สายโคแอกเซียลแบบสูญเสียน้อย: เปรียบเทียบ LMR, AL400 และ Belden

สายโคแอกเซียลแบบสูญเสียน้อย: เปรียบเทียบ LMR, AL400 และ Belden

ในฐานะวิศวกรระบบความถี่วิทยุที่ออกแบบระบบสายส่งสัญญาณเสาอากาศสำหรับสถานีฐาน ห้องปฏิบัติการ และการติดตั้งไร้สายภายนอก ผมเคยเห็นโครงการหลายแห่งหยุดชะงักเมื่อการตัดสินใจเลือกสายส่งสัญญาณซึ่งดูเหมือนจะตรงไปตรงมา กลับกลายเป็นประเด็นถกเถียงกันหลายรอบระหว่างทีมจัดซื้อ ทีมติดตั้ง และทีมความถี่วิทยุ สายโคแอกเซียลสูญเสียน้อยเป็นหนึ่งในหมวดผลิตภัณฑ์ที่ตารางข้อมูลจำเพาะดูเรียบง่ายเกินจริง แต่ทางเลือกเชิงปฏิบัติระหว่างสาย LMR AL400 และแบรนด์เบลดันนั้นมีความซับซ้อนอย่างยิ่ง

บทความนี้นำเสนอกรอบการเปรียบเทียบสำหรับครอบครัวสายโคแอกเซียลสูญเสียน้อยสามชนิดที่ใช้กันทั่วไปในงานความถี่วิทยุระดับมืออาชีพ โดยมีเป้าหมายเพื่อช่วยให้คุณสร้างกรอบการตัดสินใจ แทนที่จะเน้นผลิตภัณฑ์ใดผลิตภัณฑ์หนึ่งเป็นพิเศษ เนื่องจากการเลือกที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับแผนความถี่ของคุณ สภาพแวดล้อมในการติดตั้ง และข้อจำกัดด้านงบประมาณพร้อมกัน

อะไรทำให้สายโคแอกเซียลเป็นแบบสูญเสียพลังงานต่ำ

ก่อนเปรียบเทียบแบรนด์ต่าง ๆ การเข้าใจสิ่งที่ทำให้สายโคแอกเซียลแบบสูญเสียพลังงานต่ำแตกต่างจากแบบมาตรฐาน เช่น RG-58 หรือ RG-8 จะช่วยได้มาก กลไกหลักที่ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานในสายโคแอกเซียลมีสองประการ คือ ความต้านทานของตัวนำ (ซึ่งเกิดจากปรากฏการณ์ skin effect ที่ความถี่สูง) และการสูญเสียพลังงานในฉนวน (dielectric loss) ที่อยู่ระหว่างตัวนำภายในกับตัวนำภายนอก สายแบบสูญเสียพลังงานต่ำจัดการทั้งสองปัจจัยนี้โดยใช้ตัวนำกลางทำจากทองแดงบริสุทธิ์แบบแข็งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ใช้ฉนวนชนิดโฟมโพลีเอทิลีนหรือฉนวนที่มีช่องว่างอากาศ (air-spaced dielectric) ซึ่งมีค่า loss tangent ดีกว่าฉนวนโพลีเอทิลีนแบบแข็ง และใช้ตัวนำภายนอกที่มีรอยหยัก (corrugated) หรือมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ เพื่อลดความต้านทานผิว

ตั้งแต่ช่วงแรกที่ฉันเลือกสายโคแอกเซียล ฉันมุ่งเน้นเพียงการลดค่าการสูญเสียสัญญาณ (insertion loss) ต่อเมตรให้น้อยที่สุดตามข้อมูลในแผ่นข้อมูลเท่านั้น จุดบอดคือรัศมีการโค้งต่ำสุด (minimum bend radius) ซึ่งเป็นข้อจำกัดเชิงกายภาพอันแยกต่างหาก ทำให้สายที่มีการสูญเสียน้อยที่สุดไม่สามารถตอบสนองได้อย่างสม่ำเสมอภายในตู้กลางแจ้งหรือห้องอุปกรณ์ที่มีพื้นที่จำกัด

