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En el siguiente capitulo encontraremos los sistemas de transmisión que se basan en redes de cable coaxial de diferentes calibres ó referencias. También encontraremos términos generales que necesitan ser definidos claramente.
También debemos estar familiarizados con los términos ancho de banda del sistema, capacidad de transmisión y espectro del sistema.
El CABLE COAXIAL
Introducción
Se define cable coaxial a un cable en el cual los dos conductores tengan el mismo eje, siendo el conductor externo un cilindro separado del conductor interno por intermedio de un oportuno material dieléctrico.
El empleo de cables coaxiales es indispensable para limitar las pérdidas que se verifican por irradiación todas las veces en que la frecuencia de las señales transmitidas sea del orden de los Khz, el conductor externo, además de conductor de retorno, cumple con la función de blindaje, con la consiguiente estabilización de los parámetros eléctricos.
Los cables RG son usados en los campos de la electrónica comercial, ingeniería de radiofrecuencia, proceso de datos, aviónica, etc., donde por supuesto la alta calidad es imprescindible para asegurar:
- La larga vida de servicio y buena estabilidad de envejecimiento.
- Temperatura de trabajo continuo de: PE: -40º C + 75º C.
- Alta resistencia a la abrasión de la cubierta y a la permanente acción de los agentes químicos.
- Alta flexibilidad.
- Baja atenuación.
- Mínima desviación de la impedancia característica y buena homogeneidad
- Utilización de conectores estándar.
CONSTRUCCIÓN:
Conductor interior: La construcción, el material y las tolerancias del conductor interior son factores determinantes de las propiedades eléctricas y mecánicas del cable. Los cables individuales son realizados con tolerancias muy estrictas, con cobre electrolítico, partiendo de hilo rígido, estañado, plateado o desnudo, tanto macizo como agrupado, teniendo un alto grado de flexibilidad. En casos de alta resistencia a la tracción, los hilos de Copperweld son utilizados para muchos conductores interiores.
Aislamiento: El comportamiento a la temperatura, atenuación, rigidez dieléctrica y flexibilidad son los factores determinantes para el material y la construcción de los aislantes de cables. El polietileno es preferiblemente usado a causa de sus buenas propiedades para el curvado en frío y dieléctricas.
Conductor exterior: La malla de los conductores exteriores está formada por hilos de cobre desnudo, estañado o plateado. Están diseñadas de acuerdo con MIL C-17F, con alto factor de cobertura y eficiencia de blindaje. Los cables con unos requerimientos más estrictos de apantallamiento deben ser previstos con doble malla.
Protección exterior: Los cables apantallados tienen como protección exterior una cubierta a prueba de resistencia atmosférica, la cual está clasificada de acuerdo con la calidad de los grupos MIL C-17F. En las cubiertas de PVC que cumplen con la MIL C-17F, en las cuales los plastificantes tienen una baja emigración y muy alta resistencia al envejecimiento, el aumento de la atenuación es imperceptible al paso del tiempo. Los cables que están sujetos en particular a tracciones mecánicas, son previstos con armadura exterior adicional de hilos de acero o aluminio.
Cubiertas de cables de acuerdo con MIL C-17F:
-TipoIIa:
* Ensayos resistencia a la temperatura: De -55ºC a +98ºC. La materia prima utilizada en las cubiertas tipo IIa consiste fundamentalmente en un tipo de PVC blanco negro o gris, cuyos plastificantes son muy seleccionados y permiten unos comportamientos excelentes a los efectos atmosféricos y a la abrasión.
-TipoIIa:
* Ensayos resistencia a la temperatura: De -55ºC a +98ºC. La cubierta para cables tipo IIIa consiste en un PE negro. Este tipo de material está especialmente diseñado con una serie de componentes que la hacen resistente a la suciedad y a agentes exteriores.
Los primeros cables coaxiales fueron desarrollados en los años cuarenta durante la segunda guerra mundial en los Estados Unidos como consecuencia estratégica de transmitir a grandes distancias con la menor interferencia posible de señales eléctricas y gran capacidad de información.
