Unidad Temática Nro.1b

1. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Unidad Temática Nro.1b Cables coaxiales para RF y Microondas Rev.1 – 18/04/2011

2. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

3. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Introducción • Las principales características en un cable coaxial son las siguientes: • Impedancia característica • R.O.E. o pérdida de retorno • Máxima frecuencia • Perdida 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.

4. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

5. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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

6. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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

7. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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:

8. UTN FRBA Medidas Electrónicas II ROE, perdidas de retorno, coeficiente de reflexion 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. • 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 metodos de medicion del factor de reflexion (coeficiente de reflexion) de un cable es utilizando un TDR, enviando un pulso al cable (con Zs y ZL del mismo valor que la Zo teorica 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 caracteristica, para obtener la impedancia caracteristica total se toma el valor estacionario del pulso reflejado.

9. UTN FRBA Medidas Electrónicas II ROE, perdidas de retorno, coeficiente de reflexion 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 (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.

10. UTN FRBA Medidas Electrónicas II ROE, perdidas de retorno, coeficiente de reflexion y uniformidad en la impedancia

11. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Pérdidas de inserción • 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 • Perdidas 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 “SheetResistance” o efecto piel por el cual los • campos de la radiofrecuencia solo estan presentes en una minima 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

12. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Pérdidas de inserción Perdidas 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 Perdidas totales: La ecuacion anterior puede escribirse como: Donde el primer termino representa las perdidas ohmicas y es funcion de la geometria del cable mientras que el segundo representa las perdidas en el dielectrico y es funcion de las características fisicas de éste. Segun el fabricante de cables, nos facilitara los datos para usar una u otra ecuacion, en pies o metros.

13. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Pérdidas de inserción

14. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Pérdidas de inserción 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. Para calcular la perdida de insercion total de un cable con conectores en sus extremos:

15. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Pérdidas de inserción Variacion 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 reflexion: Si la carga esta desadaptada las perdidas en los conductores incrementaran segun las siguientes curvas (abajo).

16. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Blindaje • El blindaje en un cable coaxil 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 aislacion. • 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 cubirmiento del 100%

17. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Blindaje En la siguiente tabla se detallan algunos de los blindajes utilizados

18. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Blindaje Para calcular el valor del blindaje en cables de mas de 1 pie (30cm) se le debe sumar el valor:

19. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Aislacion 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. Velocidad de propagación La Vp se expresa como un porcentaje de la velocidad de la luz en el vacio. Depende principalmente del Er del dielectrico en el cable. Tiempo de demora Se especifica en ns/pie o en ns/m. Valores tipicos son 3 a 5 ns/pie. Para conseguir demoras grandes se deben usar cables con Vp baja.

20. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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. Cables con Zo mas elevada poseen una capacidad distribuida menor, son utilizados para transmisio- nes de datos ya que distorsiona menos la señal.

21. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Frecuencia de corte Un cable coaxil tiene un limite teorico de frecuencia para el cual por encima de esta comienzan a propagarse modos superiores al TEM. Normalmente la frecuencia util (recomendada por el fabricante) es mucho menor que la Fc teorica, dando un margen de seguridad fijado por el diseño del cable asi como por los materiales con los que fue fabricado.

22. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Estabilidad de la atenuacion y vida util La atenuacion de un cable coaxil aumenta por: Condiciones ambientales: Luz solar, Humedad o vapor, inmersion en agua salada, vapores corrosivos, Bajo tierra, Llamas. Para cada aplicacion particular los fabricantes de cables desarrollan cubiertas especiales.

23. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Estabilidad de la atenuacion y vida util 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. Cada cable tiene un numero especificado de flexiones junto con un angulo maximo de flexion, si se supera este angulo, 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.

24. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

25. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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 caracteristicas, una curva tipica seria:

26. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Capacidad de manejo de potencia media (PHC) 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.

27. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Capacidad de manejo de potencia (PHC)

28. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Capacidad de manejo de potencia (PHC) Corrección por temperatura:

29. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Capacidad de manejo de potencia (PHC) Corrección por altitud: “Cable OD”: outer diameter en pulg.

30. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Capacidad de manejo de potencia (PHC) Corrección por ROE: El factor f1 esta definido por curvas para cada cable, una curva tipica generica es: El valor corregido de PHC es:

31. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Capacidad de manejo de potencia pico La potencia pico maxima que puede manejar el cable esta limitada por la ruptura de su dielectrico, 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 dielectrico de aire puede subirse la capacidad de manejo de potencia pico.