Cable coaxial

Tipo de cable eléctrico con conductor interno concéntrico, aislante y pantalla conductora.

Cable coaxial flexible RG-59 compuesto por:

1. Vaina exterior de plástico
2. Escudo de cobre tejido
3. Aislante dieléctrico interior
4. Núcleo de cobre

El cable coaxial , o coax ( pronunciado /ˈkoʊ.æks/ ) , es un tipo de cable eléctrico que consta de un conductor interno rodeado por un blindaje conductor concéntrico , con los dos separados por un dieléctrico ( material aislante ) ; muchos cables coaxiales también tienen una funda o revestimiento exterior protector. El término coaxial se refiere al conductor interno y el blindaje exterior que comparten un eje geométrico.

El cable coaxial es un tipo de línea de transmisión que se utiliza para transportar señales eléctricas de alta frecuencia con bajas pérdidas. Se utiliza en aplicaciones como líneas telefónicas troncales , cables de redes de Internet de banda ancha , buses de datos informáticos de alta velocidad , señales de televisión por cable y para conectar transmisores y receptores de radio a sus antenas . Se diferencia de otros cables blindados porque las dimensiones del cable y los conectores se controlan para proporcionar un espaciado preciso y constante entre los conductores, necesario para que funcione de manera eficiente como línea de transmisión.

En su patente británica de 1880, Oliver Heaviside demostró cómo el cable coaxial podía eliminar la interferencia de señales entre cables paralelos.

El cable coaxial se utilizó en las primeras instalaciones de cable transatlántico (1858) y siguientes , pero su teoría no fue descrita hasta 1880 por el físico, ingeniero y matemático inglés Oliver Heaviside , quien patentó el diseño ese año (patente británica n.º 1.407). ^[1]

Aplicaciones

El cable coaxial se utiliza como línea de transmisión de señales de radiofrecuencia. Sus aplicaciones incluyen líneas de alimentación que conectan transmisores y receptores de radio a sus antenas, conexiones de redes informáticas (p. ej., Ethernet ), audio digital ( S/PDIF ) y distribución de señales de televisión por cable . Una ventaja del cable coaxial sobre otros tipos de líneas de transmisión de radio es que en un cable coaxial ideal el campo electromagnético que transporta la señal existe solo en el espacio entre los conductores interno y externo . Esto permite que los tramos de cable coaxial se instalen junto a objetos metálicos como canaletas sin las pérdidas de potencia que se producen en otros tipos de líneas de transmisión. El cable coaxial también proporciona protección a la señal contra interferencias electromagnéticas externas .

Descripción

Corte transversal del cable coaxial (no a escala)

El cable coaxial conduce señales eléctricas utilizando un conductor interno (generalmente un cable de cobre sólido, cobre trenzado o acero revestido de cobre) rodeado por una capa aislante y todo encerrado por un blindaje, típicamente de una a cuatro capas de trenza metálica tejida y cinta metálica. ^[2] El cable está protegido por una cubierta aislante exterior. Normalmente, el exterior del blindaje se mantiene al potencial de tierra y se aplica un voltaje portador de señal al conductor central. Cuando se utiliza señalización diferencial , el cable coaxial proporciona una ventaja de corrientes de contrafase iguales en el conductor interno y en el interior del conductor externo que restringen los campos eléctricos y magnéticos de la señal al dieléctrico , con poca fuga fuera del blindaje. ^{[ cita requerida ]} Además, los campos eléctricos y magnéticos fuera del cable se evitan en gran medida que interfieran con las señales dentro del cable, si se filtran corrientes desiguales en el extremo receptor de la línea. Esta propiedad hace que el cable coaxial sea una buena opción tanto para transportar señales débiles que no pueden tolerar la interferencia del entorno, como para señales eléctricas más fuertes que no se debe permitir que irradien o se acoplen en estructuras o circuitos adyacentes. ^[3] Los cables de mayor diámetro y los cables con múltiples blindajes tienen menos fugas.

Las aplicaciones comunes del cable coaxial incluyen la distribución de video y CATV , la transmisión de RF y microondas y las conexiones de datos de computadoras e instrumentación. ^[4]

La impedancia característica del cable ( Z ₀ ) está determinada por la constante dieléctrica del aislante interno y los radios de los conductores interno y externo. En los sistemas de radiofrecuencia, donde la longitud del cable es comparable a la longitud de onda de las señales transmitidas, una impedancia característica del cable uniforme es importante para minimizar la pérdida. Las impedancias de la fuente y de la carga se eligen para que coincidan con la impedancia del cable para garantizar la máxima transferencia de potencia y la mínima relación de onda estacionaria . Otras propiedades importantes del cable coaxial incluyen la atenuación en función de la frecuencia, la capacidad de manejo de voltaje y la calidad del blindaje. ^[3]

Construcción

Las opciones de diseño de los cables coaxiales afectan el tamaño físico, el rendimiento de frecuencia, la atenuación, las capacidades de manejo de potencia, la flexibilidad, la resistencia y el costo. El conductor interno puede ser sólido o trenzado; el trenzado es más flexible. Para obtener un mejor rendimiento de alta frecuencia, el conductor interno puede estar plateado. El alambre de acero revestido de cobre se utiliza a menudo como conductor interno para los cables que se utilizan en la industria de la televisión por cable. ^[5]

El aislante que rodea al conductor interno puede ser de plástico sólido, espuma plástica o aire con espaciadores que sostienen el cable interno. Las propiedades del aislante dieléctrico determinan algunas de las propiedades eléctricas del cable. Una opción común es un aislante de polietileno (PE) sólido, utilizado en cables de menor pérdida. El teflón sólido (PTFE) también se utiliza como aislante, y exclusivamente en cables con clasificación plenum . ^{[ cita requerida ]} Algunas líneas coaxiales utilizan aire (o algún otro gas) y tienen espaciadores para evitar que el conductor interno toque el blindaje.