Su introducción comercial sucedió a fines de la década del cuarenta bajo las normas del ejército de los Estados Unidos y posteriormente bajo las normas "IEC" International Electrotechnica Commisión.
Primer cable coaxial 1941.
La eficiencia eléctrica y equilibrio debe mantenerse dentro de una gran gama de frecuencia y variedad de ambientes donde será requerido, por ello sus propiedades físicas, mecánicas y eléctricas están directamente relacionadas con el uso que se les quiera dar; directamente enterrado en el suelo, en ductos, aéreos, en interior de aviones, submarinos, vehículos en constante movimiento etc.
Dado a la gran variedad de utilización de este tipo cables es que existe en el mercado una amplia gama de formas y diseños.
Tecnología de cables coaxiales
Un par coaxial está constituido de dos conductores cilíndricos y concéntricos, aislados entre sí por un dieléctrico. Este dieléctrico puede ser con anillos separadores o relleno, manteniendo siempre la concentricidad perfecta entre el conductor interno y el conductor externa del par coaxial.
Están diseñados para transmisión de señales con baja pérdida de potencia y gran ancho de banda.
Lo relevante en el diseño del par coaxial, es sin duda el principio de propagación de la señal. En efecto si comparamos un cable constituido por dos hilos paralelos, podemos entender que el campo electromagnético que se genera alrededor de los conductores son sumatorios, y sólo se anularán en parte con el pareamiento entre ellos.
Sin embargo, este efecto, que por cierto, es indisoluble del campo eléctrico, no ocurre en la configuración del par coaxial, dado que por su estructura concéntrica entre los conductores, el campo electromagnético no emana hacia el exterior al ser contenido por conductor externo del par coaxial, esto permite que la diafonía sea despreciable y la velocidad de propagación sea uniforme.
Configuración de un cable coaxial
El diámetro del conductor interno se denomina con la letra "a", y el diámetro interno del conductor externo se denomina con la letra "b" este diámetro coincide con el diámetro externo del dieléctrico o aislante.
Cable Coaxial Sólido
Conductor
Externo
(Aluminio)
Conductor Central (Pin) aluminio
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Capa de Cobre
(Copperclad)
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Conductor
Externo
(Mallas y
Láminas)
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Conductor central del par coaxial
El conductor central es un alambre sólido o trenzado el cual varía entre 0,2 y 5 mm de diámetro respectivamente. El material del conductor es por lo general de cobre, aunque también son usados conductores de acero o aluminio con una pequeña película de cobre (copperweld ). El cobre, en la fabricación de cables, es el más conveniente por su bajo precio y abundancia en el mercado, comparado con otros conductores de mejor calidad como la plata y el oro.
En algunos casos, el conductor central del cable coaxial es cubierto con una pequeña película de estaño para evitar la oxidación prematura del material y como una forma de facilitar la unión en caso de realizar empalmes soldados. Sin embargo, este procedimiento produce un pequeño aumento de la resistencia del conductor.
Aislamiento o dieléctrico
Lo ideal en la construcción de un cable con las característica de un par coaxial es que su aislante sea de aire, sin embargo, en la práctica esto resulta ser imposible, dado que el conductor central debe estar siempre equidistante del conductor exterior, por esta razón es necesario poner un material aislante entre el conductor central y el conductor exterior. Este proceso es uno de los más importantes en la calidad de los cables coaxiales dado que del dieléctrico dependerán las características eléctricas del cable como: su impedancia característica, capacidad mutua, velocidad de propagación y atenuación.
