmar).
• Symmetrisk ledning har två lika ledare med strömmar i motfas. Fälten från de två ledarna tar ut varandra på avstånd, så ledningen strålar lite om den är symmetriskt belastad. Fältet ligger öppet runt ledningen.
• Vågledare är ett ihåligt metallrör där vågen färdas som ett fältmönster i röret. Den används från några GHz och uppåt.

Karakteristisk impedans och hastighetsfaktor#

En lång ledning har induktans och kapacitans fördelade längs hela sin längd. Resultatet blir att en våg som går längs ledningen ser en fast karakteristisk impedans $Z_0$, oberoende av hur lång ledningen är. Den är en egenskap hos kabelns uppbyggnad, inte något du kan mäta med en vanlig ohmmeter. Begreppet impedans förklaras i Spänning, ström, effekt och impedans.

För koaxialkabel med innerledarens diameter $d$, skärmens innerdiameter $D$ och dielektrikumets relativa permittivitet ${\epsilon }_r$ gäller

Impedansen ökar när innerledaren blir tunnare i förhållande till skärmen. Med polyeten (${\epsilon }_r\approx \mathrm{2,3}$) ger förhållandet $D/d\approx \mathrm{3,5}$ ca 50 Ω. Skummad polyeten har lägre ${\epsilon }_r$, och ger samma impedans med ett mindre förhållande ($D/d\approx \mathrm{2,7}$).

Vågen går långsammare i dielektrikumet än i luft. Kvoten kallas hastighetsfaktor (VF, eng. velocity factor):

Våglängden i kabeln blir därför ${\lambda }_{\text{kabel}}=\mathrm{V}\mathrm{F}·{\lambda }_0$. Det är viktigt när du klipper kabel till en bestämd elektrisk längd, till exempel en kvartsvågstransformator eller en fasningsledning (se Frekvens, våglängd och periodtid).

Koaxialkabelns uppbyggnad#

Figur 2 visar de fyra lagren i en typisk koaxialkabel för radioamatörbruk.

Innerledaren är massiv koppartråd eller fintrådig litz. Massiv ledare har lägre dämpning men går sönder om kabeln böjs ofta, och passar fasta installationer. Dielektrikumet är oftast polyeten, antingen massiv eller skummad. Skärmen är en fläta av koppartråd, ofta kompletterad med aluminiumfolie, och ytterhöljet är PVC eller UV-beständig polyeten. För utomhusbruk är höljets kvalitet avgörande: en spricka släpper in vatten, och vatten i dielektrikumet ger stora förluster.

De vanligaste kabeltyperna:

• RG-58 är tunn (ca 5 mm) och flexibel. Den passar korta sträckor, portabelt bruk och mobila stationer, men har hög dämpning på VHF och UHF.
• RG-213 är en grov kabel (ca 10 mm) som länge var standard för fasta HF-stationer.
• Skumisolerade lågförlustkablar som LMR-400, Ecoflex 10 och Aircell 7 har hastighetsfaktor ca 0,83–0,85 och klart lägre dämpning än RG-213 vid samma storlek. Hård eller upprepad böjning skadar dem lättare.

Typbeteckningarna RG-58 och RG-213 kommer från amerikansk militärstandard, men tillverkarna gör kablar med samma beteckning av olika kvalitet. LMR är en tillverkares egen beteckning (Times Microwave), och Ecoflex och Aircell är tillverkarnas namn (SSB-Electronic) på sina kabelserier. Kontrollera alltid databladet.

Dämpning#

En signal som går genom en kabel blir svagare. Dämpningen anges i dB per 100 m (eller per 100 fot) vid en viss frekvens, och två fysikaliska effekter ligger bakom den:

• Ledarförlust. Vid höga frekvenser trängs strömmen ut mot ledarnas yta (skinneffekten). På 145 MHz går strömmen i koppar bara ca 5,5 µm in från ytan. Den effektiva resistansen växer med kvadratroten ur frekvensen.
• Dielektrisk förlust. Isoleringen värms av det växlande fältet. Förlusten växer direkt med frekvensen och blir dominerande på mikrovåg.

Dämpningen ökar därför ungefär med $\sqrt{f}$ på HF och VHF och snabbare på UHF och uppåt. I ett log–log-diagram blir kurvorna nästan raka linjer (figur 3).

Tabell 1. Typisk dämpning i dB per 100 m. Kolumnerna 145 MHz, 435 MHz och 1 GHz motsvarar närmaste tabellerade frekvens i tillverkarens datablad (144–150 MHz, 432–450 MHz och 900–1 000 MHz). Streck betyder att data saknas i de använda källorna.¹

Värdena är typvärden. Tillverkare redovisar ibland olika siffror för kablar med samma beteckning. Vid 50 MHz anger till exempel två källor 5,2 respektive 3,9 dB per 100 m för RG-213. Dämpningen ökar också med ålder, fukt och skarpa böjar. Beräkna med marginal.

Hur mycket går förlorat?#

Dämpning i dB räknas om till andel kvarvarande effekt med $P_{\text{ut}}/P_{\text{in}}={10}^{-a/10}$, där $a$ är kabelns totala dämpning (se Decibel och logaritmiska enheter). Dämpningen i dB är proportionell mot längden.