Muchos cables coaxiales convencionales utilizan alambre de cobre trenzado que forma el blindaje. Esto permite que el cable sea flexible, pero también significa que hay huecos en la capa de blindaje y la dimensión interna del blindaje varía ligeramente porque la trenza no puede ser plana. A veces, la trenza está plateada. Para un mejor rendimiento del blindaje, algunos cables tienen un blindaje de doble capa. ^[5] El blindaje puede ser solo dos trenzas, pero ahora es más común tener un blindaje de lámina fina cubierto por una trenza de alambre. Algunos cables pueden invertir en más de dos capas de blindaje, como el "blindaje cuádruple", que utiliza cuatro capas alternas de lámina y trenza. Otros diseños de blindaje sacrifican la flexibilidad para un mejor rendimiento; algunos blindajes son un tubo de metal sólido. Esos cables no se pueden doblar bruscamente, ya que el blindaje se enroscaría, lo que provocaría pérdidas en el cable. Cuando se utiliza un blindaje de lámina, un pequeño conductor de cable incorporado en la lámina facilita la soldadura de la terminación del blindaje. ^{[ ejemplos necesarios ]}

Para transmisiones de radiofrecuencia de alta potencia de hasta aproximadamente 1 GHz, se encuentran disponibles cables coaxiales con un conductor externo de cobre sólido en tamaños de 0,25 pulgadas o más. El conductor externo está corrugado como un fuelle para permitir flexibilidad y el conductor interno se mantiene en posición mediante una espiral de plástico para aproximarse a un dieléctrico de aire. ^[5] Una marca comercial para este tipo de cable es Heliax . ^[6]

Los cables coaxiales requieren una estructura interna de un material aislante (dieléctrico) para mantener el espacio entre el conductor central y el blindaje. Las pérdidas dieléctricas aumentan en este orden: dieléctrico ideal (sin pérdida), vacío, aire, politetrafluoroetileno (PTFE), espuma de polietileno y polietileno sólido. Un dieléctrico no homogéneo debe compensarse con un conductor no circular para evitar puntos calientes de corriente.

Mientras que muchos cables tienen un dieléctrico sólido, muchos otros tienen un dieléctrico de espuma que contiene tanto aire u otro gas como sea posible para reducir las pérdidas al permitir el uso de un conductor central de mayor diámetro. El cable coaxial de espuma tendrá aproximadamente un 15% menos de atenuación, pero algunos tipos de dieléctrico de espuma pueden absorber humedad, especialmente en sus muchas superficies, en entornos húmedos, lo que aumenta significativamente la pérdida. Los soportes con forma de estrella o radios son incluso mejores, pero más caros y muy susceptibles a la infiltración de humedad. Aún más caros fueron los coaxiales espaciados por aire utilizados para algunas comunicaciones interurbanas a mediados del siglo XX. El conductor central estaba suspendido por discos de polietileno cada pocos centímetros. En algunos cables coaxiales de baja pérdida, como el tipo RG-62, el conductor interno está sostenido por una hebra espiral de polietileno, de modo que existe un espacio de aire entre la mayor parte del conductor y el interior de la cubierta. La constante dieléctrica más baja del aire permite un mayor diámetro interno a la misma impedancia y un mayor diámetro externo a la misma frecuencia de corte, lo que reduce las pérdidas óhmicas . Los conductores internos a veces están plateados para suavizar la superficie y reducir las pérdidas debido al efecto pelicular . ^[5] Una superficie rugosa extiende la trayectoria de la corriente y concentra la corriente en los picos, aumentando así la pérdida óhmica.

La cubierta aislante puede estar hecha de muchos materiales. Una opción común es el PVC , pero algunas aplicaciones pueden requerir materiales resistentes al fuego. Las aplicaciones al aire libre pueden requerir que la cubierta resista la luz ultravioleta , la oxidación , el daño de los roedores o el enterramiento directo . Los cables coaxiales inundados utilizan un gel bloqueador de agua para proteger el cable de la infiltración de agua a través de pequeños cortes en la cubierta. Para las conexiones internas del chasis, se puede omitir la cubierta aislante. ^{[ ejemplos necesarios ]}

Propagación de señales

Las líneas de transmisión de dos conductores tienen la propiedad de que la onda electromagnética que se propaga por la línea se extiende al espacio que rodea los cables paralelos. Estas líneas tienen bajas pérdidas, pero también tienen características indeseables. No se pueden doblar, torcer fuertemente o darles otra forma sin cambiar su impedancia característica , lo que provoca la reflexión de la señal hacia la fuente. Tampoco se pueden enterrar ni tender a lo largo o unir a nada conductor , ya que los campos extendidos inducirán corrientes en los conductores cercanos, lo que provocará una radiación no deseada y la desintonización de la línea. Se utilizan aisladores de separación para mantenerlos alejados de las superficies metálicas paralelas. Las líneas coaxiales resuelven en gran medida este problema al confinar prácticamente toda la onda electromagnética al área dentro del cable. Por lo tanto, las líneas coaxiales se pueden doblar y torcer moderadamente sin efectos negativos, y se pueden sujetar a soportes conductores sin inducir corrientes no deseadas en ellos, siempre que se tomen las medidas necesarias para garantizar corrientes de empuje y tracción de señalización diferencial en el cable.

En aplicaciones de radiofrecuencia de hasta unos pocos gigahertz , la onda se propaga principalmente en el modo electromagnético transversal (TEM) , lo que significa que los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación. Sin embargo, por encima de una determinada frecuencia de corte , también pueden propagarse los modos eléctrico transversal (TE) o magnético transversal (TM), como lo hacen en una guía de ondas hueca . Por lo general, no es deseable transmitir señales por encima de la frecuencia de corte, ya que puede provocar que se propaguen múltiples modos con diferentes velocidades de fase , lo que interfiere entre sí. El diámetro exterior es aproximadamente inversamente proporcional a la frecuencia de corte . También existe un modo de propagación de onda superficial que solo involucra al conductor central , pero se suprime de manera efectiva en el cable coaxial de geometría convencional e impedancia común. Las líneas de campo eléctrico para este modo TM tienen un componente longitudinal y requieren longitudes de línea de media longitud de onda o más.