ซีรีส์ LMR: สายยืดหยุ่นสูญเสียน้อย สำหรับงานโครงสร้างพื้นฐาน

ตระกูลสาย LMR จากบริษัท Times Microwave ได้กลายเป็นมาตรฐานอ้างอิงหลักที่วิศวกรใช้เมื่อกำหนดสายโคแอกเซียลสูญเสียน้อยสำหรับแอปพลิเคชัน 50 โอห์ม LMR-400 ซึ่งเป็นสมาชิกที่ถูกระบุมากที่สุดในตระกูลนี้ ใช้ตัวนำภายนอกจากอะลูมิเนียมแข็งที่ผสานเข้ากับปลอกโพลีเอทิลีน ฉนวนโฟมโพลีเอทิลีน และตัวนำกลางจากทองแดงแข็ง ที่ความต้านทานเชิงตัวตน (impedance) 50 โอห์ม ค่าการลดทอนสัญญาณ (attenuation) ที่ประกาศไว้สำหรับ LMR-400 คือประมาณ 3.2 เดซิเบลต่อ 100 ฟุต ที่ความถี่ 900 เมกะเฮิร์ตซ์ และประมาณ 10.8 เดซิเบลต่อ 100 ฟุต ที่ความถี่ 5.8 กิกะเฮิร์ตซ์

สิ่งที่ทำให้ LMR แตกต่างจากทางเลือกแบบสูญเสียต่ำรุ่นเก่าคือปลอกภายนอกที่ทนต่อรังสี UV พร้อมความยืดหยุ่นสูงพอที่จะเดินสายรอบมุมได้ ซึ่งการออกแบบแบบร่องหยักแข็งไม่สามารถทำเช่นนั้นได้ รัศมีการโค้งต่ำสุดของ LMR-400 อยู่ที่ประมาณ 1 นิ้ว จึงใช้งานร่วมกับการเดินสายภายนอกและงานต่อสายในห้องอุปกรณ์ได้ส่วนใหญ่ โดยไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือดัดพิเศษ

สำหรับทีมจัดซื้อที่กำลังจัดหาสายโคแอกเซียลแบบ LMR400 ความสูญเสียต่ำ 50 โอห์ม สำหรับใช้เป็นสายฟีดเดอร์ของสถานีฐาน หรือโครงการโครงสร้างพื้นฐานไร้สาย สิ่งสำคัญคือต้องยืนยันให้แน่ชัดว่าชุดขั้วต่อที่ใช้นั้นประกอบด้วยฮาร์ดแวร์การติดตั้งปลายสายตามคำแนะนำของผู้ผลิต — สายในซีรีส์ LMR จำเป็นต้องใช้เครื่องมือบีบ (crimp) หรือเครื่องมือกด (compression) แบบเฉพาะ เพื่อให้บรรลุค่าการสูญเสียการแทรก (insertion loss) ที่ระบุไว้ และประสิทธิภาพในการกันน้ำและฝุ่นที่บริเวณรอยต่อขั้วต่อ

AL400: ทางเลือกที่คุ้มค่ากว่า พร้อมค่าการสูญเสียใกล้เคียงกัน

AL400 เป็นตัวแทนฟังก์ชันที่เทียบเท่าโดยตรงกับ LMR-400 ด้านเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (ประมาณ 0.405 นิ้ว) ค่าอิมพีแดนซ์ (50 โอห์ม) และลักษณะการสูญเสียสัญญาณ ความแตกต่างหลักอยู่ที่โครงสร้าง: AL400 มักใช้ตัวนำภายนอกเป็นฟอยล์อลูมิเนียม แทนที่จะใช้อลูมิเนียมแบบเชื่อมแน่นเหมือนใน LMR และสารประกอบปลอกหุ้มอาจแตกต่างกันไปตามผู้ผลิต

