Tất tần tật về cáp đồng trục

Cáp đồng trục là một trong những loại cáp điện quen thuộc nhất, hiện diện trong hầu hết các gia đình qua kết nối TV hoặc internet. Tuy nhiên, đằng sau vẻ ngoài đơn giản đó là một thiết kế kỹ thuật chính xác, được tạo ra để thực hiện một nhiệm vụ quan trọng: truyền tải tín hiệu tần số cao một cách hiệu quả và sạch sẽ.

I. Định nghĩa cáp đồng trục

Tên gọi “đồng trục” (coaxial) xuất phát từ chính cấu trúc của nó: một lõi dẫn trung tâm và một lớp lưới kim loại chống nhiễu bên ngoài có cùng một trục hình học. Thiết kế độc đáo này giúp “nhốt” toàn bộ sóng điện từ bên trong cáp, ngăn nó thất thoát ra ngoài và đồng thời bảo vệ nó khỏi nhiễu từ môi trường.

1. Cấu tạo chi tiết

Một sợi cáp đồng trục trông đơn giản nhưng thực chất bao gồm 4 lớp cơ bản, mỗi lớp có một vai trò riêng:

• Lõi dẫn trung tâm (Center Conductor): Thường là một sợi đồng đặc hoặc thép mạ đồng. Đây là nơi tín hiệu chính được truyền đi.
• Lớp điện môi cách điện (Dielectric Insulator): Một lớp nhựa xốp (thường là Polyethylene) bao bọc lõi trung tâm. Nó có nhiệm vụ cực kỳ quan trọng là giữ cho lõi dẫn và lớp chống nhiễu luôn có một khoảng cách đồng nhất trên toàn bộ chiều dài cáp, đảm bảo trở kháng của cáp không thay đổi.
• Lớp chống nhiễu (Shield): Đây là lớp dẫn điện bên ngoài, thường bao gồm một lớp lá nhôm mỏng và một lớp lưới kim loại bện bao bọc bên ngoài. Lớp này có hai nhiệm vụ: làm đường dẫn điện “về” cho tín hiệu và ngăn chặn nhiễu điện từ (EMI) từ bên ngoài xâm nhập vào.
  • Tạo thành một phần của mạch điện, làm đường dẫn “về” cho tín hiệu.
  • Giữ trường điện từ bên trong cáp, ngăn tín hiệu bị rò rỉ và gây thất thoát năng lượng.
  • Tạo ra một rào cản, ngăn chặn nhiễu điện từ từ môi trường bên ngoài xâm nhập và làm hỏng tín hiệu.

Các loại màn chắn phổ biến nhất là dạng lưới bện, dạng lá kim loại hoặc kết hợp cả hai. Hiệu quả của lớp chống nhiễu được đo bằng một thông số gọi là trở kháng bề mặt. Ở tần số rất cao (dải vi sóng), các kẽ hở nhỏ trong lớp lưới bện có thể làm rò rỉ năng lượng. Để khắc phục, người ta sử dụng cấu trúc cáp ba trục (triaxial), tức là thêm một lớp cách điện và một lớp chống nhiễu thứ hai, tạo ra khả năng che chắn gần như tuyệt đối.

• Vỏ bọc ngoài (Outer Jacket): Lớp nhựa PVC hoặc PE bên ngoài cùng, bảo vệ cáp khỏi các tác động vật lý và môi trường như độ ẩm, tia UV.

Trên thực tế, các loại cáp cao cấp có thể có cấu trúc phức tạp hơn rất nhiều, bao gồm nhiều lớp chống nhiễu, các hợp chất chống ẩm, gel chống nước và thậm chí cả dây thép chịu lực đi kèm (dây treo) cho các ứng dụng ngoài trời.

2. Vật liệu thiết kế

Chất lượng của cáp đồng trục phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu được sử dụng cho từng lớp:

• Lõi dẫn: Lõi bằng đồng đặc cho độ suy hao tín hiệu thấp nhất, đặc biệt quan trọng nếu cáp cần truyền cả nguồn điện DC (ví dụ như cấp nguồn cho bộ khuếch đại tín hiệu). Lõi thép mạ đồng là giải pháp kinh tế hơn cho tín hiệu tần số cao thuần túy (do hiệu ứng bề mặt, tín hiệu tần số cao chủ yếu chạy trên lớp đồng mạ bên ngoài).
• Lớp cách điện: Phải đồng nhất và đàn hồi tốt để không bị biến dạng khi uốn cong, vì bất kỳ sự thay đổi nào về khoảng cách giữa lõi và lớp chống nhiễu đều sẽ làm thay đổi trở kháng và gây suy hao tín hiệu.
• Lớp chống nhiễu: Lớp lá nhôm phải bao phủ 100% bề mặt điện môi. Lớp lưới bện càng dày (ví dụ 64% hoặc 90% mật độ) thì khả năng chống nhiễu càng tốt và cáp càng bền chắc.
• Vỏ bọc ngoài: Vỏ bọc làm từ nhựa nguyên sinh sẽ bền hơn và chống chịu thời tiết tốt hơn nhiều so với nhựa tái chế, vốn có thể bị giòn, nứt vỡ chỉ sau 1-2 năm sử dụng ngoài trời.

