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1 UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES jéçáç~ëbäéåíêµåáå~ëo `~ÄäÉë`ç~ñá~äÉë ^ÄêáäOMNMIN bçáåáµå ^ÄêáäOMNOIoÉîáëáµå fåök^äéà~åçêçeéåòé

2 Índice 1- Introducción 2- Normas para cables coaxiles: 3- Impedancia característica 4- R.O.E., pérdidas de retorno, factor de reflexión y uniformidad en la impedancia 5- Pérdida de Inserción 5.1- Pérdidas en los conductores 5.2- Pérdidas en el dieléctrico 5.3. Influencia con la temperatura: 7- Blindaje 7.1- Mallado simple 7.2- Mallado doble 7.3- Triaxial 7.4- Cintas entrelazadas 7.5- Cintas en espiral 7.6- Sólido 8- Aislación o cross-talk 9- Capacidad distribuida 10- Velocidad de propagación Vg o Vp 11- Tiempo de demora 12- Frecuencia de cut-off 13- Estabilidad de la atenuación y vida útil Condiciones ambientales Luz solar Humedad o vapor de agua Inmersión en agua salada Vapores corrosivos Bajo tierra y acción galvánica Llamas Flexiones del cable Envejecimiento por temperatura 14- Capacidad en el manejo de potencia Página 2 de 17

3 1. Introducción: El cable coaxial es la línea de transmisión más utilizada en aplicaciones de RF y microondas, reemplazando paulatinamente a las guías de onda, que antiguamente era la única opción. Con el avance de la tecnología se fueron desarrollando cables coaxiales de mejor calidad, frecuencias mas altas, con menores pérdidas y R.O.E. más constantes. Las principales características en un cable coaxial son las siguientes: Impedancia característica R.O.E. o pérdida de retorno Máxima frecuencia de trabajo Pérdida de inserción Capacidad en el manejo de potencia Sin embargo, existen otras características o parámetros que se deben considerar a la hora de incluirlos en algún sistema de RF o microondas. 2. Normas para cables coaxiales: 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 coaxiles 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. 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.. Página 3 de 17

4 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 3. Impedancia característica: El valor de impedancia característica Zo en un cable coaxial se determina por la relación entre el diámetro interno del conductor externo D, y el diámetro externo del conductor interno d. Además también influye la constante dieléctrica ε r del material aislante entre ellos. Debido a que en alta frecuencia la onda de RF se propaga a través de la superficie de los conductores (se desprecia el efecto skin), los diámetros efectivos son los diámetros dimensionales D y d. εr Zo 60 ε r D ln d [Ω] d D El valor de la impedancia se selecciona según los requerimientos de un sistema. Los valores comerciales mas comunes son 50, 75 y 95 ohms de una gama de valores que van desde los 35 a los 185 ohms. Página 4 de 17

5 Cables coaxiles de 50 ohms se utilizan en comunicaciones en RF y microondas. Cables coaxiles de 75 ohms son usados en televisión por cable y video. Cables coaxiles de 95 ohms se utilizan en aplicaciones de transmisión de datos. El cable debe ser elegido para poder adaptar lo mejor posible entre dos componentes de un sistema. En teoría, impedancias de 75 ohms producen las atenuaciones mas bajas e impedancias de 35 ohms permiten el mayor manejo de potencia. En la práctica, debido a las pérdidas en conductores y dieléctricos, estas diferencias son muy pequeñas por lo que la disponibilidad de los cables y las características eléctricas son los principales factores de elección de la impedancia de un sistema. Material dieléctrico Constante Dieléctrica Factor de Disipación Resistividad Volumétrica (ohm-cm) Rango de Temperatura ( C) PTFE 2,07 0, to +250 Polyethylene 2,3 0, to +80 Foam Polyethylene 1,29-1,64 0, to +100 Polyvinylchloride 3,0-8,0 0,07 a 0,16 2x to +105 Polyamide 3,5-4,6 0,03 a 0,4 4x to +120 Silicon Rubber 2,1-3,5 0,007 a 0, to +250 Ethylen Propylene 2,24 0, to +105 FEP 2,1 0, to +200 Low Densit PTFE 1,38-1,73 0, to +250 Foam FEP 1,45 0, to +200 Polyimide 3,0-3,5 0,002 a 0, to +300 PFA 2,1 0, to +260 ETFE 2,6 0, to +150 ECTFE 2,5 0, to +150 PVDF 7,8 0, to +125 Tabla 1 4. R.O.E., pérdidas de retorno, factor de reflexión y uniformidad en la impedancia: 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. Estas pérdidas estarán caracterizadas por la llamada pérdida de inserción (IL) del cable [db / m] o en términos físicos, a la constante de atenuación α [Np / m]. 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 (diámetros o materiales, resistividad, etc.) y por diferencias de impedancias entre el cable y el dispositivo al cual se conecta. La mayor contribución a estas reflexiones la produce los conectores y la transición cable-conector. 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. La magnitud de la reflexión se puede expresar de distintas maneras. La mas usual es la R.O.E. (Relación de Onda Estacionaria) o VSWR (Voltage 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. El efecto sobre la onda que se propaga por el cable será de una pérdida por desadaptación (ML) en la potencia, la cual es proporcional al cuadrado del coeficiente de reflexión Γ. Página 5 de 17