El cable coaxial puede considerarse como un tipo de guía de ondas . La energía se transmite a través del campo eléctrico radial y del campo magnético circunferencial en el modo TEM. Este es el modo dominante desde la frecuencia cero (CC) hasta un límite superior determinado por las dimensiones eléctricas del cable. ^[7]

Conectores

Los conectores coaxiales están diseñados para mantener una forma coaxial a lo largo de la conexión y tienen la misma impedancia que el cable conectado. ^[5] Los conectores suelen estar recubiertos con metales de alta conductividad, como plata u oro resistente al deslustre. Debido al efecto pelicular , la señal de RF solo es transportada por el revestimiento a frecuencias más altas y no penetra en el cuerpo del conector. Sin embargo, la plata se empaña rápidamente y el sulfuro de plata que se produce es poco conductor, lo que degrada el rendimiento del conector, lo que hace que la plata sea una mala opción para esta aplicación. ^[8]

Parámetros importantes

El cable coaxial es un tipo particular de línea de transmisión , por lo que los modelos de circuitos desarrollados para líneas de transmisión generales son apropiados. Véase la ecuación de Telegrapher .

Representación esquemática de los componentes elementales de una línea de transmisión

Representación esquemática de una línea de transmisión coaxial, que muestra la impedancia característica ${\displaystyle Z_{0}}$

Parámetros físicos

En la siguiente sección se utilizan estos símbolos:

• Longitud del cable, ${\displaystyle \ \ell ~.}$
• Diámetro exterior del conductor interior , ${\displaystyle \ d~.}$
• Diámetro interior del escudo, ${\displaystyle \ D~.}$
• Constante dieléctrica del aislante. La constante dieléctrica a menudo se cita como la constante dieléctrica relativa referida a la constante dieléctrica del espacio libre. Cuando el aislante es una mezcla de diferentes materiales dieléctricos (por ejemplo, la espuma de polietileno es una mezcla de polietileno y aire), a menudo se utiliza el término constante dieléctrica efectiva . ${\displaystyle \ \epsilon ~.}$ ${\displaystyle \ \epsilon _{\mathsf {r}}\ }$ ${\displaystyle \ \epsilon _{\mathsf {o}}\ :}$ ${\displaystyle \ \epsilon =\epsilon _{\mathsf {r}}\ \epsilon _{\mathsf {o}}~.}$ ${\displaystyle \ \epsilon _{\mathsf {eff}}\ }$
• Permeabilidad magnética del aislante. La permeabilidad se suele citar como la permeabilidad relativa referida a la permeabilidad del espacio libre. La permeabilidad relativa casi siempre será 1 . ${\displaystyle \ \mu ~.}$ ${\displaystyle \ \mu _{\mathsf {r}}\ }$ ${\displaystyle \ \mu _{\mathsf {o}}\ :}$ ${\displaystyle \ \mu =\mu _{\mathsf {r}}\ \mu _{\mathsf {o}}~.}$

Parámetros eléctricos fundamentales

• Capacitancia en derivación por unidad de longitud, en faradios por metro. ^[9]

${\displaystyle C={\frac {2\pi \epsilon }{\ \ln \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\ }}={\frac {2\pi \epsilon _{\mathsf {o}}\epsilon _{\mathsf {r}}}{\ \ln \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\ }}}$

• Inductancia en serie por unidad de longitud, en henries por metro, considerando que el conductor central es un cilindro hueco delgado (debido al efecto pelicular ).

${\displaystyle L={\frac {\mu }{\ 2\pi \ }}\ \ln \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)={\frac {\ \mu _{\mathsf {o}}\mu _{\mathsf {r}}\ }{2\pi }}\ \ln \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)}$

• Resistencia en serie por unidad de longitud, en ohmios por metro. La resistencia por unidad de longitud es simplemente la resistencia del conductor interno y el blindaje a bajas frecuencias. A frecuencias más altas, el efecto pelicular aumenta la resistencia efectiva al confinar la conducción a una capa delgada de cada conductor.
• Conductancia en derivación por unidad de longitud, en siemens por metro. La conductancia en derivación suele ser muy pequeña porque se utilizan aisladores con buenas propiedades dieléctricas ( tangente de pérdida muy baja ). A altas frecuencias, un dieléctrico puede tener una pérdida resistiva significativa.

Parámetros eléctricos derivados

• Impedancia característica en ohmios (Ω). La impedancia compleja Z _o de una línea de transmisión de longitud infinita es:

${\displaystyle Z_{\mathsf {o}}={\sqrt {{\frac {R+sL\ }{G+sC\ }}\ }}}$

Donde R es la resistencia por unidad de longitud, L es la inductancia por unidad de longitud, G es la conductancia por unidad de longitud del dieléctrico, C es la capacitancia por unidad de longitud y s = jω = j 2 πf es la frecuencia. Las dimensiones "por unidad de longitud" se cancelan en la fórmula de impedancia.

En CC, los dos términos reactivos son cero, por lo que la impedancia tiene un valor real y es extremadamente alta. Parece que

${\displaystyle Z_{\mathsf {DC}}={\sqrt {{\frac {\ R\ }{G}}\ }}~.}$

A medida que aumenta la frecuencia, los componentes reactivos entran en acción y la impedancia de la línea adquiere un valor complejo. A frecuencias muy bajas (rango de audio, de interés para los sistemas telefónicos), G suele ser mucho menor que sC , por lo que la impedancia a frecuencias bajas es

${\displaystyle Z_{\mathsf {LowFreq}}\approx {\sqrt {{\frac {R}{\ sC\ }}\ }}\ ,}$

que tiene un valor de fase de -45 grados.