3. Phân loại

Note: Iner conductor (ruột dẫn trong), outer conductor (ruột dẫn ngoài), cable core (lõi cáp), inner dielectric (cách điện trong), outer dielectric (cách điện ngoài), braid (màn chắn xoắn bím tóc), armor (giáp), inner jacket (vỏ bọc trong), outer jacker (vỏ bọc ngoài).

• Đồng trục (Coxial): Một dây cáp đồng trục cơ bản có thể được định nghĩa là cáp có dây đồng tâm, hình trụ, được ngăn cách bởi một số loại vật liệu cách điện; có một lớp là ruột dẫn trong và lớp kia là ruột dẫn bên ngoài.

• Đồng trục đôi (Twin Coxial): Cáp đồng trục đôi bao gồm hai dây dẫn có lớp cách điện riêng lẻ, bên trong một lớp màn chắn chung. Các dây dẫn cách điện này được đặt song song với nhau hoặc xoắn quanh nhau và được đặt đồng tâm bên trong lõi của cáp.

• Đồng trục kép (Dual Coxial): Cáp đồng trục kép là hai dây cáp đồng trục riêng lẻ, được đặt song song với nhau hoặc xoắn quanh nhau và được đặt đồng tâm trong một vỏ bọc chung hoặc một màn chắn và vỏ bọc bổ sung.

• Cáp đồng trục có màn chắn kép (double shielded coaxial): Đôi khi, cáp đồng trục có lớp màn chắn kép được chỉ định khi cần có những cải tiến nhỏ so với lớp màn chắn đơn. Loại cáp này có một màn chắn được bện trên màn chắn kia mà không có lớp cách điện nào giữa chúng.

• Cáp 3 trục (Triaxial): Cáp ba trục rất giống với cáp đồng trục và được sử dụng thay cho cáp đồng trục khi cần thêm hiệu quả màn chắn. Cáp này có dạng hình trụ, có một ruột dẫn trong nằm đồng tâm bên trong lõi cáp hoặc chất cách điện, nhưng có hai màn chắn được phân tách bằng vật liệu cách điện như polyetylen (PE) hoặc polytetrafluoroetylen (TFE).

Một số loại chuyên dụng khác:

1. Cáp xung (pulse cable): Truyền tải các xung điện áp và dòng điện cực lớn trong thời gian rất ngắn (công suất đỉnh có thể đạt đến Megawatt), thường là dòng điện một chiều (DC).

Yêu cầu đặc biệt:

• Chống phóng điện Corona: Để chịu được điện áp cực cao, các lớp lõi dẫn, cách điện và lớp chống nhiễu phải được liên kết vật lý cực tốt với nhau để loại bỏ hoàn toàn các kẽ hở không khí.
• Hiệu quả chống nhiễu cao: Bắt buộc phải giảm thiểu bức xạ điện từ giả do công suất xung rất lớn, thường sử dụng cấu trúc ba trục (triaxial).

Thường sử dụng vật liệu cách điện là cao su thay vì nhựa Polyetylen (PE) thông thường. Cao su linh hoạt hơn và bám dính tốt hơn vào các lõi dẫn, giúp giảm thiểu ứng suất điện tại các điểm tiếp xúc.

2. Cáp trễ (delay line): Không phải để truyền tín hiệu đi nhanh nhất, mà là để làm chậm tín hiệu một cách có chủ đích và chính xác. Chúng được sử dụng trong các mạch tạo xung hoặc để đồng bộ hóa tín hiệu trong các hệ thống phức tạp.

• Cấu tạo đặc biệt: Lõi dẫn trong không phải là một sợi thẳng mà là một sợi dây tráng men rất mảnh được quấn xoắn ốc quanh một lõi cách điện. Cấu trúc xoắn ốc này làm tăng độ tự cảm và điện dung của cáp, khiến tín hiệu di chuyển chậm lại.

Ứng dụng: Thường thấy trong radar, các mạch định thời gian của máy tính và hệ thống truyền hình.

3. Cáp ít nhiễu (low noise cable): Giảm thiểu “tiếng ồn” điện sinh ra không phải từ nhiễu điện từ bên ngoài, mà từ chính các tác động cơ học lên sợi cáp (như va đập, uốn cong, rung động).

• Cấu tạo đặc biệt: Có cấu trúc rất giống cáp đồng trục thông thường, nhưng có thêm một lớp vật liệu bán dẫn (thường là carbon) được phủ lên trên lớp điện môi, ngay bên dưới lớp lưới chống nhiễu.

Cơ chế hoạt động: Lớp bán dẫn này hoạt động như một lớp đệm, hấp thụ và triệt tiêu các tín hiệu điện giả được tạo ra do ma sát hoặc biến dạng cơ học giữa lớp cách điện và lớp chống nhiễu.