6 ROE ( :1) Pérdida de retorno (RL) [db] Coeficiente de reflexión ( Γ ) Pérdida por desadaptación (ML) [db] Eficiencia de adaptación (ME) [%] Tabla 2 Prefl RL 10.log ML 10.log ( 1- Γ 2 ) Pincid Γ ROE ROE ME ( 1- Γ 2 ) Pérdida de Inserción (Insertion Loss): 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 Página 6 de 17

7 5.1. 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. Si se aumenta el diámetro de los conductores, disminuye su resistencia, 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 Pérdidas en el dieléctrico: Dependiendo del tipo de dieléctrico utilizado, las pérdidas serán mayores o menores. Sin embargo, estas pérdidas (k2) son independientes del tamaño del cable, aumentando en forma lineal con la frecuencia. Observando el siguiente gráfico de un cable coaxil 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. Pérdidas de Inserción RG-214 IL cobre IL dieléctrico IL total IL [db/100 pies] Frecuencia [MHz] IL k1. raíz (Frec [MHz]) + k2. Frec [MHz] [db/100 pies] k1: Constante de pérdida resistiva k2: Constante de pérdida del dieléctrico En este caso, las dos pérdidas se igualarían a los 20 GHz, pero la frecuencia de cut-off para este cable coaxial es de 13,2 GHz (según el fabricante). Para calcular la pérdida de inserción de un cable coaxil terminado en ambos extremos por algún tipo de conector, la IL total será: IL T IL cable + 2.IL conector [db] Página 7 de 17

8 5.3. Influencia con la temperatura: El valor de IL debe ser multiplicado por un factor de corrección si la temperatura ambiente es distinta a la normal (25 C), debido a que al aumentar la temperatura aumenta la resistencia de los conductores y también aumenta el factor de potencia del dieléctrico. Este factor de corrección se detalla en la siguiente figura. Fig. 3 Factor de corrección de la atenuación por temperatura 7- Blindaje: La línea de transmisión tipo coaxial posee un blindaje perfecto debido a que el conductor externo actúa como un escudo impidiendo que el campo TEM se irradie fuera de la línea, y además evita que otros campos electromagnéticos se induzcan dentro de la línea. En la práctica, este concepto no es del todo válido ya que se deberían cumplir las siguientes condiciones: La interfaz de conexión (entre conectores) debe ser perfecta, sin la aparición de gaps. Los conectores no pueden ser ranurados. El conductor externo del cable debe ser sólido. Esta última condición impediría que el cable sea flexible, siendo la flexibilidad una de las virtudes mecánicas más importantes en la mayoría de los cables coaxiales. Por lo tanto, 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). Como la eficiencia del blindaje depende principalmente del conductor externo, este último puede ser: Mallado simple Mallado doble Triaxial Cintas entrelazadas Cintas en espiral sólido Página 8 de 17

9 7.1- Mallado simple: Consiste en alambres de cobre desnudos o plateados con un cubrimiento entre el 70 % y el 95 % Mallado doble: Consiste en dos mallados simples y sin aislamiento entre ellos Triaxial: Consiste en dos mallados simples con una capa de aislante entre ellos Cintas entrelazadas: Se usan cintas de cobre en vez de alambres con un cubrimiento del 90 % Cintas en espiral: Tienen un cubrimiento del 100 % Sólido: Este es que mejor blindaje posee (cubrimiento del 100 %) ya que el conductor externo es completamente sólido. Existen 2 variantes: Tubo de aluminio o cobre liso. Se lo suele llamar cable semi-rígido y se emplea generalmente dentro de equipos de RF como cable de interconexón entre placas. Generalmente posee dieléctrico. Tubo de cobre corrugado llamado cable corrugado flexible. Es empleado en sistemas de transmisión y suele tener un dieléctrico tipo helicoidal, lo que minimiza las pérdidas respecto a un dieléctrico sólido. Cable corrugado de 1 5/8 pulgadas Página 9 de 17