A frecuencias más altas, los términos reactivos suelen dominar R y G , y la impedancia del cable vuelve a tener un valor real. Ese valor es Z _o , la impedancia característica del cable:

${\displaystyle Z_{\mathsf {o}}={\sqrt {{\frac {sL}{\ sC\ }}\ }}={\sqrt {{\frac {L}{\ C\ }}\ }}~.}$

Suponiendo que las propiedades dieléctricas del material dentro del cable no varían apreciablemente a lo largo del rango operativo del cable, la impedancia característica es independiente de la frecuencia por encima de aproximadamente cinco veces la frecuencia de corte del blindaje . Para cables coaxiales típicos, la frecuencia de corte del blindaje es de 600 Hz (para RG-6A) a 2000 Hz (para RG-58C). ^[10]

Los parámetros L y C se determinan a partir de la relación entre los diámetros interior ( d ) y exterior ( D ) y la constante dieléctrica ( ε ). La impedancia característica se da por ^[11]

${\displaystyle Z_{\mathsf {o}}={\frac {1}{\ 2\pi \ }}{\sqrt {{\frac {\mu }{\ \epsilon \ }}\ }}\ \ln \left({\frac {D}{\ d\ }}\right)\approx {\frac {\ 59.96\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\epsilon _{\mathsf {r}}\ }}}\ln \left({\frac {D}{\ d\ }}\right)\approx {\frac {\ 138\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\epsilon _{\mathsf {r}}\ }}}\log _{10}\left({\frac {D}{\ d\ }}\right)~.}$

• Atenuación (pérdida) por unidad de longitud, en decibeles por metro. Depende de la pérdida en el material dieléctrico que llena el cable y de las pérdidas resistivas en el conductor central y el blindaje exterior. Estas pérdidas dependen de la frecuencia y aumentan a medida que aumenta la frecuencia. Las pérdidas por efecto pelicular en los conductores se pueden reducir aumentando el diámetro del cable. Un cable con el doble de diámetro tendrá la mitad de resistencia por efecto pelicular. Si se ignoran las pérdidas dieléctricas y de otro tipo, el cable más grande reduciría a la mitad la pérdida de dB/metro. Al diseñar un sistema, los ingenieros no solo tienen en cuenta la pérdida en el cable, sino también la pérdida en los conectores.
• Velocidad de propagación , en metros por segundo. La velocidad de propagación depende de la constante dieléctrica y de la permeabilidad (que suele ser 1 ).

${\displaystyle v={\frac {1}{\ {\sqrt {\epsilon \mu \ }}\ }}={\frac {c}{\ {\sqrt {\epsilon _{\mathsf {r}}\mu _{\mathsf {r}}\ }}\ }}}$

• Banda monomodo. En el cable coaxial, el modo dominante (el modo con la frecuencia de corte más baja ) es el modo TEM, ^[7] que tiene una frecuencia de corte de cero; se propaga hasta la CC. El modo con el siguiente corte más bajo es el modo TE _11. Este modo tiene una "onda" (dos inversiones de polaridad) al recorrer la circunferencia del cable. En una buena aproximación, la condición para que se propague el modo TE ₁₁ es que la longitud de onda en el dieléctrico no sea mayor que la circunferencia promedio del aislante; es decir, que la frecuencia sea al menos

${\displaystyle f_{\mathsf {c}}\approx {\frac {1}{\ \pi \left({\frac {D+d}{2}}\right){\sqrt {\mu \epsilon \ }}}}={\frac {c}{\ \pi \left({\frac {D+d}{2}}\right){\sqrt {\mu _{\mathsf {r}}\epsilon _{\mathsf {r}}\ }}}}~.}$

Por lo tanto, el cable es monomodo desde CC hasta esta frecuencia, y en la práctica podría usarse hasta el 90% ^[12] de esta frecuencia.

• Tensión de pico. La tensión de pico se determina por la tensión de ruptura del aislante.: ^[13]

${\displaystyle V_{\mathsf {p}}=\ E_{\mathsf {d}}\ {\frac {d}{2}}\ \ln \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)}$

dónde

V _p es el voltaje pico

E _d es la tensión de ruptura del aislante en voltios por metro.

d es el diámetro interior en metros

D es el diámetro exterior en metros

La tensión máxima calculada a menudo se reduce mediante un factor de seguridad.

Elección de impedancia

En 1929, los Laboratorios Bell determinaron experimentalmente que las mejores impedancias para cables coaxiales eran 77 Ω para baja atenuación, 60 Ω para alto voltaje y 30 Ω para alta potencia. Para un cable coaxial con dieléctrico de aire y un blindaje de un diámetro interior determinado, la atenuación se minimiza eligiendo el diámetro del conductor interior para obtener una impedancia característica de 76,7 Ω. ^[14] Cuando se consideran dieléctricos más comunes, la impedancia de pérdida de inserción más baja desciende a un valor entre 52 y 64 Ω. La capacidad máxima de manejo de potencia se logra a 30 Ω. ^[15]

La impedancia aproximada requerida para que coincida con una antena dipolo con alimentación central en el espacio libre (es decir, un dipolo sin reflexiones en el suelo) es de 73 Ω, por lo que el cable coaxial de 75 Ω se usaba comúnmente para conectar antenas de onda corta a receptores. Estos suelen implicar niveles tan bajos de potencia de RF que las características de manejo de potencia y ruptura de alto voltaje no son importantes en comparación con la atenuación. Lo mismo ocurre con CATV , aunque muchas instalaciones de transmisión de TV y cabeceras de CATV usan antenas dipolo plegadas de 300 Ω para recibir señales fuera del aire, el cable coaxial de 75 Ω es un transformador balun 4:1 conveniente para estos, además de poseer baja atenuación.

La media aritmética entre 30 Ω y 77 Ω es 53,5 Ω; la media geométrica es 48 Ω. La selección de 50 Ω como un compromiso entre la capacidad de manejo de potencia y la atenuación se cita en general como la razón para el número. ^[14] 50 Ω también funciona bastante bien porque corresponde aproximadamente a la impedancia del punto de alimentación de un dipolo de media onda, montado aproximadamente media onda por encima del suelo "normal" (idealmente 73 Ω, pero reducido para cables horizontales que cuelgan bajos).

RG-62 es un cable coaxial de 93 Ω utilizado originalmente en redes de computadoras mainframe en la década de 1970 y principios de la década de 1980 (era el cable utilizado para conectar terminales IBM 3270 a controladores de clúster de terminales IBM 3274/3174). Más tarde, algunos fabricantes de equipos LAN, como Datapoint for ARCNET , adoptaron RG-62 como su estándar de cable coaxial. El cable tiene la capacitancia más baja por unidad de longitud en comparación con otros cables coaxiales de tamaño similar.

