Introducción Los cables coaxiales son la línea de transmisión más utilizada en aplicaciones de RF y microondas, reemplazando paulatinamente a las guías de onda, que antiguamente eran la única opción. Con el avance de la tecnología se fueron desarrollando cables coaxiales con menores pérdidas y R.O.E. más constantes.
Construcción Conductor interno de cobre solido o de hilos retorcidos (puede tener 7 o 19). Conductor externo con distintos tipos de malla, doble mallado, mallado con cintas, o conductor solido.
Introducción
Las principales características en un cable coaxial son las siguientes: Impedancia característica R.O.E. o pérdida de retorno Máxima frecuencia Perdidas de inserción
Sin embargo, existen otras características o parámetros que se deben considerar a la hora de incluirlos en algún sistema de RF o microondas como por ejemplo: Manejo de potencia Radio de giro Blindaje y crosstalk Resistencia de sus materiales a al intemperie, al fuego, roedores, etc. Tiempos de propagación de las señales.
Normas La especificación más difundida que rige la fabricación de los cables coaxiales es la norma militar del gobierno de los Estados Unidos MIL-C-17 que además de las características dimensionales y eléctricas, define una sigla que identifica a cada tipo de cable. Todos estos cables coaxiales están definidos con las letras RG seguida de un número (numeración progresiva del tipo) y de la letra U (especificación universal) o A/U, B/U, etc., que indican sucesivas modificaciones y sustituciones al tipo original. Por esta razón es de fundamental importancia identificar con la denominación RG únicamente los cables que cumplen en forma integral con la norma MIL-C-17, identificando con siglas distintas los que responden a otras especificaciones. Dos tipos de Cable RG 58: RG 58/U Conductor central: alambre de cobre rojo recocido de 0,90 mm de diámetro. Dieléctrico: (PEBD) polietileno de baja densidad de 2,95 mm de diámetro. Blindaje: malla trenzada de alambres de cobre rojo de 16 x 6 x 0,15 eficacia (90%). Cubierta exterior: (PVC) policloruro de vinilo color negro diámetro final 4,95 mm.
Normas RG 58/AU Conductor central: cuerda de 19 alambres de cobre estañado de 0,18 mm, diámetro final de la cuerda 0,88 mm. Dieléctrico: (PEBD) polietileno de baja densidad de 2,95 mm de diámetro. Blindaje: malla trenzada de alambres de cobre estañado de 16 x 6 x 0,15 mm eficacia (90%). Cubierta exterior: (PVC) policloruro de vinilo color negro diámetro final 4,95 mm
Impedancia Característica Esta determinada por el diámetro interno del conductor externo, el diámetro externo del conductor interno y la constante dieléctrica del medio. Los valores mas comunes son 50, 75 y 95 ohms, existiendo valores entre los 35 a los 180 ohms.
Cables coaxiales de: 50 ohms se utilizan en comunicaciones en RF y microondas. 75 ohms son usados en televisión por cable y video. 95 ohms se utilizan en aplicaciones de transmisión de datos.
50 ohms suele ser el valor de impedancia más utilizado en sistemas de RF, éste valor se adoptó como intermedio entre los valores de impedancia característica que maximizan el valor de potencia pico manejable (30ohms) y la minima perdida de insercion (77ohms).
http://www.microwaves101.com/encyclopedia/why50ohms.cfm
Impedancia Característica(cont)
Tabla con los distintos materiales dieléctricos utilizados para la fabricacion de cables con sus principales características.
El factor de disipación de un dieléctrico se define como:
En un cable coaxial ideal la onda viaja de un extremo al otro sin pérdidas de energía. En un cable real suceden dos cosas: Parte de la energía se pierde debido a que se transforma en calor y/o por pérdidas en el dieléctrico. Parte de la onda se refleja hacia la entrada.
Estas reflexiones se producen debido a variaciones en la impedancia a lo largo del cable por discontinuidades en la geometría del cable y por diferencias entre el cable y el dispositivo al cual se conecta. La interferencia entre las ondas incidente y reflejada produce una distribución de campos eléctrico y magnético a lo largo de la línea llamada onda estacionaria.
