同軸ケーブルはなぜ高度に絶縁されているのか

同軸ケーブルとは何か

同軸ケーブルは、高周波の電気信号を最小限の干渉で伝送するように設計された種類の電気ケーブルです。中心導体（通常は銅または銅メッキワイヤ）が円筒状の絶縁層に囲まれており、その外側には導電性シールドが覆っています。このシールドは通常、アルミニウムまたは銅ワイヤーの編組/ブレイドから成る1〜4層で構成され、性能向上のためにアルミ箔と組み合わせることがあります。

主要な構成要素と構造

• 中心導体: 電気信号を伝送します。最適な導電性を得るために銅または銅被覆材料で作られています。

• 絶縁層: 中心導体とシールドを分離し、ショートサーキットを防ぎ、信号の整合性を維持します。

• 導電性シールド: 通常、編組メッシュまたは箔（または両方）で構成され、外部からの電磁干渉（EMI）をブロックし、ケーブル内での信号の制御を行います。

• 外側被覆: 物理的な損傷、湿気、環境要因からケーブルを保護する絶縁層です。

「同軸」という用語は、中心導体とシールドが同じ幾何学的軸上に配置されることから来ており、一貫した信号伝送と放射ロスの最小化を確保しています。

一般的な用途

同軸ケーブルは、信頼性の高い高周波信号伝送が必要な場面で広く使用されています：

• ケーブルテレビ（CATV）およびビデオ配信システム。

• 無線周波数（RF）およびマイクロ波通信、例えばアンテナや衛星アンテナ。

• コンピュータネットワーク（例：古いイーサネットシステム）および産業計装。

• オーディオおよびビデオ機器: テレビ、ゲーム機、オーディオシステムなどの接続。

他のケーブルに対する利点

非シールドケーブル（例：ツイストペアワイヤ）と比較して、同軸ケーブルは以下のような利点があります：

• EMIおよび無線周波数干渉（RFI）に対する優れた耐性。

• 長距離で高周波信号を伝送するための高い帯域幅。

• 安定したインピーダンスにより、一貫した信号品質が保証されます。

タイプとバリエーション

• RGケーブル: 標準化されたタイプ（例：RG-6、RG-59）で、CATVおよびネットワーキングで使用され、絶縁層の厚さとシールドの品質が異なります。

• 低損失同軸ケーブル: 高出力または長距離RFアプリケーション向けに設計され、太い導体と高度なシールドを使用しています。

• トリアクシャルケーブル: 極度のノイズ環境向けに追加の内部シールド層を備えており、プロフェッショナルオーディオや医療機器で一般的です。

同軸ケーブルの動作

銅線を通る電流では、すべてのエネルギーが目的地に到達するわけではありません。一部のエネルギーは、銅の内部抵抗によって熱として失われます。電気エネルギーは電子によって運ばれ、エネルギーを吸収した後、エネルギーレベル間をジャンプすることでさまざまな周波数と波長の電磁放射を放出します。

同軸ケーブルの応用

同軸ケーブルは、無線周波数（RF）信号の伝送ラインとして機能します。無線送受信機とアンテナを接続し、コンピュータネットワークでのデータ伝送を可能にし、テレビ信号の配信にも広く使用されています。

理想的な同軸ケーブルでは、電気信号を運ぶ電磁場は内導体と外導体の間にのみ限定されます。これにより、ケーブルは金属製の物体（例：雨樋）の近くに設置しても、信号伝送中の大きなパワーロスなしに機能します—他の伝送線路が信号を環境に漏らす可能性があるのとは対照的です。

ケーブル内の信号漏洩

信号漏洩は、ケーブルのシールドを透過する電磁場または放射によって発生し、全方向に起こり得ます。外部の信号もケーブル内に入り込むことがあり、干渉（侵入という過程）を引き起こします。侵入は雑音を導入し、信号品質を低下させます。逆に、ケーブル内の信号が環境に漏れる（排出）と、干渉が発生し、伝送効率が低下します。

なぜ同軸ケーブルは高絶縁性なのか

家庭用電気ケーブルは安全性とエネルギーロスの最小化のために絶縁されています。絶縁は、周囲へのエネルギーロスに対する高い抵抗性を提供します。同軸ケーブルも他のケーブルと同じように電磁放射や熱を放出しますが、強固な絶縁によりこれらの問題を軽減しています。単芯ケーブルの場合、絶縁による電気エネルギー漏洩への抵抗は以下の特性によって特徴付けられます：

• 電気絶縁抵抗: 現行漏れを最小限に抑え、ショートサーキットや環境干渉から保護する重要なパラメータです。

同軸ケーブルは、現代の通信および電子機器において、信号の整合性、耐久性、コスト効果をバランス良く提供する重要な部品であり、幅広い用途で使用されています。

• ρ = 導体の比抵抗。

• r₁ = 導体の半径。

• r₂ = 絶縁体の半径。

電磁波の普遍的な影響

私たちの日常生活中、常に全方位から電磁波に包まれています。近隣の放送局からの電波、マイクロ波、携帯電話の信号、赤外線など、無数の波が絶えず私たちの家を通ります。この普遍的な電磁環境は、重大な課題を提起します：
ケーブルから放出される波が他の波と同じ周波数または波長を持つ場合、干渉が発生します。ケーブルは信号を漏らし（強度を減じて妨害を引き起こす）、または近傍の信号を吸収し（パフォーマンスを劣化させる）可能性があります。

たとえば、携帯電話が動作し、ラジオがチューニングされ、テレビがオンになっている場合、
絶縁不良の同軸ケーブルは過剰な干渉によりオーディオが聞こえなくなる可能性があります。また、ラジオの近くに携帯電話を持ってくると、装置の電磁場が衝突して不要なノイズが発生することがよくあります。これは、同軸ケーブルにおける絶縁の基本的な役割を示しています。

同軸ケーブルにおける絶縁の役割

同軸ケーブルは、以下の2つの核心的な課題に対処するために強固な絶縁で設計されています：

• 信号漏洩（排出）の防止: 絶縁とシールドは一緒に働き、電磁場を内導体と外シールドの間の空間に厳密に制限します。この設計により、熱や放射信号としてのエネルギーロスが最小限に抑えられ、弱い信号（例：テレビ放送やネットワークデータ）が強く歪まずに保たれます。

• 外部干渉（侵入）の遮断: 多層シールド（通常、金属の編組と箔の組み合わせ）はバリアとして機能し、ラジオ、携帯電話基地局、その他の装置からの外部電磁波を跳ね返します。これは特に競合する周波数が飽和している環境で信号の純度を維持するために重要です。

同軸設計のエンジニアリング上の利点

同軸構造は、電界と磁界を
誘電体絶縁体（内導体とシールドの間の層）に制限します。この誘電体材料は、電気漏洩と熱伝導を防ぐために特別に選ばれており、結果として：

• 弱い信号（例：医療センサーまたは無線望遠鏡からの信号）は外部ノイズの影響を受けません。

• 高出力信号（例：産業または放送システム）は近隣の構造物に放射せず、干渉や安全上の危険性を減らします。

結論

電磁活動が支配的な世界では、同軸ケーブルは信頼性のある干渉フリーの信号伝送のソリューションとして際立っています。正確な絶縁、接地シールド、そして閉じ込められた電磁場を組み合わせた独自の設計により、微妙なデータストリームから高エネルギー信号まで、妥協することなく取り扱うことができます。これは、信号の整合性と効率が譲れないグローバルな通信から日常的なホームエンターテイメントシステムまで、幅広い用途で不可欠なものです。