Todos los componentes de un sistema coaxial deben tener la misma impedancia para evitar reflexiones internas en las conexiones entre componentes (consulte Adaptación de impedancia ). Estas reflexiones pueden provocar atenuación de la señal. Introducen ondas estacionarias, que aumentan las pérdidas e incluso pueden provocar una ruptura dieléctrica del cable con transmisión de alta potencia. En los sistemas de vídeo o televisión analógicos, las reflexiones provocan imágenes superpuestas en la imagen; múltiples reflexiones pueden provocar que la señal original vaya seguida de más de un eco. Si un cable coaxial está abierto (no conectado en el extremo), la terminación tiene una resistencia casi infinita, lo que provoca reflexiones. Si el cable coaxial está en cortocircuito, la resistencia de la terminación es casi cero, lo que provoca reflexiones con la polaridad opuesta. Las reflexiones se eliminarán casi por completo si el cable coaxial termina en una resistencia pura igual a su impedancia.

Asuntos

Fuga de señal

La fuga de señal es el paso de campos electromagnéticos a través del blindaje de un cable y se produce en ambas direcciones. La entrada es el paso de una señal externa al cable y puede provocar ruido y la interrupción de la señal deseada. La salida es el paso de la señal destinada a permanecer dentro del cable hacia el mundo exterior y puede provocar una señal más débil en el extremo del cable e interferencias de radiofrecuencia en dispositivos cercanos. Las fugas graves suelen ser consecuencia de conectores mal instalados o fallos en el blindaje del cable.

Por ejemplo, en los Estados Unidos, la fuga de señales de los sistemas de televisión por cable está regulada por la FCC, ya que las señales de cable utilizan las mismas frecuencias que las bandas aeronáuticas y de radionavegación. Los operadores de CATV también pueden optar por monitorear sus redes para evitar fugas y evitar así la entrada de señales. Las señales externas que ingresan al cable pueden causar ruido no deseado y superposición de imágenes. El ruido excesivo puede saturar la señal y hacerla inútil. La entrada dentro del canal se puede eliminar digitalmente mediante la cancelación de entrada .

Un blindaje ideal sería un conductor perfecto sin agujeros, huecos ni protuberancias conectado a una conexión a tierra perfecta. Sin embargo, un blindaje liso, sólido y altamente conductor sería pesado, inflexible y costoso. Este tipo de cable coaxial se utiliza para la alimentación en línea recta de torres de transmisión de radio comerciales. Los cables más económicos deben hacer concesiones entre la eficacia del blindaje, la flexibilidad y el costo, como la superficie corrugada de los blindajes rígidos flexibles, trenzados flexibles o de láminas. Dado que los blindajes no pueden ser conductores perfectos, la corriente que fluye en el interior del blindaje produce un campo electromagnético en la superficie exterior del blindaje.

Consideremos el efecto pelicular . La magnitud de una corriente alterna en un conductor decae exponencialmente con la distancia debajo de la superficie, siendo la profundidad de penetración proporcional a la raíz cuadrada de la resistividad. Esto significa que, en un blindaje de espesor finito, una pequeña cantidad de corriente seguirá fluyendo en la superficie opuesta del conductor. Con un conductor perfecto (es decir, resistividad cero), toda la corriente fluiría en la superficie, sin penetración en el conductor ni a través de él. Los cables reales tienen un blindaje hecho de un conductor imperfecto, aunque generalmente muy bueno, por lo que siempre debe haber alguna fuga.

Los huecos o agujeros permiten que parte del campo electromagnético penetre al otro lado. Por ejemplo, los blindajes trenzados tienen muchos huecos pequeños. Los huecos son más pequeños cuando se utiliza un blindaje de lámina (metal sólido), pero sigue habiendo una costura que recorre toda la longitud del cable. La lámina se vuelve cada vez más rígida a medida que aumenta el espesor, por lo que una capa fina de lámina suele estar rodeada por una capa de metal trenzado, que ofrece una mayor flexibilidad para una sección transversal determinada.

La fuga de señal puede ser grave si hay un mal contacto en la interfaz con los conectores en cualquiera de los extremos del cable o si hay una rotura en el blindaje.

Para reducir en gran medida la fuga de señal dentro o fuera del cable, en un factor de 1000, o incluso 10 000, a menudo se utilizan cables superprotegidos en aplicaciones críticas, como por ejemplo para contadores de flujo de neutrones en reactores nucleares .

Los cables superprotegidos para uso nuclear están definidos en la norma IEC 96-4-1, 1990, sin embargo, como ha habido largos intervalos en la construcción de centrales nucleares en Europa, muchas instalaciones existentes están utilizando cables superprotegidos según la norma británica AESS(TRG) 71181 ^[16] a la que se hace referencia en la norma IEC 61917. ^[17]

Bucles de tierra

Una corriente continua, aunque sea pequeña, a lo largo del blindaje imperfecto de un cable coaxial puede causar interferencias visibles o audibles. En los sistemas CATV que distribuyen señales analógicas, la diferencia de potencial entre la red coaxial y el sistema de conexión a tierra eléctrica de una casa puede causar una "barra de zumbido" visible en la imagen. Esto aparece como una barra de distorsión horizontal ancha en la imagen que se desplaza lentamente hacia arriba. Estas diferencias de potencial se pueden reducir mediante una conexión adecuada a una conexión a tierra común en la casa. Consulte bucle de tierra .

Ruido

Los campos externos crean una tensión en la inductancia del exterior del conductor externo entre el transmisor y el receptor. El efecto es menor cuando hay varios cables en paralelo, ya que esto reduce la inductancia y, por lo tanto, la tensión. Debido a que el conductor externo lleva el potencial de referencia para la señal en el conductor interno, el circuito receptor mide la tensión incorrecta.

Efecto transformador

El efecto transformador se utiliza a veces para mitigar el efecto de las corrientes inducidas en el blindaje. Los conductores interno y externo forman el devanado primario y secundario del transformador, y el efecto se mejora en algunos cables de alta calidad que tienen una capa exterior de mu-metal . Debido a este transformador 1:1, el voltaje antes mencionado a través del conductor externo se transforma en el conductor interno de modo que el receptor puede cancelar los dos voltajes. Muchos transmisores y receptores tienen medios para reducir aún más la fuga. Aumentan el efecto transformador pasando todo el cable a través de un núcleo de ferrita una o más veces.

