동축 케이블

3. 구조 및 원리

동축 케이블은 1개의 심선을 축으로 하여 동축 원통형에 외부 도체를 배치한 케이블로, 높은 주파수를 사용해도 누화가 적다. 수십 MHz 전류의 장거리 전송이 가능하며, 12MHz에서 2,700개의 통신로를 가진 동축 케이블이 상용화되었다.

동축 케이블은 내부 도체(주로 구리, 연선 구리, 구리 도금 강철)를 절연층으로 감싸고, 이를 다시 금속 직조 피복과 금속 테이프로 둘러싼 차폐층으로 감싸 신호를 전달한다.^[2] 케이블은 외부 절연 재킷으로 보호된다. 차폐층 외부는 접지 전위로 유지되고, 중앙 도체에 신호 전달 전압이 인가된다. 차동 신호를 사용하여 신호의 전기장과 자기장을 유전체에 제한하고, 외부 간섭을 최소화한다.^[2][3] 이러한 특성으로 약한 신호나 강력한 전기 신호를 전달하는 데 적합하다.^[3]

3. 1. 구조

• 내부 도체: 일반적으로 고체 구리, 연선 구리 또는 구리 도금 강철 와이어로 만들어진다. 고주파 성능을 위해 은도금을 하기도 한다.^[5]
• 절연층: 내부 도체를 감싸는 층으로, 고체 폴리에틸렌(PE), 테플론(PTFE), 발포 플라스틱 또는 공기(스페이서를 사용) 등이 사용된다.^[5]
• 차폐층: 1~4겹의 금속 직조 피복과 금속 테이프로 구성되어 전기 신호 누설을 최소화한다. 꼰 구리선, 이중 차폐, 호일 차폐 등 다양한 형태가 있다.^[2][5]
• 외부 절연 재킷: 케이블을 보호하는 외부 층으로, PVC 등 다양한 재료가 사용되며, 외부 환경에 따라 내화, 내자외선, 내산화, 방수 등의 기능을 갖춘 재료가 사용되기도 한다.^[5]

3. 2. 원리

4. 특성 임피던스

동축 케이블의 특성 임피던스($Z\_0$)는 케이블의 중요한 전기적 특성으로, 내부 절연체의 유전율과 내부 및 외부 도체의 반지름에 따라 결정된다.^[3] 케이블 길이가 전송되는 신호의 파장과 비슷한 무선 주파수 시스템에서는 손실을 최소화하기 위해 균일한 케이블 특성 임피던스가 중요하다. 소스 및 부하 임피던스는 최대 전력 전달 및 최소 정재파 비를 보장하기 위해 케이블의 임피던스와 일치하도록 선택된다.^[3]

내부 도체의 직경이 $d$, 외부 도체의 내경이 $D$이고, 절연체의 유전율이 $\backslash epsilon$, 투자율이 $\backslash mu$인 동축 케이블의 특성 임피던스는 손실을 무시할 수 있는 경우, 다음과 같이 주어진다.

:$Z\_0\; =\; \backslash frac\{1\}\{2\backslash pi\}\; \backslash sqrt\{\backslash frac\{\backslash mu\}\{\backslash epsilon\}\}\backslash ln(D/d)$

비투자율을 1로 근사하면, 비유전율을 $\backslash kappa$로 하여 다음과 같이 구할 수 있다.

:$Z\_0/\backslash Omega\; \backslash simeq\; \backslash frac\{138\}\{\backslash sqrt\{\backslash kappa\}\}\backslash log\_\{10\}(D/d)$

특성 임피던스는 주로 무선 기기 등의 전력 전송용으로는 50Ω이, 주로 텔레비전 수상기 등의 신호 전송용으로는 75Ω이 일반적이다.

동축 케이블의 절연체에는 당초 공기가 사용되었으며, 이 경우 도체 직경비 $D/d$를 최적으로(손실이 적게) 하면 특성 임피던스가 약 75Ω이 된다. 최근에는 절연체에 폴리에틸렌이 주로 사용되지만, 이 경우 도체 직경비를 최적으로 하면 약 50Ω이 된다. 이로부터 일반적인 임피던스가 75Ω 및 50Ω이 주류가 되었다고도 말해지지만, 여러 설이 있으며, 실제로는 불명확하다.

5. 종류

동축 케이블은 용도, 특성 임피던스, 사용 주파수, 구조 등에 따라 다양하게 분류된다.

동축 케이블 설계는 물리적 크기, 주파수 성능, 감쇠, 전력 처리 능력, 유연성, 강도 및 비용에 영향을 미친다. 내부 도체는 단선 또는 다선일 수 있으며, 다선이 더 유연하다. 고주파 성능을 향상시키기 위해 내부 도체에 은 도금을 할 수 있다. 케이블 TV 업계에서 사용되는 케이블의 내부 도체로는 구리 도금 강선이 자주 사용된다.^[5]

내부 도체를 둘러싸는 절연체는 고체 플라스틱, 발포 플라스틱 또는 내부 와이어를 지지하는 스페이서가 있는 공기일 수 있다. 유전 절연체의 특성은 케이블의 일부 전기적 특성을 결정한다. 일반적인 선택은 저손실 케이블에 사용되는 고체 폴리에틸렌(PE) 절연체이다. 고체 테플론(PTFE)도 절연체로 사용된다. 일부 동축선은 공기(또는 다른 기체)를 사용하고 스페이서를 사용하여 내부 도체가 차폐체에 닿지 않도록 한다.

