Elección del conjunto de cable RF adecuado

Coaxial cable los ensambles están en casi todas partes donde se pueden encontrar sistemas electrónicos Y tienen un trabajo simple: servir como una ruta de señal para transferir señales de un lugar a otro. Pero deben hacer ese trabajo sin falta y con poco o ningún cambio en las señales, ya sean señales analógicas de alta frecuencia o señales digitales de alta velocidad. Debido a que los ensambles de cables coaxiales son tan vitales para una gama tan amplia de sistemas, desde sistemas electrónicos robustos basados ​​en tierra hasta satélites en órbita en el espacio, el proceso de selección para esos cables no debe tratarse a la ligera. Elegir el conjunto de cable coaxial correcto no es una tarea trivial, pero se puede hacer algo más fácil al saber qué buscar en un conjunto de cable coaxial de alta frecuencia o alta velocidad.

Los cables coaxiales proporcionan los medios del modo de transmisión electromagnética transversal (TEM). El nombre coaxial proviene de su construcción, que generalmente consiste en un conductor interno de alambre redondo de cobre desnudo, sólido o trenzado, rodeado por un aislante dieléctrico tubular, que está rodeado por un conductor o escudo exterior tubular, que a su vez está rodeado de alguna forma de capa externa protectora, generalmente una capa de plástico. El cable coaxial es una creación del matemático británico Oliver Heaviside, quien patentó el concepto a fines del siglo 19. Había estado estudiando los efectos de la piel en las líneas de transmisión de telégrafos, determinando que envolver algún tipo de aislante alrededor de la línea de transmisión mejoraría su rendimiento. El primer uso comercial de un cable coaxial en los Estados Unidos fue un cable coaxial de 220 de una milla de largo entre dos ciudades en Minnesota, desde Stevens Point hasta Minneapolis, nominalmente para líneas telefónicas.

Para un uso efectivo con señales analógicas de alta frecuencia o señales digitales de alta velocidad, las dimensiones de las diferentes partes de un cable coaxial deben controlarse con precisión para lograr una separación constante entre conductores. La construcción coaxial (Figura 1, vista en corte del cable coaxial) confina los campos eléctricos y magnéticos de las señales conducidas dentro del aislador dieléctrico mientras evita que los campos eléctricos y magnéticos fuera de la capa de protección externa interfieran con las señales conducidas. Un cable coaxial se convierte en un ensamblaje cuando se termina en los conectores coaxiales elegidos por el cliente. Los conjuntos de cables coaxiales se usan comúnmente en instalaciones de televisión por cable (CATV), para conexiones de RF / microondas de alta frecuencia, en equipos y sistemas de prueba y medición de precisión, y para transferir señales digitales de alta velocidad en redes de computadoras.

FIG 1

Los conjuntos de cables coaxiales para aplicaciones analógicas de alta frecuencia o digitales de alta velocidad suelen tener impedancias características de 50 o 75 Ω, y estas impedancias no son casuales. Los dos valores se remontan al trabajo pionero realizado en los Laboratorios Bell en 1929. Esos primeros experimentos buscaron impedancias características óptimas para transferir altos niveles de potencia, así como para lograr una pérdida de señal mínima. Idealmente, la misma impedancia característica del cable soportaría ambas condiciones, pero ese no es el caso. Se encontró que una impedancia característica de 30 Ω era óptima para transferir señales a altos niveles de potencia, mientras que 77 Ω era adecuada para minimizar la pérdida de señales de alta frecuencia y alta velocidad. Los investigadores de Bell también encontraron que 60 Ω era la mejor impedancia característica para señales de alto voltaje. La impedancia 50 Ω se eligió como un compromiso práctico entre la capacidad de manejo de potencia en 30 Ω y la atenuación mínima en 77 Ω, mientras que 75 Ω se seleccionó como una buena combinación para una antena dipolo alimentada al centro en espacio libre para uso en radio sistemas.

Al especificar un conjunto de cable coaxial, ayuda a comprender los parámetros eléctricos y mecánicos de los diferentes tipos de cable y cómo compararlos. Los cables coaxiales de RF / microondas se pueden agrupar en tres categorías: cables semirrígidos y conformables (o formables a mano), cables flexibles y cables corrugados. Cada uno está construido de manera diferente, con diferentes características mecánicas y diferentes niveles de rendimiento eléctrico.