Corriente de modo común y radiación

La corriente de modo común se produce cuando las corrientes parásitas en el blindaje fluyen en la misma dirección que la corriente en el conductor central, lo que hace que el cable coaxial irradie. Son lo opuesto a las corrientes de señalización diferenciales "push-pull" deseadas, donde las corrientes de señal en el conductor interno y externo son iguales y opuestas.

La mayor parte del efecto de blindaje en el cable coaxial se debe a corrientes opuestas en el conductor central y el blindaje, que crean campos magnéticos opuestos que se cancelan y, por lo tanto, no irradian. El mismo efecto ayuda a la línea de escalera . Sin embargo, la línea de escalera es extremadamente sensible a los objetos metálicos circundantes, que pueden ingresar a los campos antes de que se cancelen por completo. El cable coaxial no tiene este problema, ya que el campo está encerrado en el blindaje. Sin embargo, aún es posible que se forme un campo entre el blindaje y otros objetos conectados, como la antena que alimenta el cable coaxial. La corriente formada por el campo entre la antena y el blindaje del cable coaxial fluiría en la misma dirección que la corriente en el conductor central y, por lo tanto, no se cancelaría. La energía irradiaría desde el propio cable coaxial, lo que afectaría el patrón de radiación de la antena. Con suficiente potencia, esto podría ser un peligro para las personas que se encuentran cerca del cable. Un balun colocado y de tamaño adecuado puede evitar la radiación de modo común en el cable coaxial. Se puede utilizar un transformador de aislamiento o un condensador de bloqueo para acoplar un cable coaxial a un equipo donde es deseable pasar señales de radiofrecuencia pero bloquear la corriente continua o la energía de baja frecuencia.

Mayor impedancia en frecuencias de audio

La fórmula de impedancia característica anterior es una buena aproximación a las frecuencias de radio ; sin embargo, para frecuencias inferiores a 100 kHz (como el audio ), resulta importante utilizar la ecuación completa del telégrafo :

${\displaystyle Z_{\text{o}}={\sqrt {{\frac {R+j\omega L}{G+j\omega C}}\ }}}$

Aplicando esta fórmula a un cable coaxial típico de 75 ohmios, encontramos que la impedancia medida a lo largo del espectro de audio oscilará entre ~150 ohmios y ~5K ohmios, mucho más alta que la nominal. La velocidad de propagación también se reduce considerablemente. Por lo tanto, podemos esperar que las impedancias del cable coaxial sean consistentes en frecuencias de RF pero variables en las frecuencias de audio. Este efecto se manifestó al intentar enviar una señal de voz simple a través del cable telegráfico transatlántico , con malos resultados. ^{[18] [19]}

Normas

La mayoría de los cables coaxiales tienen una impedancia característica de 50, 52, 75 o 93 Ω. La industria de RF utiliza nombres de tipo estándar para los cables coaxiales. Gracias a la televisión, RG-6 es el cable coaxial más utilizado para uso doméstico y la mayoría de las conexiones fuera de Europa se realizan mediante conectores F.

Se especificaron una serie de tipos estándar de cable coaxial para usos militares , en la forma "RG-#" o "RG-#/U". Datan de la Segunda Guerra Mundial y se enumeraron en MIL-HDBK-216 publicado en 1962. Estas designaciones ahora están obsoletas. La designación RG significa Radio Guide (guía de radio) y la designación U significa Universal (universal). El estándar militar actual es MIL-SPEC MIL-C-17. Los números MIL-C-17, como "M17/75-RG214", se dan para cables militares y números de catálogo del fabricante para aplicaciones civiles. Sin embargo, las designaciones de la serie RG fueron tan comunes durante generaciones que todavía se utilizan, aunque los usuarios críticos deben saber que, dado que el manual se retiró, no existe un estándar que garantice las características eléctricas y físicas de un cable descrito como "tipo RG-#". Los designadores RG se utilizan principalmente para identificar conectores compatibles que se ajustan a las dimensiones del conductor interno, dieléctrico y de la cubierta de los antiguos cables de la serie RG.

Códigos de materiales dieléctricos

• FPE es polietileno espumado
• PE es polietileno sólido
• PF es espuma de polietileno
• PTFE es politetrafluoroetileno ;
• ASP es polietileno con espacio de aire ^[41]

VF es el factor de velocidad; está determinado por la fuerza efectiva y ^[42] ${\displaystyle \epsilon _{r}}$ ${\displaystyle \mu _{r}}$

• El VF para PE sólido es de aproximadamente 0,66
• El VF para espuma de PE es de aproximadamente 0,78 a 0,88
• El VF para el aire es de aproximadamente 1,00
• El VF para PTFE sólido es de aproximadamente 0,70
• El VF para espuma de PTFE es de aproximadamente 0,84

También existen otros esquemas de designación para cables coaxiales como las series URM, CT, BT, RA, PSF y WF.

Cable coaxial RG-6

Cable coaxial RG-142

Cable coaxial semirrígido RG-405

Cable de audio coaxial de alta gama ( S/PDIF )

Usos

Los cables coaxiales cortos se utilizan habitualmente para conectar equipos de vídeo domésticos, en configuraciones de radioaficionados y en módulos de instrumentación nuclear . Si bien antes eran habituales para implementar redes informáticas , en particular Ethernet ( 10BASE5 "grueso" y 10BASE2 "delgado" ), los cables de par trenzado los han sustituido en la mayoría de las aplicaciones, excepto en el mercado de módems de cable para el acceso a Internet de banda ancha.

El cable coaxial de larga distancia se utilizó en el siglo XX para conectar redes de radio , redes de televisión y redes telefónicas de larga distancia , aunque ha sido reemplazado en gran medida por métodos posteriores ( fibra óptica , T1 / E1 , satélite ).