Tipos de aislantes. ( usados por la fábrica CONDUMEX )
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Materiales
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Abreviatura
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Permeabilidad
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Polietileno Sólido
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PE
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2.28
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Polietileno Celular
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PE FOAM
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1.50
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Polietileno Pelicular
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PE FOAM SKI
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1.60
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Polietileno con Aire
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PE AIR
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1.40
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Polietileno Retardante
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FLAMA
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2.60
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Polipropileno Sólido
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PR
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2.25
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Polipropileno Celular
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PR FOAM
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1.50
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Aire
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1.00
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Teflón
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2.01
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Hule de Silicona
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2.90
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El polietileno es un material termoplástico derivado del petróleo, que se utiliza como aislante en la mayoría de los cables, tanto coaxiales como multipares, debido a que tiene propiedades dieléctricas muy estables en un amplio rango de frecuencia y posee un bajo factor de pérdida.
El polietileno celular es una mezcla de polietileno sólido con implantación de burbujas de aire, y esto permite que el aislante sea más liviano y tenga una permeabilidad menor.
El aire tiene una permeabilidad teórica de 1,00 (Er.), esto permite que sea el mejor aislante después del vacío. Al combinar el aire con polietileno sólido, baja la constante dieléctrica, permitiendo disminuir el espesor del aislante y usar un conductor central de menor calibre, este procedimiento hace que las pérdidas de inserción sean menores y que la resistencia del conductor central sea menor pero de mayor diámetro, conservando las demás características de transmisión.
Sin embargo, este procedimiento tiene algunas desventajas con relación al polietileno sólido, pues disminuye su resistencia mecánica y es más susceptible a la penetración de humedad. Los cables con aislantes de polietileno celular son usados preferentemente en transmisión de señales digitales y en largas distancias. Los cables con aislantes de polietileno sólido son usados preferentemente en tramos cortos y que requieran de gran movilidad. Normalmente se usa en transmisión de TV Cable.
Una forma de disminuir la permeabilidad del polietileno sólido es reducir el espacio del aislamiento sin disminuir el diámetro. Esto se logra por medio de anillos colocados a cierta distancia o bien, por medio de un hilo del mismo material aislante, el cual es colocado en forma de espiral
El polipropileno es un material que posee prácticamente las mismas características del polietileno, y su utilización dependerá de las disponibilidad del mercado.
Conductor Externo
El conductor externo es tubular y está constituido de dos formas: la primera determina la familia de los cables flexibles ( RG. ) y la segunda determina la familia de los cables regidos (CATV) el conductor externo de los cables están constituidos por una malla trenzada de hilos de cobre rojo o estañado.
El conductor externo del cable CATV está constituido por una cinta de cobre o aluminio laminada. Esta cinta puede ser corrugada o lisa.
Tanto los cables RG. Como también los cables CATA, son recubiertos por una capa de protección de PVC o vinilo de color negro, para cables de uso exterior y de color marfil para interiores.
Este recubrimiento no influye en las características eléctricas de los cables.
La elección de uno u otro modelo dependerá de las especificaciones y del uso que se le quiera dar al cable, siendo los factores más importantes a considerar su resistencia mecánica, flexibilidad, resistencia a la corrosión y tensión.
La sigla RFG en los cables coaxiales significa "Radio Frecuencia Guide" y son cables cuyo diseño original corresponde a las especificaciones del ejército de los Estados Unidos bajo las normas MIL-G-17. Son conocidos igualmente como "Cables TV " son regidos originalmente bajo las normas "IEC-96" estos cables por lo general son más económicos que los cables RG y ofrecen prácticamente las mismas características eléctricas.
Velocidad de Propagación
La velocidad de propagación es la velocidad máxima con la cual se puede transmitir una señal en la línea de transmisión.
Por convención se ha decidido expresarla como una razón porcentual de dicha velocidad con respecto a la velocidad de la luz en el espacio libre, que teóricamente es la máxima velocidad que puede tener cualquier objeto o fenómeno en el universo
La velocidad de propagación en los cables, depende totalmente del material aislante entre el conductor interno y el conductor externo del par coaxial, vale decir del material usado como dieléctrico.