많은 기존 동축 케이블은 차폐체를 형성하는 꼰 구리선을 사용한다. 이를 통해 케이블이 유연해지지만, 차폐층에 틈이 생기고 꼬임이 평평할 수 없기 때문에 차폐체의 내부 치수가 약간씩 달라진다. 때때로 꼬임에 은 도금을 한다. 더 나은 차폐 성능을 위해 일부 케이블에는 이중 차폐층이 있다.^[5] 차폐체는 두 개의 꼬임일 수 있지만, 현재는 와이어 꼬임으로 덮인 얇은 호일 차폐체를 사용하는 것이 더 일반적이다. 일부 케이블은 "쿼드 차폐"와 같이 호일과 꼬임을 번갈아 가며 사용하는 4개의 층 이상의 차폐층에 투자할 수 있다. 다른 차폐 설계는 더 나은 성능을 위해 유연성을 희생한다. 일부 차폐체는 고체 금속 튜브이다. 이러한 케이블은 급격하게 구부릴 수 없다. 호일 차폐체를 사용하는 경우 호일에 통합된 작은 와이어 도체는 차폐 종단을 더 쉽게 납땜할 수 있도록 한다.

최대 약 1 GHz까지의 고전력 무선 주파수 전송을 위해 약 0.64cm 이상의 크기로 고체 구리 외도체가 있는 동축 케이블을 사용할 수 있다. 외도체는 유연성을 허용하기 위해 벨로우스와 같이 주름져 있으며, 내부 도체는 공기 유전체에 가깝게 플라스틱 나선형으로 고정되어 있다.^[5]

동축 케이블에는 중심 도체와 차폐체 사이의 간격을 유지하기 위해 절연(유전) 재료의 내부 구조가 필요하다. 유전체 손실은 다음 순서대로 증가한다. 이상적인 유전체(손실 없음), 진공, 공기, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌 폼 및 고체 폴리에틸렌.

많은 케이블이 고체 유전체를 가지고 있지만, 다른 많은 케이블은 공기 또는 다른 기체를 최대한 많이 포함하는 발포 유전체를 가지고 손실을 줄인다. 폼 동축 케이블은 감쇠가 약 15% 적지만, 일부 유형의 폼 유전체는 습한 환경에서 수분을 흡수하여 손실을 크게 증가시킬 수 있다. 별이나 스포크 모양의 지지대가 더 좋지만 더 비싸고 습기 침투에 매우 취약하다. 중심 도체는 몇 센티미터마다 폴리에틸렌 디스크로 지지되었다. RG-62 유형과 같은 일부 저손실 동축 케이블에서는 도체와 재킷 내부 사이에 공간이 존재하도록 중심 도체가 폴리에틸렌의 나선형 가닥으로 지지된다. 공기의 낮은 유전율은 동일한 임피던스에서 더 큰 내부 직경과 동일한 차단 주파수에서 더 큰 외부 직경을 허용하여 옴 손실을 낮춘다. 내부 도체는 표면을 매끄럽게 하고 표피 효과로 인한 손실을 줄이기 위해 때로는 은 도금된다.^[5] 거친 표면은 전류 경로를 연장하고 피크에서 전류를 집중시켜 옴 손실을 증가시킨다.

절연 재킷은 PVC같은 여러 재료로 만들 수 있지만 일부 응용 분야에서는 내화 재료가 필요할 수 있다. 야외 응용 분야에서는 재킷이 자외선, 산화, 설치류 피해 또는 직매설에 견딜 수 있어야 한다. 침수 동축 케이블은 방수 젤을 사용한다. 내부 섀시 연결의 경우 절연 재킷을 생략할 수 있다.

동축 케이블의 종류는 매우 다양하며, RG-6/U, RG-58/U, 3C-2V, 5D-FB 등과 같이 용도와 특성에 따라 다양한 규격이 존재한다.

5. 1. 일반 동축 케이블

• RG 시리즈: 미국 군사 규격(MIL-SPEC)에서 유래된 명칭으로, 다양한 종류가 있다.