ความแตกต่างของค่าการสูญเสียการแทรก (insertion loss) ระหว่างสาย AL400 ที่ผลิตอย่างดีกับสาย LMR-400 มาตรฐานนั้นเล็กน้อยมากสำหรับการใช้งานโครงสร้างพื้นฐานทั่วไปในช่วงความถี่ 400 MHz ถึง 2.5 GHz จุดที่มีความแตกต่างที่สังเกตได้คือ สมรรถนะภายใต้รังสี UV และสภาพแวดล้อมในระยะยาว ความสม่ำเสมอของการต่อหัวต่อ (connector termination) และความเสถียรของคุณสมบัติทางไฟฟ้าระหว่างแต่ละล็อตการผลิต ถ้าการใช้งานของท่านอยู่ในสภาพแวดล้อมภายในอาคารที่ควบคุมได้ หรือสายเคเบิลถูกป้องกันอย่างดีภายในท่อร้อยสาย (conduit) สาย AL400 จะให้สมรรถนะทางไฟฟ้าเทียบเท่ากัน แต่ต้นทุนต่อหน่วยต่ำกว่า สำหรับการฝังโดยตรงลงดินหรือการเดินสายกลางแจ้งแบบเปิดเผย ข้อกำหนดวัสดุของปลอกหุ้ม (jacket) และตัวนำชั้นนอกจะกลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความน่าเชื่อถือในระยะเวลาระยะยาวหลายปี

Belden 9913 และ 9913F7: มาตรฐานสมรรถนะที่ได้รับการยอมรับแล้ว

เบลเดน 9913 คือสายโคแอกเซียลแบบสูญเสียน้อย 50 โอห์ม ที่มีมาตั้งแต่ก่อนจะมีสายในตระกูล LMR และยังคงถูกระบุใช้งานอย่างแพร่หลายในงานวิทยุสมัครเล่น งานสัญญาณ RF สำหรับระบบเสียงมืออาชีพ และโครงสร้างพื้นฐานรุ่นเก่า สาย 9913 ใช้ตัวนำกลางทำจากทองแดงแข็ง และตัวนำด้านนอกแบบผสมระหว่างฟอยล์กับถัก ขณะที่รุ่น 9913F7 ใช้ตัวนำกลางแบบลวดถักเพื่อความยืดหยุ่นที่ดีขึ้น

การสูญเสียจากการแทรกของเบลเดน 9913 เทียบเคียงได้กับ LMR-400 ที่ความถี่ VHF และ UHF ระดับต่ำกว่า ที่ความถี่สูงขึ้น ตัวนำกลางแบบลวดถักของรุ่น 9913F7 จะก่อให้เกิดการสูญเสียเชิงความต้านทานสูงขึ้นเล็กน้อย เมื่อเทียบกับตัวนำกลางแบบแข็งของรุ่น 9913 มาตรฐานหรือ LMR-400 สำหรับการใช้งานที่ความถี่ 2.4 กิกะเฮิร์ตซ์ขึ้นไป ความแตกต่างนี้—ซึ่งมีค่าการลดทอนสูงกว่ารุ่น F7 ประมาณร้อยละ 5 ถึง 10—อาจมีผลต่อการคำนวณงบประมาณการเชื่อมโยง (link budget) ที่มีขอบเขตแคบ

จุดที่เบลเดนมีข้อได้เปรียบคือความลึกของระบบนิเวศตัวเชื่อมต่อ และความสามารถในการทำงานร่วมกันระหว่างผู้ผลิตหลายราย สำหรับระบบที่มีชุดเครื่องมือตัวเชื่อมต่อและผู้จัดจำหน่ายที่ผ่านการรับรองแล้วอย่างแน่นอน เบลเดน 9913 สามารถใช้งานร่วมกับอุปกรณ์สิ้นสุดการต่อสาย (termination hardware) ที่เข้ากันได้จากผู้จัดจำหน่ายหลากหลายราย ซึ่งจะช่วยลดระยะเวลาการจัดซื้ออุปกรณ์เสริม