Los cables semirrígidos, llamados así porque ofrecen más flexibilidad que los cables rígidos, son conocidos por su excelente rendimiento eléctrico pero formabilidad limitada. Debido a su falta de flexibilidad, generalmente requieren el uso de dibujos de ingeniería tridimensionales (3D) para una integración adecuada en la mayoría de los sistemas electrónicos. Pero elegir un conjunto de cable coaxial implica compensaciones, y para sacrificar la flexibilidad, los conjuntos de cable semirrígido proporcionan un rendimiento eléctrico superior en comparación con los otros dos tipos de cable coaxial y ofrecen una impedancia uniforme, baja pérdida de inserción en amplios rangos de frecuencia, y Excelente efectividad de blindaje (SE, un parámetro que caracteriza tanto la fuga de cables como la susceptibilidad a fuentes electromagnéticas externas).

Los cables semirrígidos se construyen típicamente con un conductor central sólido rodeado por un material dieléctrico aislante, cubierto por un conductor externo tubular sólido (Figura 2, una vista en corte). El conductor central suele ser de cobre plateado, que no es magnético y admite un rendimiento de baja pérdida. El conductor externo generalmente está formado de aluminio o cobre, que está desnudo o chapado con estaño. A diferencia de los cables rígidos, los cables semirrígidos se caracterizan típicamente por el diámetro exterior del cable: 0.034, 0.047, 0.086 o 0.141 pulgadas. Los cables semirrígidos de diámetro pequeño pueden admitir frecuencias de operación tan altas como 110 GHz, pero con capacidades máximas de manejo de potencia de unos pocos cientos de vatios y típicamente mucho menos. Los cables rígidos, en comparación, tienen diámetros exteriores que van desde 0.875 a 8.1875 pulgadas. Ofrecen capacidades de manejo de potencia de kilovatios a frecuencias más bajas, típicamente a través de aproximadamente 800 MHz para aplicaciones tales como transmisores comerciales de transmisión de radio y televisión.

CERDO 2

El conductor externo sólido proporciona un excelente rendimiento SE en cables semirrígidos, con cierto sacrificio en flexibilidad. Los altos valores de blindaje permiten que los cables semirrígidos alcancen un excelente rendimiento eléctrico incluso en entornos con señales de alto nivel, cerca de antenas de transmisión. Usando diferentes configuraciones para el conductor externo, los fabricantes de cables coaxiales han mejorado la flexibilidad de sus cables mientras logran altos niveles de SE. El conductor externo o las capas de trenza se han diseñado con envolturas metálicas planas, envolturas metálicas redondas, tiras de metal con y sin recubrimientos, y en configuraciones de una sola capa, doble capa y triple capa para proporcionar una amplia gama de valores de SE con baja pérdida de inserción y al mismo tiempo lograr cierta flexibilidad en el cable.

Los cables conformables ofrecen una gran parte del rendimiento eléctrico de los conjuntos de cables semirrígidos, pero con algo más de flexibilidad para facilitar las instalaciones y conexiones difíciles. Los cables conformables no están diseñados para flexiones repetidas, pero pueden doblarse (dentro de los límites de su radio de curvatura mínimo) a una forma requerida y retendrán esa forma una vez doblados. Para un buen rendimiento eléctrico, los cables conformables están construidos con conductores de cobre plateados o conductores de acero recubiertos de cobre y plateado y un diseño de blindaje compuesto de cobre-estaño que proporciona un alto SE.

Los cables flexibles sacrifican parte del rendimiento eléctrico de los cables semirrígidos, pero su mayor flexibilidad simplifica las instalaciones en sistemas. En lugar del conductor sólido de un cable semirrígido, un cable flexible a menudo emplea un conductor central trenzado. En lugar del conductor externo sólido del cable semirrígido, un cable flexible utiliza una cubierta externa de poliuretano o etileno propileno fluorado (FEP). Se pueden usar varios materiales aislantes dieléctricos diferentes en un conjunto de cable flexible, que incluye polietileno, politetrafluoroetileno sólido (PTFE) y espuma de polietileno de alta densidad. El contenido de aire de la espuma reduce la constante dieléctrica del material aislante, al tiempo que ayuda a reducir la atenuación del cable.