Uno de los métodos de medición del factor de reflexión (coeficiente de reflexión) de un cable es utilizando un TDR, enviando un pulso al cable (con Zs y ZL del mismo valor que la Zo teórica del cable) y midiendo en cada instante de tiempo el valor de las reflexiones parciales del cable. Estas reflexiones parciales se deben a pequeñas variaciones en la impedancia característica, para obtener la impedancia característica total se toma el valor estacionario del pulso reflejado. ROE, perdidas de retorno, coeficiente de reflexión y uniformidad en la impedancia
La magnitud de la reflexión se puede expresar de distintas maneras. La mas usual es el R.O.E. (Relación de Onda Estacionaria) o VSWR (Voltaje Standing Wave Ratio), cuyo valor ideal es 1 (o también se suele expresar como 1.00:1) indicando la inexistencia de potencia reflejada en el cable. También se suele expresar como pérdida de retorno, que es la relación entre la potencia reflejada y la potencia de entrada al cable expresada en dB. ROE, perdidas de retorno, coeficiente de reflexión y uniformidad en la impedancia
ROE, perdidas de retorno, coeficiente de reflexión y uniformidad en la impedancia
Es la pérdida de energía que sufre la onda al viajar a lo largo de un cable. Esta pérdida de energía se debe a dos factores: Pérdidas en los conductores Pérdidas en el dieléctrico
Pérdidas en los conductores: El conductor central y externo presentan una resistencia finita y disipan una parte de la energía en forma de calor. Estas pérdidas (k1) aumentan con la raíz cuadrada de la Frecuencia, ya que dependen de la “Sheet Resistance” o efecto piel por el cual los campos de la radiofrecuencia solo están presentes en una mínima profundidad del conductor. Si se aumenta el diámetro de los conductores, disminuye su resistencia superficial, por lo que se reduce la atenuación del cable. El conductor central y la malla son de cobre desnudo para aplicaciones comunes, y bañados en plata para aquellos casos donde se requiera menor atenuación. El conductor central puede ser sólido o trenzado, presentando este último mayor atenuación que el primero. k1, k2 ctes de forma del cond. Int. y ext. D y d en mm f en MHz Zc en ohms Pérdidas de inserción
Pérdidas en el dieléctrico: Dependiendo del tipo de dieléctrico utilizado, las perdidas serán mayores o menores, pero estas pérdidas son independientes del tamaño del cable, aumentando en forma lineal con la frecuencia. f en MHz
Pérdidas totales:
La ecuación anterior puede escribirse como:
Donde el primer termino representa las perdidas óhmicas y es función de la geometría del cable mientras que el segundo representa las perdidas en el dieléctrico y es función de las características físicas de éste. Según el fabricante de cables, nos facilitara los datos para usar una u otra ecuación, en pies o metros. Pérdidas de inserción
Pérdidas de inserción
Observando el siguiente gráfico de un cable coaxial tipo RG-214, se puede comprobar que las pérdidas en los conductores (cobre) predominan en baja frecuencia, mientras que las pérdidas en el dieléctrico predominan en las altas.
Para calcular la perdida de inserción total de un cable con conectores en sus extremos:
Pérdidas de inserción
Variación del IL: Con la temperatura: El valor del IL debe ser afectado por un coeficiente de temperatura (fig. Derecha), de encontrarse trabajando a un valor distinto de la temperatura a la que se lo especifica.
Con el coeficiente de reflexión: Si la carga esta desadaptada las perdidas en los conductores incrementaran según las siguientes curvas (abajo). Pérdidas de inserción
El blindaje en un cable coaxial se cuantifica como la relación en dB entre el nivel de la señal que se pierde a través del conductor externo (se irradia) y el nivel de la señal que circula por un tramo de cable de 1 pié de longitud (30cm).
La eficiencia del blindaje depende principalmente del conductor externo. Este puede ser: Mallado simple Alambres de cobre desnudos o plateados, cubrimiento 70% a 95% . Mallado doble Dos mallados simples sin aislación. Mallado Triaxial Dos mallados simples con una capa aislante entre ellos. Cintas entrelazadas Cintas de cobre en vez de alambres, cubrimiento del 90%. Cintas en espiral Cubrimiento del 100% Sólido Tubo de cobre o aluminio con cubrimiento del 100% Blindaje
En la siguiente tabla se detallan algunos de los blindajes utilizados Blindaje
Para calcular el valor del blindaje en cables de mas de 1 pie (30cm) se le debe sumar el valor: Blindaje
La aislación entre dos tramos de cables coaxiales es la suma de los factores de aislación de los cables y la aislación debido al “factor de acoplamiento” entre los tramos. Este factor depende del espacio relativo, posicionamiento y el ambiente donde están los cables así como también el tipo de puesta a tierra empleado.
En la práctica, sobre dos tramos extendidos de 6 m (20 pies) situados uno contra otro, se miden valores de crosstalk de -80 dB respecto a la señal presente en dichos tramos hasta 30 MHz.
Aislación o Cross Talk Velocidad de propagación La Vp se expresa como un porcentaje de la velocidad de la luz en el vacio. Depende principalmente del Er del dieléctrico en el cable.
Tiempo de demora Se especifica en ns/pie o en ns/m. Valores típicos son 3 a 5 ns/pie. Para conseguir demoras grandes se deben usar cables con Vp baja.