เปรียบเทียบการลดทอนสัญญาณที่ความถี่หลัก

ตัวเลขเหล่านี้เป็นค่าโดยประมาณ และควรตรวจสอบให้แน่ชัดกับแผ่นข้อมูลล่าสุดจากผู้ผลิตสำหรับแผนความถี่เฉพาะของท่าน ค่าการสูญเสียจากการแทรก (insertion loss) ที่ระบุในแผ่นข้อมูลเป็นจุดเริ่มต้นที่มีประโยชน์—จริงๆ แล้ว ค่านั้นใกล้เคียงกับค่าต่ำสุดมากกว่า—เนื่องจากประสิทธิภาพในการติดตั้งจริงในสนามขึ้นอยู่กับจำนวนตัวเชื่อมต่อที่อยู่ในห่วงโซ่ และวิธีการต่อปลายสายรวมถึงแรงบิดที่ใช้

50 โอห์ม เทียบกับ 75 โอห์ม: การจับคู่อิมพีแดนซ์ให้สอดคล้องกับการใช้งาน

การเปรียบเทียบข้างต้นครอบคลุมเฉพาะสายเคเบิล 50 โอห์ม ซึ่งเป็นตัวเลือกที่ถูกต้องสำหรับระบบส่งสัญญาณความถี่วิทยุระดับมืออาชีพ รวมถึงสายฟีเดอร์ของสถานีฐาน การติดตั้งวิทยุสมัครเล่น โครงสร้างพื้นฐานไว-ไฟ และสายเคเบิลไมโครเวฟสำหรับการเชื่อมโยงแบบแบ็กโฮลและแบบจุดต่อจุด มาตรฐาน 50 โอห์มนี้ออกแบบมาเพื่อให้เกิดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความสามารถในการรับกำลังไฟฟ้ากับการสูญเสียสัญญาณในระบบที่ส่งและรับสัญญาณ

สำหรับการกระจายสัญญาณวิดีโอ ระบบกล้องวงจรปิด (CCTV) และโครงสร้างพื้นฐานโทรทัศน์ผ่านสายเคเบิล มาตรฐานที่เกี่ยวข้องคือ 75 โอห์ม โดยสาย RG6 และขั้วต่อสาย rg6 ที่เกี่ยวข้อง (ประเภท F และ BNC 75 โอห์ม) เป็นมาตรฐานทั่วไป ส่วนสายเคเบิลแบบไซแอมีส (siamese) RG59 ซึ่งประกอบด้วยสายโคแอ็กเซียล RG59 คู่กับสายจ่ายไฟในปลอกเดียวกัน เพื่อส่งทั้งพลังงานและสัญญาณไปยังกล้อง เป็นทางเลือกทั่วไปสำหรับการติดตั้งระบบ CCTV แบบอะนาล็อกที่ระยะทางสั้น โดยประสิทธิภาพการสูญเสียน้อยไม่ใช่ปัจจัยหลัก เท่ากับความสะดวกในการเดินสายที่รวมทั้งพลังงานและสัญญาณไว้ในเส้นเดียว

หากการใช้งานของท่านเกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณความถี่วิทยุ (RF) ที่ค่าอิมพีแดนซ์ 50 โอห์ม และการแจกจ่ายสัญญาณวิดีโอที่ค่าอิมพีแดนซ์ 75 โอห์ม สายเคเบิลทั้งสองประเภทนี้จัดเป็นตระกูลที่แยกจากกันอย่างชัดเจน และมีคุณสมบัติด้านอิมพีแดนซ์ที่ไม่สามารถใช้ร่วมกันได้ การนำสายทั้งสองชนิดมาเชื่อมต่อกันในสายสัญญาณโดยไม่มีการจับคู่อิมพีแดนซ์จะก่อให้เกิดสัญญาณสะท้อน ซึ่งการวัดค่า VSWR จะตรวจจับปัญหานี้ได้ทันที