10 En la Fig. 4 se ilustra la efectividad del blindaje en un rango de frecuencias entre 10 MHz y 8 GHz. Un valor aceptable ronda entre -80 y -100 db. Fig. 4 Efectividad del blindaje Para calcular el blindaje en cables de longitud mayores a 1 pié (hasta 1100 pies o 330 m) hay que sumarle al valor de la curva 20.log L con L en pies La curva de blindaje para el caso de conductor externo sólido (semi-rígido) es teórica siendo el valor práctico mucho menor debido a que la mayor pérdida se produce en la transición cable / conector y en el mismo conector. 8. Aislación o cross-talk: La aislación entre dos tramos de cables coaxiles 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 cross-talk de -80 db respecto a la señal presente en dichos tramos hasta 30 MHz. Página 10 de 17

11 9. Capacidad distribuida: 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. Tipo de Dieléctrico Impedancia (ohms) Capacidad (pf/pie) Velocidad (%) Constante Dieléctrica Demora (ns/pie) Solid Polyethylene Foam PE Foam PE Foam PE Foam PE Foam PE Foam PE Solid TFE Tape PTFE Low Density PTFE Low Density PTFE Solid Polyethylene Foam PE Foam PE Foam PE Foam PE Foam PE Foam PE Solid PTFE Low Density PTFE Low Density PTFE Solid Polyethylene Foam PE Air Spaced PE Solid PTFE Air Spaced PE Air Spaced PE Tabla 3 Cables con Zo más elevados presentan una capacidad distribuida menor. Por lo tanto, se utilizan el aplicaciones de transmisión digital de datos (distorsiona menos la información). Zo 50 Ω Zo 75 Ω Zo 95 Ω Zo 185 Ω 23 pf C/pie 30 pf 15 pf C/pie 20 pf 12 pf C/pie 16 pf C/pie 6 pf 10. Velocidad de propagación Vg o Vp: Depende del tipo de dieléctrico utilizado, es decir, de εr (permitividad relativa). Esta velocidad se expresa como un porcentaje de la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Los valores más comunes oscilan entre el 66 % y el 88 % (ver tabla 3). Página 11 de 17

12 11. Tiempo de demora: Se considera al construirse líneas de demora con cables coaxiles. Se expresa en ns/pie o ns/m con valores entre 3,8 y 5 ns/m. Si se quiere tener una determinada demora con la mínima longitud de cable posible, se debe usar cables con Vp lo mas chico posible. 12. Frecuencia de cut-off: Es la frecuencia por encima de la cual aparecen modos de propagación distintas al transversal electromagnético (TEM). Esta frecuencia depende del diámetro medio de los conductores y de Vp. Los modos de propagación de orden superior se producen en las discontinuidades de la impedancia del cable. En muchos casos se puede operar aún por encima de esta frecuencia sin aumentar demasiado el ROE o las pérdidas de inserción. Sin embargo, se recomienda no usar los cables por encima de este limite. Fcutoff. 190,5 εr ( D + d) [GHz] y [mm] Algunos ejemplos para cables comerciales son: Tipo Frec. máxima de operación [GHz] Frecuencia de cut-off [GHz] M17/84-RG223 12,4 32 M17/75-RG ,2 M17/113-RG M17/28-RG ,3 13. Estabilidad de la atenuación y vida útil: La atenuación de cables coaxiles se incrementa con el uso debido a: Condiciones ambientales Flexiones del cable Envejecimiento por temperatura Condiciones ambientales: El cable puede estar sujeto a las siguientes condiciones o ataques: Luz solar Humedad o vapor de agua Inmersión en agua salada Vapores corrosivos Bajo tierra y acción galvánica Llamas Luz solar: Se deben usar materiales adecuados para cubierta del cable, para minimizar el envejecimiento producido por los rayos UV. Página 12 de 17