Por ejemplo, un cable coaxial flexible podría usar un conductor externo formado por alambres de cobre plateados trenzados sobre el aislante, o tiras de cobre plateadas en un tejido de canasta o alambres de cobre plateados paralelos entre sí y en una espiral larga. configuración. El conductor central puede ser de cobre sólido, para minimizar la pérdida de cable, o trenzado, para aplicaciones que pueden requerir flexiones repetidas del cable, aunque con una pérdida mayor que los cables con un conductor central sólido.

FIG 3

Las trenzas para cables coaxiales están disponibles en una variedad de materiales y tipos, y cada una representa compensaciones. Una capa trenzada formada por alambre redondo proporciona una buena flexibilidad y tiene el menor costo de material pero, como se señaló anteriormente, puede sufrir una degradación del rendimiento con la flexión. Los materiales de trenza más sofisticados representan mayores costos de material, pero un rendimiento más consistente con el tiempo. Por ejemplo, un blindaje formado por una cinta metálica plana puede proporcionar una baja atenuación del cable con un alto rendimiento de SE, mientras mantiene un rendimiento eléctrico constante a lo largo del tiempo. Una trenza plana helicoidal admite una buena flexibilidad, al tiempo que permite una excelente estabilidad de fase con flexión de cable y altos niveles de SE. Una trenza de aluminio envuelta o doblada también puede proporcionar un alto rendimiento eléctrico, con buena resistencia mecánica pero con cierta pérdida de flexibilidad en comparación con otras configuraciones de trenzas.

La cantidad de trenzas afectará tanto la flexibilidad como la SE. Dependiendo del material de la pantalla, como la trenza de alambre de cobre, y si está recubierto de plata, un cable coaxial con una sola capa de trenza puede entregar SE de 40 dB o superior con una flexibilidad muy alta. Con cada capa de trenza agregada, la flexibilidad del cable disminuye a medida que aumenta el SE. Una capa de trenza doble formada por dos trenzas de alambre redondo puede ofrecer un mejor blindaje que 60 dB. Pero si se usa un blindaje de aluminio o una trenza plana tejida para una de esas capas de trenza, el SE se puede aumentar a 90 dB. Los cables de doble blindaje que usan un blindaje de aluminio debajo de una capa de material compuesto lleno de estaño pueden lograr mejores resultados que 100 dB SE mientras logran una flexibilidad razonable. Los valores altos de SE son posibles con cables de triple blindaje que combinan alambre redondo y capas trenzadas planas, aunque con cierto sacrificio en flexibilidad (Figura 4).

Los conjuntos de cables coaxiales se definen no solo por el tipo de cable sino también por los conectores coaxiales en cada extremo del conjunto. Para la mejor coincidencia de aplicación, los diferentes tipos de cable se pueden comparar mediante parámetros eléctricos y mecánicos estándar, pero tales comparaciones siempre deben comparar longitudes de cable similares con conectores coaxiales similares en ambos extremos de los conjuntos de cables que se comparan.

FIG 4

En términos de amplitud y características de fase, un conjunto de cable coaxial debe ser eléctricamente invisible dentro de un sistema, proporcionando una ruta de señal entre dos puntos en el sistema con efectos mínimos en las señales transferidas. Sin embargo, en el mundo real, los conjuntos de cables pueden alterar las señales que transmiten, aunque una elección adecuada del conjunto de cables puede ayudar a minimizar estos efectos. Los conjuntos de cables se caracterizan típicamente por una serie de diferentes parámetros eléctricos y mecánicos (Figura 5): frecuencias de corte, atenuación o pérdida de inserción (en dB / pies o dB / m), pérdida de retorno o relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR), capacitancia (pF / ft.), velocidad de propagación (VP, en%), capacidad de manejo de potencia (en W) e incluso peso (lb / ft o lb / m). Estos diferentes parámetros pueden proporcionar criterios útiles para comparar conjuntos de cables de diferentes proveedores.

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