5.2 Características eléctricas del cable coaxial

 

El cable coaxial es un tipo de línea de transmisión, y como tal se rige por los fundamentos de propagación eléctrica. Por lo tanto se distinguen los siguientes parámetros de transmisión.

Esta expresión nos indica la independencia de la impedancia característica con respecto a la banda de frecuencias, y pasa a depender de parámetros físicos como se indicó en 2.1, en particular de la relación de diámetros y de la constante dieléctrica.

De las fórmulas tambien se puede deducir la velocidad de propagación, la cual esta dada por:

vp = 1/ (L/C) (Kms/seg.)

Las señales electromagnéticas se propagan en el espacio libre a la velocidad de la luz (300.000 Km/seg.), sin embargo en un cable la velocidad se reduce por efecto del tiempo de carga de la capacidad distribuida. Los fabricantes indican la velocidad de propagación como un porcentaje de la velocidad en espacio libre, por ejemplo la velocidad de propagación de los cables rígidos con dieléctrico de foam se encuentra alrededor del 88%. Para cables con dieléctrico de aire (conductor central separado con arandelas aislantes), la velocidad de propagación supera el 90%.
 
 

5.2.2  Causas y efectos de la reflexión

Como se había indicado anteriormente la desadaptación de impedancia produce efectos de reflexión de la señal en el cable. Este efecto es perjudicial por los siguientes motivos:

Existen varias formas de medir el fenómeno de desadaptación de impedancia o reflexión producida por aquella. Las más conocidas son el coeficiente de reflexión (rc Reflective Coefficient), la relación de onda estacionaria (VSWR Voltage Standing Wave Ratio) y las perdidas de retorno (RL Return Loss).

La reflexión de la señal en un punto del cable hará que parte de la señal original (incidente) se propague en sentido contrario (señal reflejada). Esto queda representado por el coeficiente de reflexión, el cual esta dado por:

rc = Er/Ei

Donde

Er = Voltaje reflejado

Ei = Voltaje incidente

La reflexión de ondas producirá a lo largo del cable puntos donde la tensión de la señal incidente se sume o reste con la señal reflejada, o sea un efecto de refuerzo o atenuación de la señal original (incidente).

La relación entre la máxima tensión y la mínima tensión desarrollada a lo largo del cable se denomina relación de onda estacionaria VSWR, y esta dada por:

VSWR = Emáx / Emín

Donde

Emáx = Voltaje máximo

Emín = Voltaje mínimo

Pero:

Emáx = Ei + Er = Ei(1 + rc)

Emín = Ei - Er = Ei(1 - rc)

Luego:

VSWR = (1 + rc) / (1 - rc)

Por otra parte, las perdidas de retorno se definen como:

RL = 20 log(1 / rc) = 20 log(Ei / Er)

Las condiciones ideales de una línea CATV, ocurren cuando no hay reflexión, o sea Er = 0, por lo tanto:

rc = 0

VSWR = 1

RL muy alta

Las condiciones más desfavorable, se producen para la máxima reflexión (teórica), o sea Er = Ei, en este caso:

rc = 1

VSWR muy alta

RL = 0

En la práctica la mayoría de los fabricantes disponen de cables con perdidas de retorno comprendidas entre 28 dB y 32 dB (rc comprendido entre un 4% y un 2,5%).

Cuando un cable presenta perdidas de retorno bajas, por ejemplo menor que 26 dB, la señal reflejada provocará variaciones significativas en el nivel de la tensión a lo largo de la línea, afectando los niveles previstos en los taps, splitter, amplificadores, etc.

La caída de las perdidas de retorno se pueden producir por efecto de aplastamiento del cable durante la fabricación, transporte, almacenamiento o instalación. En este último caso es recomendable consultar o seguir las instrucciones del fabricante.
 