주요 RG 시리즈 케이블

• RG-6/U: 심선에는 AWG18을 사용한다. RG-6A/U는 임피던스가 75Ω이다. 외피 도체까지의 직경은 4.75mm로, 4C-2V와 5C-2V의 중간 크기이다. 케이블 텔레비전이나 미국에서는 텔레비전 수상기의 안테나 전원선으로 자주 사용된다.^[60]
• RG-58/U, RG-58B/U: 아마추어 무선에서 자주 사용된다. RG-58A/U・RG-58C/U는 임피던스가 50Ω이고, 내부 도체는 연선이다.^[60]

• 일본 JIS 규격:

주요 JIS 규격 케이블

• 임피던스 50Ω (D형) - JIS C 3501・C 3502 준수^[60]
• * 3D-2V, 5D-2V, 8D-2V: 무선기의 안테나 전원선으로 사용된다.
• * 5D-FB, 8D-FB, 10D-FB: 무선기기의 안테나 전원선으로 사용된다. 아마추어 무선에서 자주 사용된다. 절연체에 발포 폴리에틸렌을 사용하고, 외피 도체는 알루미늄 박과 편조선을 겹친 것을 사용하여 저손실이다.
• 임피던스 75Ω (C형) - JIS C 3501・C 3502 준수^[60]
• * 4C-2V, 5C-2V: 일본의 텔레비전 수상기의 안테나 전원선으로 사용된다. 4C-2V는 RG-6A, SYV-75-4(중화인민공화국 국가표준BG T14864-93) 상당, 5C-2V는 SYV-75-5 상당, 7C-2V는 RG-11・SYV-75-7 상당이다.
• * 3C-FV, 5C-FV, 7C-FV: 일본의 텔레비전 수상기의 안테나 전원선으로 사용되는 BS 방송에 대응하는 저손실 타입이다. 텔레비전 방송국이나 프로덕션의 베이스밴드 전송(BB, VBS, S-Bus 신호)에도 사용된다.
• * S-4C-FB, S-5C-HFB, S-7C-HFB: 일본의 텔레비전 수상기의 안테나 전원선으로 사용되는 CS 방송에 대응하는 초저손실 타입이다.
• 3C-2VS, 5C-2VS, 1.5C-2VS: 2V 케이블과 거의 동일하지만 중심 도체가 단선이 아닌 다수의 구리선으로 이루어진 사각 구조이다. 유연성이 높아 굴곡이 많은 곳에 사용된다. 이동식 임시 설비(TV 중계, 이벤트 영상 등)용 케이블로 적합하다.
• 2.8C-HD, 3C-HD, 4C-HD, 5CHD, 6C-HD, 7C-HD, 8C-HD: 3G/HD-SDI 전송용 케이블이다. 7C는 FB 케이블의 1.3배 전송 거리를 확보한다. 절연체가 3층 구조이다. 가격이 상당히 비싸다.
• 3C-FWS, 4C-FWS, 5C-FWS: FB 케이블은 임시 설비로 사용하는 경우 외부 알루미늄 테이프가 손상되어 감쇠 특성이 저하된다. 이를 개선한 타입의 케이블이다. 편조 차폐가 이중화되어 있으므로 케이블 스트리퍼를 사용할 수 없다. 또한 중심 도체는 가동 용도에 적합한 연선 도체를 사용하는 것이 일반적이다.

5. 2. 특수 동축 케이블

6. 응용 분야

동축 케이블은 라디오 주파수 신호의 전송선로로 사용된다. 그 용도는 다음과 같다.

다른 유형의 라디오 전송선로에 비해 동축 케이블의 장점 중 하나는 이상적인 동축 케이블에서는 신호를 전달하는 전자기장이 내부 및 외부 도체 사이의 공간에만 존재한다는 점이다. 이를 통해 동축 케이블은 빗물받이와 같은 금속 물체 옆에 설치될 수 있으며, 다른 유형의 전송선로에서 발생하는 전력 손실 없이 설치가 가능하다. 또한 동축 케이블은 외부 전자기 간섭으로부터 신호를 보호한다.^[60]

7. 문제점 및 해결 방안

동축 케이블은 외부 도체를 접지하고 내부 도체로 신호를 전달하는 방식 때문에 여러 문제점이 발생할 수 있다.
신호 누출:동축 케이블의 차폐층은 신호가 외부로 새어나가지 않도록 설계되었지만, 완벽하지 않다. 특히 케이블이 손상되거나, 꼬임이 있는 경우, 또는 차폐층에 틈이 있는 경우 신호 누출이 발생할 수 있다. 직경이 크고 차폐층이 여러 겹인 케이블일수록 누설이 적다.
접지 루프 (Ground loop):동축 케이블 네트워크와 주택 접지 시스템 간 전위차가 발생하면, 화면에 "험 바(hum bar)"라고 불리는 노이즈가 발생할 수 있다. 이는 넓은 수평 줄무늬 왜곡 형태로 나타난다. 주택에서 공통 접지에 적절히 접지함으로써 이러한 전위차를 줄여 문제를 해결할 수 있다.
케이블 손상:내부 도체의 절연체로 부드러운 발포 폴리에틸렌이 사용되기 때문에, 케이블을 꽉 묶으면 절연체가 변형되어 임피던스가 변하고 손실이 커진다. 또한, 내부 도체가 연동선이고 외부 도체의 편조가 단일이면, 설치 및 이동 시 굴곡이나 끌림으로 인해 손상되기 쉽다.
임피던스 불일치:소스 및 부하 임피던스는 최대 전력 전달 및 최소 정재파 비를 보장하기 위해 케이블의 임피던스와 일치해야 한다. 그렇지 않을 경우 신호 반사 및 손실이 발생한다.

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