Samma förlust drabbar mottagningen. En passiv förlust före den första förstärkaren höjer mottagarens brustal med lika många dB (se Brus och signal–brusförhållande). På VHF, UHF och mikrovåg monterar man därför ofta en förförstärkare vid antennen eller placerar radion nära antennen. Vid 2,4 GHz dämpar 10 m Aircell 7 ungefär 3,6 dB, så mer än hälften av effekten går förlorad.

Dämpningen i tabellen gäller en ledning som är anpassad till sin last. Är antennen missanpassad blir förlusten större (se Ståendevågförhållande och impedansanpassning).

Stegledning och bandkabel#

En symmetrisk ledning består av två parallella trådar på fast avstånd. Är trådarna åtskilda av luft med mellanrum av isolerande distanser kallas den stegledning (eng. ladder line, open-wire line). Är de gjutna i en bandformad plastremsa kallas den bandkabel (eng. twin-lead). Impedansen för två trådar med diameter $d$ och centrumavstånd $s$ i luft är

För $2s/d\approx 43$ blir $Z_0\approx 450$ Ω. Det är en vanlig impedans för färdig stegledning. Bandkabel har ofta 300 Ω.

Stegledning har mycket låg dämpning eftersom nästan hela fältet ligger i luft och det inte finns någon skärm som ger förluster. Därför lämpar den sig för antenner som matas med hög impedans eller har hög missanpassning, som flerbandsdipoler och G5RV-antenner, där kabel med hög dämpning skulle ge stora förluster. Nackdelarna är att ledningen:

• måste hållas på avstånd från metall, regnrännor och mark (några gånger trådavståndet),
• ska hållas symmetrisk, annars uppstår mantelströmmar,
• inte kan anslutas direkt till en sändare, utan behöver en balun eller avstämmare med symmetrisk utgång.

Vågledare#

På mikrovåg blir både koaxkabelns dämpning och effekthanteringen ett problem. Då används vågledare: ihåliga metallrör, oftast med rektangulärt tvärsnitt, där vågen leds som ett fältmönster i röret. En rektangulär vågledare med bredden $a$ har en gränsfrekvens

för grundmoden (TE₁₀). Under gränsfrekvensen kommer ingen signal fram. En vågledare av typen WR-90, med bredden 22,86 mm, har $f_c=3·{10}^8/(2·\mathrm{0,02286})=\mathrm{6,56}$ GHz och används normalt mellan 8,2 och 12,4 GHz (X-bandet).

Vågledare har mycket låg dämpning och klarar höga effekter, och används därför i radarsändare, markstationer för satellit och radiolänkar (se Radiolänk och fast radio och Radarteknik: puls, doppler, FMCW och SAR). De är dyra, styva och frekvensbegränsade, så under ca 3 GHz är koax praktisk. Till vågledare hör särskilda flänsar, och de ansluts till antennen via koax-till-vågledare-övergångar.

Kontakter#

En kontakt ska hålla kabelns impedans genom skarven, vara mekaniskt stabil och tåla den frekvens och effekt den används på. Valet beror främst på frekvensen (tabell 2).

Tabell 2. Vanliga koaxialkontakter. Frekvensgränsen är en övre gräns enligt en sammanställning av tillverkaruppgifter, och tillverkarnas egna specifikationer kan skilja sig, särskilt för SMA.²

PL-259 (hankontakten) och SO-239 (honkontakten) kallas ofta bara ”UHF-kontakten”. Namnet syftar på tiden då ”ultra high frequency” gällde det som idag är 30–300 MHz, och kontakten är därför bra på HF men sämre på 70 cm-bandet. På 430 MHz och uppåt väljer man N-kontakt.

I mobilnäten är passiv intermodulation (PIM) ett problem: dåliga kontaktytor och rostiga skarvar kan bete sig som lätt ickelinjära dioder och blanda signaler. Det beskrivs i Linjäritet, intermodulation och dynamik, och är skälet till att 7/16- och 4.3-10-kontakterna är konstruerade för höga åtdragningsmoment.

Väderskydd#

Vatten är kabelns värsta fiende. Den som monterar en antenn utomhus bör:

• tejpa alla utomhuskontakter med självvulkaniserande tejp och därutanpå vanlig vinyltejp som skyddar mot sol, eller använda färdiga kontaktkåpor,
• vända kontakterna nedåt när det går, och ge kabeln en droppögla (en nedåtgående böj) före inträdet i huset så att vattnet rinner av,
• aldrig utsätta kabeln för skarpa böjar (följ minsta böjradien i databladet) eller klämma den,
• fästa kabeln regelbundet så att den inte slår mot masten,
• skydda sig mot åska med överspänningsskydd och jordning, se Åska och överspänningsskydd för antenner.

Vatten som väl tagit sig in i en koaxialkabel vandrar längs flätan och förstör dämpningen över flera meter. Den enda lösningen är då nästan alltid att byta kabel.

Kontrollfrågor#