La velocidad de una onda electromagnética que viaja por espacio libre y está dada por:
Donde:
Vpo = Velocidad de propagación del espacio libre 300.000.000 m/s
m = Constante de permeabilidad en el espacio libre 12,5664 x 10-7 H/m
eo= Constante dieléctrica del espacio libre 8,84 x 10-12 F/m
La velocidad de propagación en el medio está dada por:
Donde:
Vpm = Velocidad de propagación en el medio m/s
m = Constante de permeabilidad del espacio libre 12,5664 x 10-7 H/m
e= Dieléctrico del medio.
El dieléctrico del medio está dado por:
e = eo x er
Donde:
e= Constante dieléctrico del medio
eo= Constante dieléctrico del espacio libre corresponde a 8,84 x 10-12 F/m .
er= Dieléctrico relativo que corresponde al material aislante.
Por lo general la velocidad de propagación establecida en los catálogos de los fabricantes de cables coaxiales viene dado en porcentajes, siendo el 100% para la velocidad de luz en el espacio libre, la cual corresponde a un dieléctrico relativo de 1.00. (er).
Por tanto, para saber de qué material está construido el aislante del cable, tendremos que saber la velocidad de propagación en porcentaje, o bien, el dieléctrico relativo del material aislante.
Para ello se relaciona la velocidad de propagación del medio con la velocidad de propagación del espacio libre.
Vpm = Vpo
Reemplazando los valores tenemos:
Donde:
Mu = Constante de permeabilidad del espacio libre y corresponde a 4 p x 10-7 H/m
eo = Constante dieléctrica del vacío y corresponde a 8,84 x 10-12.F/m
er= Constante dieléctrica relativo del material aislante. % = Velocidad de propagación en el medio expresada en m/s.
% = Velocidad de propagación en el medio expresada en m/s.
Con esta expresión se podrá determinar la velocidad de propagación de medio en porcentaje y también en Km/s.
Ejemplo:
Para determinar la velocidad de propagación expresada en Kilómetros por segundo. (Km/s) se aplica la siguiente expresión:
Para determinar la velocidad de propagación expresada en porcentajes:
De esta forma, podemos establecer la velocidad de propagación que tendrá la señal en el cable coaxial con un determinado material aislante, en porcentaje o en kilómetros por segundos.
Los valores típicos de velocidad de propagación en un cable coaxial van desde un 60% hasta un 84,5%, tal como se indica en la siguiente tabla (existen cables que tienen velocidades aún mayores.)
Otra forma para determinar la velocidad de propagación en un cable coaxial, es a partir del conocimiento de los parámetros de capacidad mutua expresada en faradios metro e inductancia expresada en henrios metro. En este caso su fórmula es la siguiente:
Donde:
Vpm = Velocidad de propagación en el cable coaxial expresado en Km/s.
L = Inductancia expresada en Henrios/Km.
C = Capacidad expresada en Faradios/Km.
La característica del cable y su longitud, se determina mediante la utilización de un instrumento que relaciona la velocidad del espacio libre con la velocidad del medio. Este instrumento se conoce con el nombre de TDR.
Esta relación es fundamental al momento de elegir un cable coaxial, dado que de ésta dependerán las características eléctricas, atenuación, y velocidad de propagación del cable.
Un ejemplo común con el cual se puede apreciar la importancia de la velocidad de propagación, es que en la transmisión de televisión vía cables coaxiales, nunca se ven imágenes con "fantasma", como se puede ver en la transmisión vía espacio libre, dado que en este último caso la Vp cambia dependiendo de la posición del televisor.
Pérdida de Retorno
Se denomina pérdida de retorno, a la energía o potencia que retorna a la carga cuando la impedancia de la carga es diferente respecto de la impedancia de la fuente. En este caso se dice que hay un desbalance de impedancia entre la carga y la fuente.
La pérdida de retorno es posible determinarla a partir de una relación logarítmica en dB. por medio de la siguiente expresión:
Donde:
R = perdida de reflexión en dB.
Pr = Potencia reflejada en watt.
Pi = Potencia incidente en watt.
La potencia reflejada o pérdida de retorno deberá ser mucho menor que la potencia incidente. Mientras menor sea la potencia reflejada mayor será la transferencia de potencia hacia la carga.
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