Los cables coaxiales más cortos aún transportan señales de televisión por cable a la mayoría de los receptores de televisión, y este propósito consume la mayor parte de la producción de cable coaxial. En la década de 1980 y principios de la década de 1990, el cable coaxial también se utilizó en redes informáticas , sobre todo en redes Ethernet , donde más tarde, a fines de la década de 1990 y principios de la década de 2000, fue reemplazado por cables UTP en América del Norte y cables STP en Europa occidental, ambos con conectores modulares 8P8C.

Los cables micro coaxiales se utilizan en una variedad de dispositivos de consumo, equipos militares y también en equipos de escaneo por ultrasonidos.

Las impedancias más comunes que se utilizan ampliamente son 50 o 52 ohmios y 75 ohmios, aunque hay otras impedancias disponibles para aplicaciones específicas. Los cables de 50/52 ohmios se utilizan ampliamente para aplicaciones de radiofrecuencia bidireccional industriales y comerciales (incluidas la radio y las telecomunicaciones), aunque 75 ohmios se utilizan comúnmente para la radiodifusión y la televisión.

El cable coaxial se utiliza a menudo para transportar señales desde una antena a un receptor. En muchos casos, el mismo cable transporta energía hacia la antena para alimentar un preamplificador . En algunos casos, un solo cable transporta energía unidireccional y datos/señales bidireccionales, como en DiSEqC .

Tipos

Línea dura

1+Línea flexible de 5 ⁄ 8  in (41 mm) con dieléctrico (principalmente) de aire

1+Cable coaxial Heliax de 5 ⁄ 8  in (41 mm) con dieléctrico de polietileno espumado FPE

Las variedades más grandes de líneas duras pueden tener un conductor central construido a partir de tubos de cobre rígidos o corrugados. El dieléctrico en la línea dura puede consistir en espuma de polietileno, aire o un gas presurizado como nitrógeno o aire desecado (aire seco). En las líneas cargadas con gas, se utilizan plásticos duros como el nailon como espaciadores para separar los conductores internos y externos. La adición de estos gases en el espacio dieléctrico reduce la contaminación por humedad, proporciona una constante dieléctrica estable y proporciona un riesgo reducido de arco interno. Las líneas duras llenas de gas se utilizan generalmente en transmisores de RF de alta potencia , como transmisiones de televisión o radio, transmisores militares y aplicaciones de radioaficionados de alta potencia, pero también se pueden utilizar en algunas aplicaciones críticas de menor potencia, como las de las bandas de microondas. Sin embargo, en la región de microondas, la guía de ondas se utiliza con más frecuencia que la línea dura para aplicaciones de transmisor a antena o de antena a receptor. Los diversos blindajes utilizados en la línea dura también difieren; Algunas formas utilizan tubos rígidos, o cañerías, mientras que otras pueden utilizar tubos corrugados, lo que facilita el doblado y reduce las torceduras cuando el cable se dobla para adaptarse. Se pueden utilizar variedades más pequeñas de cables rígidos internamente en algunas aplicaciones de alta frecuencia, en particular en equipos dentro del rango de microondas, para reducir la interferencia entre las etapas del dispositivo.

Radiando

El cable radiante o con fugas es otra forma de cable coaxial que se construye de manera similar al cable rígido, sin embargo, se construye con ranuras sintonizadas cortadas en el blindaje. Estas ranuras se sintonizan con la longitud de onda de RF específica de operación o se sintonizan con una banda de frecuencia de radio específica. Este tipo de cable se utiliza para proporcionar un efecto de fuga "deseado" bidireccional sintonizado entre el transmisor y el receptor. Se utiliza a menudo en huecos de ascensores, buques de la Armada de EE. UU., túneles de transporte subterráneo y en otras áreas donde no es posible colocar una antena. Un ejemplo de este tipo de cable es Radiax ( CommScope ). ^[43]

RG-6

El RG-6 está disponible en cuatro tipos diferentes diseñados para diversas aplicaciones. Además, el núcleo puede ser de acero revestido de cobre (CCS) o de cobre macizo desnudo (BC). El RG-6 "normal" o "doméstico" está diseñado para cableado doméstico interior o exterior. El cable "inundado" está impregnado de gel bloqueador de agua para su uso en conductos subterráneos o enterramiento directo. El "mensajero" puede contener algo de impermeabilización, pero se distingue por la adición de un cable mensajero de acero a lo largo de su longitud para transportar la tensión involucrada en una caída aérea desde un poste de servicios públicos. El cableado " plenum " es caro y viene con una cubierta exterior especial a base de teflón diseñada para su uso en conductos de ventilación para cumplir con los códigos contra incendios. Se desarrolló porque los plásticos utilizados como cubierta exterior y aislamiento interior en muchos cables "normales" o "domésticos" emiten gases venenosos cuando se queman.

Cable triaxial

El cable triaxial o triax es un cable coaxial con una tercera capa de blindaje, aislamiento y revestimiento. El blindaje exterior, que está conectado a tierra, protege al blindaje interior de interferencias electromagnéticas de fuentes externas.

Semirrígido

Conjunto coaxial semirrígido

Cable coaxial semirrígido instalado en un analizador de espectro Agilent N9344C de 20 GHz

El cable semirrígido es un tipo de cable coaxial que utiliza una cubierta exterior de cobre macizo. Este tipo de cable coaxial ofrece un apantallamiento superior en comparación con los cables con un conductor exterior trenzado, especialmente a frecuencias más altas. La principal desventaja es que el cable, como su nombre lo indica, no es muy flexible y no está diseñado para flexionarse después de la formación inicial. (Véase § Línea dura)

El cable conformable es una alternativa flexible y reformable al cable coaxial semirrígido que se utiliza cuando se requiere flexibilidad. El cable conformable se puede pelar y moldear a mano sin necesidad de herramientas especializadas, de manera similar al cable coaxial estándar.