ข้อพิจารณาในการติดตั้ง: รัศมีการโค้งงอ และการต่อหัวต่อ

ก่อนเลือกสายโคแอกเซียลแบบสูญเสียน้อย โปรดตรวจสอบรัศมีการโค้งงอขั้นต่ำเทียบกับรูปทรงทางเรขาคณิตของการเดินสายจริงของท่าน สาย LMR-400 มีข้อกำหนดรัศมีการโค้งงอครั้งเดียวขั้นต่ำประมาณ 1 นิ้ว และรัศมีการโค้งงอซ้ำๆ ขั้นต่ำประมาณ 4 นิ้ว ดังนั้น สำหรับการเดินสายไมโครเวฟภายในตู้อุปกรณ์หรือผ่านท่อร้อยสายที่มีการโค้งงออย่างจำกัด สาย LMR-400 ยังสามารถจัดการได้ แต่ไม่ยืดหยุ่นเท่าสายที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า สาย AL400 โดยทั่วไปมีข้อกำหนดรัศมีการโค้งงอเท่ากับ LMR-400 เนื่องจากมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกใกล้เคียงกัน

การเลือกตัวเชื่อมต่อต้องสอดคล้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสายเคเบิลและวัสดุปลอกหุ้ม กรณีใช้เครื่องมือติดตั้งตัวเชื่อมต่อที่ผู้ผลิตไม่แนะนำสำหรับสายเคเบิลแบบ LMR ถือเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้ค่า VSWR สูงขึ้นอย่างต่อเนื่องที่สังเกตพบในการติดตั้งจริง — เนื่องจากเรขาคณิตของการบีบอัดหรือการรีด (crimp) นั้นขึ้นอยู่กับชนิดของสายเคเบิลโดยตรง และหากปลายสายติดตั้งไม่ถูกต้อง จะก่อให้เกิดการสะท้อนซึ่งสายเคเบิลเองไม่ได้เป็นสาเหตุ

ควรเลือกสายโคแอกเซียลแบบสูญเสียน้อยประเภทใด

หากข้อจำกัดหลักของท่านคือประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งและช่วงความถี่ที่ครอบคลุมจนถึง 5.8 กิกะเฮิร์ตซ์ สายเคเบิล LMR-400 ให้ชุดคุณสมบัติที่ผ่านการพิสูจน์แล้วมากที่สุด ได้แก่ ปลอกที่ทนต่อรังสี UV ประสิทธิภาพการสูญเสียของตัวนำแบบแข็ง และความพร้อมใช้งานของเครื่องมือสำหรับต่อหัวต่อ หากข้อจำกัดของท่านคือต้นทุนต่อหน่วยสำหรับการติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานปริมาณมากในสภาพแวดล้อมที่ได้รับการป้องกันหรือภายในอาคาร สายเคเบิล AL400 จะให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เทียบเคียงได้ในราคาที่ต่ำกว่า แต่ท่านควรตรวจสอบข้อกำหนดเกี่ยวกับปลอกและตัวนำด้านนอกจากผู้จัดจำหน่ายก่อนตัดสินใจสั่งซื้อจำนวนมาก หากแอปพลิเคชันของท่านอยู่ในช่วงความถี่ VHF ถึง UHF และท่านมีโครงสร้างพื้นฐานหัวต่อที่เข้ากันได้กับแบรนด์ Belden อยู่แล้ว สายเคเบิล Belden 9913 ยังคงเป็นตัวเลือกที่มีศักยภาพทางเทคนิคอย่างแข็งแกร่ง — เพียงแต่ระบุรุ่น 9913 แทนที่จะเป็น 9913F7 หากการสูญเสียการแทรกสอด (insertion loss) ที่ความถี่ 2.4 กิกะเฮิร์ตซ์หรือสูงกว่านั้นมีผลต่องบประมาณของลิงก์

ไม่มีสายโคแอกเซียลแบบสูญเสียน้อยที่เหนือกว่าทั่วไปเพียงชนิดเดียว—ตัวเลือกที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับแผนความถี่ของคุณ สภาพแวดล้อมในการติดตั้ง และชุดเครื่องมือสำหรับต่อหัวต่อที่คุณได้รับรองไว้แล้ว สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการตัดสินใจโดยพิจารณาจากค่าการลดทอน รัศมีการดัดที่ยอมรับได้ และการให้คะแนนความทนทานต่อสภาพแวดล้อม ซึ่งควรทำก่อนที่สายจะมาถึงสถานที่ติดตั้ง ไม่ใช่หลังจากที่สายมาถึงแล้ว