13 Humedad o vapor de agua: Puede entrar al conductor a través de cualquier hendidura que se produce en la cubierta. Sin embargo, aun si la cubierta no sufre daños, con el tiempo el vapor paulatinamente atraviesa dicha cubierta aún las menos porosas, por lo que se debe usar un material con un factor de transmisión de vapor lo mínimo posible. En ambientes donde se junta humedad y altas temperaturas, se producen condensación en los cables. Esto llega a corrosionar al cable por lo que en estos casos se debe utilizar blindajes contra vapor Inmersión en agua salada: Las características eléctricas se degradan rápidamente al estar en contacto con agua salada. Salvo que se realicen pruebas de inmersión para verificar la performance de la cubierta, se estima que pueden aparecer hendiduras en el cable cada 300 m, sin considerar cualquier tipo de daño producido durante su instalación o por ataque de roedores Vapores corrosivos: Debido a que los conductores se recubren con plata o estaño, esto actúa de protección contra vapores corrosivos. Sin embargo, esta protección desaparece con el tiempo de uso Bajo tierra y acción galvánica: La acción de la humedad de la tierra causa una rápida corrosión en el cable, destruyendo en solo 90 días cables con malla de aluminio, por lo que en este caso el cable debe tener una cubierta libre de hendiduras. Para una confiabilidad máxima, se deben cubrir los cables con algún tipo de coraza o blindaje de acero Llamas: Se debe utilizar materiales en la cubierta y el dieléctrico tales que sean ignífugos o que presenten una determinada resistencia al fuego dependiendo de su aplicación. El siguiente cable muestra todos los blindajes que se pueden usar: A: Conductor central: Alambres trenzados de cobre cubierto de plata B: dieléctrico: PTFE (Politetrafluoroetileno) C: Primer blindaje: Cinta de cobre plateada D: Intercapa: Papel aluminio E: Segundo blindaje: Malla entrelazada de cobre cubierta de plata F: Blindaje contra vapor G: Cubierta externa Página 13 de 17

14 13.2. Flexiones del cable: A pesar que el conductor 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. 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 diámetro 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. 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. Fig. 4 Página 14 de 17

15 13.3. Envejecimiento por temperatura: Si se expone al cable bajo condiciones de temperatura constantes por periodos de tiempo largos, afecta directamente a la curva de atenuación dad por el fabricante, dependiendo del tipo de cable como muestra la figura 5. Fig Capacidad en el manejo de potencia: Las pérdidas en un cable coaxil 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 coaxil es directamente proporcional a su tamaño e inversamente proporcional a su atenuación. PHC PHC 1 f ( Atenuación) f (tamaño) Este valor de PHC se degrada en los siguientes casos: Temperaturas mayores que 40 C. Altitudes muy superiores al nivel del mar. Cuando se usa el cable en sistemas con R.O.E. mayor que 1. Si T PHC impide la transferencia de calor Si altitud PHC fuera del cable Si ROE PHC causa puntos calientes en ciertos lugares en el cable Página 15 de 17

16 Corrección por temperatura: Corrección por altitud: Página 16 de 17

17 Corrección por ROE: corrección _ ROE ROE + + F ROE 2 ROE 2 ROE Donde k es un factor de multiplicación que responde a la siguiente curva típica: Potencia efectiva: En base a las condiciones reales de funcionamiento del cable, se calcula la potencia efectiva P efectiva PotMEDIA corrección _ ROE corrección _ TEMP corrección _ ALTURA Y se compara este valor con el valor especificado de PHC para determinar si el cable es apto o no. En caso que la potencia efectiva supere el valor de PHC a una determinada frecuencia, se deberá elegir otro cable que posea un PHC mayor. Bibliografía de referencia: - Coaxial Cable Catalog & Handbook Times Microwave Systems - RF Coaxial Cable Catalog EUPEN Kabelwerk Página 17 de 17

Índice COMELXIAL RG (SIN ARMAR Y ARMADOS)...4.3 COMELXIAL RG (TEFLÓN)...4.3. COMELXIAL 1,4/3,8-1,8/4,8-2,7/7,2-4,5/11,6 DT 50 Ohms... 4.

Índice COMELXIAL RG (SIN ARMAR Y ARMADOS)...4.3 COMELXIAL RG (TEFLÓN)...4.3. COMELXIAL 1,4/3,8-1,8/4,8-2,7/7,2-4,5/11,6 DT 50 Ohms... 4. Índice COMELXIAL RG (SIN ARMAR Y ARMADOS)...4.3 COMELXIAL RG (TEFLÓN)...4.3 Cables para la transmisión de señales de alta frecuencia en ambientes de alta temperatura. COMELXIAL 1,4/3,8-1,8/4,8-2,7/7,2-4,5/11,6

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