Línea rígida

La línea rígida es una línea coaxial formada por dos tubos de cobre mantenidos concéntricos cada dos metros mediante soportes de PTFE. Las líneas rígidas no se pueden doblar, por lo que a menudo necesitan codos. La interconexión con la línea rígida se realiza con una bala interior/soporte interior y una brida o kit de conexión. Normalmente, las líneas rígidas se conectan utilizando conectores RF EIA estandarizados cuyos tamaños de bala y brida coinciden con los diámetros de línea estándar. Para cada diámetro exterior, se pueden obtener tubos interiores de 75 o 50 ohmios. La línea rígida se utiliza habitualmente en interiores para la interconexión entre transmisores de alta potencia y otros componentes de RF, pero la línea rígida más resistente con bridas resistentes a la intemperie se utiliza en exteriores en mástiles de antena, etc. Con el fin de ahorrar peso y costes, en mástiles y estructuras similares la línea exterior suele ser de aluminio y se debe tener especial cuidado para evitar la corrosión. Con un conector de brida, también es posible pasar de una línea rígida a una línea dura. Muchas antenas de radiodifusión y divisores de antena utilizan la interfaz de línea rígida con brida incluso cuando se conectan a cables coaxiales flexibles y línea dura. La línea rígida se fabrica en varios tamaños diferentes:

Interferencias y resolución de problemas

El aislamiento de los cables coaxiales puede degradarse, lo que requiere su reemplazo, especialmente si ha estado expuesto a los elementos de forma continua. El blindaje normalmente está conectado a tierra y, si un solo hilo de la trenza o filamento de aluminio toca el conductor central, la señal se cortocircuitará y provocará una pérdida significativa o total de la señal. Esto ocurre con mayor frecuencia en conectores y empalmes de extremos instalados incorrectamente. Además, el conector o empalme debe estar correctamente conectado al blindaje, ya que este proporciona la ruta a tierra para la señal interferente.

A pesar de estar blindado, pueden producirse interferencias en las líneas de cable coaxial. La susceptibilidad a las interferencias tiene poca relación con las designaciones generales del tipo de cable (por ejemplo, RG-59, RG-6), pero está fuertemente relacionada con la composición y configuración del blindaje del cable. Para la televisión por cable , con frecuencias que se extienden hasta el rango UHF, normalmente se proporciona un blindaje de lámina, que proporcionará una cobertura total, así como una alta eficacia contra la interferencia de alta frecuencia. El blindaje de lámina suele ir acompañado de un blindaje trenzado de cobre estañado o aluminio, con una cobertura de entre el 60 y el 95%. La trenza es importante para la eficacia del blindaje porque (1) es más eficaz que el papel de aluminio para prevenir la interferencia de baja frecuencia, (2) proporciona una mayor conductividad a tierra que el papel de aluminio y (3) hace que la conexión de un conector sea más fácil y fiable. El cable de "blindaje cuádruple", que utiliza dos blindajes trenzados de aluminio de baja cobertura y dos capas de papel de aluminio, se utiliza a menudo en situaciones que implican interferencias problemáticas, pero es menos eficaz que una sola capa de papel de aluminio y un solo blindaje trenzado de cobre de alta cobertura como el que se encuentra en el cable de video de precisión con calidad de transmisión.

En los Estados Unidos y en algunos otros países, los sistemas de distribución de televisión por cable utilizan extensas redes de cable coaxial para exteriores, a menudo con amplificadores de distribución en línea. Las fugas de señales hacia y desde los sistemas de televisión por cable pueden causar interferencias a los abonados al cable y a los servicios de radio por aire que utilizan las mismas frecuencias que las del sistema de cable.

Historia

Línea de alimentación de antena coaxial temprana deEstación de radio de 50 kW WNBC , Nueva York, década de 1930

Cable troncal coaxial de AT&T instalado entre la Costa Este y el Medio Oeste en 1948. Cada uno de los 8 subcables coaxiales podía transportar 480 llamadas telefónicas o un canal de televisión.

• 1858 — Se utiliza el cable coaxial en el primer cable transatlántico (1858) . ^[44]
• 1880 — Cable coaxial patentado en Inglaterra por Oliver Heaviside , patente n.º 1.407. ^[45]
• 1884: Cable coaxial patentado por Siemens & Halske en Alemania (Patente nº 28.978, 27 de marzo de 1884). ^[46]
• 1894: Nikola Tesla (patente estadounidense n.º 514.167)
• 1929: Lloyd Espenschied y Herman Affel de los Bell Telephone Laboratories de AT&T patentan el primer cable coaxial moderno . ^[47]
• 1936 — Primera transmisión de imágenes de televisión en circuito cerrado por cable coaxial, desde los Juegos Olímpicos de Verano de 1936 en Berlín a Leipzig . ^[48]
• 1936: se instala un cable coaxial submarino entre Apollo Bay , cerca de Melbourne (Australia) y Stanley (Tasmania) . El cable, de 300 km (190 mi), puede transmitir un canal de transmisión de 8,5 kHz y siete canales telefónicos. ^[49]
• 1936 — AT&T instala un cable coaxial experimental de teléfono y televisión entre Nueva York y Filadelfia , con estaciones amplificadoras automáticas cada diez millas (16 km). Se completó en diciembre y puede transmitir 240 llamadas telefónicas simultáneamente. ^{[50] [51]}
• 1936 — La Oficina General de Correos (ahora BT ) instala un cable coaxial entre Londres y Birmingham , que proporciona 40 canales telefónicos. ^{[52] [53]}
• 1941 — Primer uso comercial en EE. UU. por parte de AT&T, entre Minneapolis , Minnesota y Stevens Point, Wisconsin. Sistema L1 con capacidad para un canal de televisión o 480 circuitos telefónicos.
• 1949 — El 11 de enero, ocho estaciones de la costa este de EE. UU. y siete estaciones del Medio Oeste se conectan a través de un cable coaxial de larga distancia. ^[54]
• 1956 — Se coloca el primer cable coaxial telefónico transatlántico, el TAT-1 . ^{[55] [56]}

• 1962: se pone en servicio el cable coaxial Sídney-Melbourne de 960 km (600 mi) , que transporta 3 x 1260 conexiones telefónicas simultáneas y/o transmisión simultánea de televisión entre ciudades. ^{[57] [58]}

Véase también

• Línea equilibrada
• Conector BNC
• Conector LEMO
• Transmisión de energía por radiofrecuencia
• Cableado twinaxial

Referencias

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Enlaces externos

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