El valor de capacidad depende del dieléctrico y de la impedancia característica Zo del cable como muestra la siguiente tabla. Se expresa en pF/pie o pF/m.
Cables con Zo mas elevada poseen una capacidad distribuida menor, son utilizados para transmision- es de datos ya que distorsiona menos la señal. Capacidad Distribuida
Un cable coaxial tiene un limite teórico de frecuencia para el cual por encima de esta comienzan a propagarse modos superiores al TEM. Normalmente la frecuencia útil (recomendada por el fabricante) es mucho menor que la Fc teórica, dando un margen de seguridad fijado por el diseño del cable así como por los materiales con los que fue fabricado.
Frecuencia de corte
La atenuacion de un cable coaxil aumenta por:
Condiciones ambientales:
Luz solar, Humedad o vapor, inmersión en agua salada, vapores corrosivos, Bajo tierra, Llamas. Para cada aplicación particular los fabricantes de cables desarrollan cubiertas especiales.
Estabilidad de la atenuacion y vida util
Flexiones del cable: A pesar que el conductor interno sólido presenta menor atenuación que el conductor trenzado para un mismo diámetro, el conductor trenzado conjuntamente con la malla entrelazada se fabrican para aquellos casos donde se deben realizar repetidamente flexiones como ser en un laboratorio de mediciones. Cuanto mayor es el número de conductores trenzados, mayor es la flexibilidad del cable. Cada cable tiene un numero especificado de flexiones junto con un ángulo máximo de flexión, si se supera este ángulo, se modifican sus propiedades.
Cables flexibles (malla entrelazada) puede resistir un valor promedio de 1000 flexiones a 180 ° con un radio de 20 veces su diámetro. Si se utiliza en un sistema donde el cable queda permanentemente fijo, se puede reducir este radio a 5 veces el diámetro.
Cables semi-rígidos (conductor externo sólido de cobre o aluminio) no soporta más de 10 flexiones a 180 ° con un radio de 20 veces su diámetro. El radio mínimo recomendado es de 10 veces el diámetro. Si por cualquier motivo, el radio es menor que 5 veces el diámetro, el cable puede presentar problemas eléctricos y/o mecánicos.
Estabilidad de la atenuacion y vida util
Flexiones del cable: A pesar de estas consideraciones en algunos cables, a la primera flexión cambia la curva de perdida de inserción y después de la segunda flexión, el cable presenta una respuesta en frecuencia completamente distinta a la especificada, como lo muestra la siguiente figura. Estabilidad de la atenuacion y vida util
Envejecimiento con la Temperatura: Si se expone al cable a temperaturas extremas por un periodo prolongado de tiempo, se degradan sus características, una curva típica seria: Estabilidad de la atenuacion y vida util
Las pérdidas en un cable coaxial se traducen en la generación de calor tanto en los conductores como en el dieléctrico. La capacidad de manejo de potencia (media) es la habilidad de poder disipar este calor producido, siendo el limite asociado a la máxima temperatura de operación de los materiales usados especialmente el dieléctrico. Esto es debido a que la mayor parte de la disipación se produce en el conductor central.
La capacidad de manejo de potencia (power handling capability o PHC) en un cable coaxial es directamente proporcional a su tamaño e inversamente proporcional a su atenuación. Capacidad de manejo de potencia media (PHC)
Capacidad de manejo de potencia (PHC)
Capacidad de manejo de potencia (PHC) Corrección por temperatura:
Capacidad de manejo de potencia (PHC) Corrección por altitud:
“Cable OD”: outer diameter en pulg.
Capacidad de manejo de potencia (PHC) Corrección por ROE:
El factor k1 esta definido por curvas para cada cable, una curva típica genérica es:
Finalmente el valor PHC´ es el manejo de potencia equivalente que debería tener el Cable seleccionado, si se encontrara en condiciones de temperatura, altura y ROE ideales. Este PHC´ debe ser menor a la PHC especificada por el fabricante en condiciones normales.
Capacidad de manejo de potencia pico La potencia pico máxima que puede manejar el cable esta limitada por la ruptura de su dieléctrico, esto se produce por ejemplo en sistemas de AM donde la señal tiene por un periodo corto de tiempo una amplitud muy grande. Presurizando cables con dieléctrico de aire puede subirse la capacidad de manejo de potencia pico.
Referencias bibliograficas Notas de aplicación: – A guide to the selection of RF coaxial cable – Times Microwave ® – App Note 5A-021 – Maury Microwave® – Coaxial Cable Catalog & Handbook- Times Microwave® – Selecting a Transmission Line for Your Broadcast System – Andrew® – Coaxial Transmission Lines – RFSS ®