5.2.3 Atenuación

Uno de los parámetros más relevantes del cable coaxial es la atenuación, definida como la relación entre la potencia de señal de entrada con respecto a la potencia de señal de salida para una determinada longitud del cable. Si consideramos que la impedancia de entrada es igual a la de salida y corresponde a 75 Ohms, entonces la atenuación expresada en decibeles queda:

At = 10 log(P1 / P2) = 20 log(E1 / E2)

donde:

P1, P2 son las potencias de entrada y salida respectivamente medidas en Watts o mW.

E1, E2 son los voltajes de entrada y salida respectivamente medidos en Volts o mV.

La atenuación nominal de un cable coaxial se especifica para una longitud standard de 100 metros o 100 pies (30,48 m) a una temperatura de 20 grados. Esto último es necesario indicarlo, ya que la atenuación varia con la temperatura.

La atenuación es un parámetro eléctrico que representa las pérdidas de la señal en su paso por el cable. La primera contribución a dicha atenuación la hacen los parámetros primarios R (resistencia del conductor) y G (fugas en el dieléctrico), siendo más significativa la primera.

Los fabricantes especifican R midiendo en C.C. la resistencia de loop. TFC indica los siguientes valores para su serie de cables JT-4000 con conductor central de aluminio bañado con cobre. 

Tipo de cable Modelo TFC Resistencia Loop C.C. (Ohms/Km)
.412 JT-4412 8,13
.500 (1/2") JT-4500 5,73
.625 (5/8") JT-4625 3,68
.750 (3/4") JT-4750 2,53
.875 (7/8") JT-4875 1,74
1.000 (1") JT-41000 1,38
 Estos valores son inferiores para cables con conductores centrales de cobre sólido.

La resistencia de loop es importante porque afecta directamente al sistema de alimentación de 60 Volts C.A., produciendo caídas de tensión a lo largo del cable, limitando el alcance y capacidad de las fuentes de alimentación. También debe tenerse en cuenta que es afectada por la temperatura.

Del circuito equivalente se deduce que la línea se comporta como un circuito pasabajos, por lo tanto atenúa más las altas frecuencias.

Otro fenómeno significativo es el efecto skin (efecto piel), o sea, el hecho de que para altas frecuencias la corriente tiende a circular cerca de la superficie del conductor central y no en forma distribuida y homogénea como ocurre para la corriente continua o de baja frecuencia. Esto hace que la sección útil del conductor sea menor que la real, y que en la práctica no sea necesario que toda la sección del conductor tenga buena conductividad. Por este motivo, es muy común utilizar cables cuyo conductor central es de aluminio con un baño de cobre en la superficie (Cooper Clad Aluminum).

La fig. 5.2 muestra la curva de atenuación en dB/100 pies versus la frecuencia para diferentes tipos de cables desde 5 MHz a 900 MHz. Esta curva es particular de un fabricante y sólo debe tomarse como referencia para efectuar cálculos.

 
 
 
fig 5.2 Curva de atenuación de cables coaxiales en dB/100'
 

5.2.4 Efecto de la Temperatura

Los efectos más significativos de la temperatura en el cable coaxial son:

La atenuación.

La resistencia de loop.

La dilatación o contracción mecánica.

Los parámetros descritos anteriormente se han especificados para 20ºC (68ºF). La atenuación varia a razon de 1% cada 10ºF de variación de temperatura. Considerando que:

ºC = (ºF - 32) 5 / 9

Por lo tanto, la atenuación a ºC (ateºC) esta dada por:

ateºC = ate20 (1 + (ºC - 20) 9 / 5000)

donde:

ate20 es la atenuación del cable a 20 ºC.

Por ejemplo para el cable coaxial .500, en la fig. 5.2 se tiene una atenuación de 2 dB/100' a 400 MHz a 20 ºC. Por lo tanto 200 metros de dicho cable presentan una atenuación de:

ate20 = 2 dB/100' x 100'/30,48m. x 200 m = 13,12 dB

Si el cable es aereo y la temperatura alcanza los 45 ºC en el cable, entonces la atenuación será:

ate45 = 13,12 (1 + (45 - 20) 9 / 5000) = 13,71

Por otra parte, para la resistencia de loop se verifica la siguiente fórmula:

RºC = R20 (1 + 0,00396 (ºC - 20)