El cable coaxial se define como dos conductores metálicos que comparten el mismo eje y están separados por un material dieléctrico (no conductor).
Es un cable formado por dos conductores concéntricos. El conductor central o núcleo está formado por un cable sólido de cobre, rodeado por una capa aislante que lo separa del externo, formado por una malla trenzada de cobre o aluminio. Todo el conjunto está protegido por una cubierta aislante. Existen múltiples tipos de cable coaxial, cada uno con un diámetro e impedancia diferentes. El cable coaxial se utiliza en redes de comunicación de banda ancha (cable de televisión) y cables de banda base (Ethernet). El cable coaxial no es habitualmente afectado por interferencias externas, y es capaz de lograr altas velocidades de transmisión en largas distancias.
Presenta propiedades mucho más favorables frente a interferencias y a la longitud de la línea de datos, de modo que el ancho de banda puede ser mayor. Esto permite una mayor concentración de las transmisiones analógicas o más capacidad de las transmisiones digitales.
Su estructura es la de un cable formado por un conductor central macizo o compuesto por múltiples fibras al que rodea un aislante dieléctrico de mayor diámetro. Una malla exterior aísla de interferencias al conductor central. Por último, utiliza un material aislante para recubrir y proteger todo el conjunto. Presenta condiciones eléctricas más favorables. En redes de área local se utilizan dos tipos de cable coaxial: fino y grueso.
Diferentes tipos de cable
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
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Características de los cables coaxiales Impedancia Característica (Ohm)
Todas las líneas de transmisión tienen una impedancia característica, ya sean pares metálicos torcidos en un cable telefónico, conductores abiertos sobre una línea postal, o cables coaxiales. La impedancia característica del cable coaxial es una función de la relación del diámetro del conductor externo, respecto al diámetro del conductor interno. La naturaleza del dieléctrico en sí, es un factor que influye en el establecimiento de la impedancia característica de los cables coaxiales. Se usa el término factor “K” para definir la Constante Dieléctrica de cualquier material dieléctrico. Algunos cables coaxiales utilizan el aire como dieléctrico y el aire tiene una constante dieléctrica de 2.3, y algunos cables usan un poli material, pero espuman el material con aire, o con un gas inerte, reduciendo la constante dieléctrica a 1.5.
La fórmula para determinar la impedancia característica de un cable coaxial, con dieléctrico de aire, es:
Ejemplo:
Cuando D = 0.75”, d = 0.175”, y K = 1.5, ¿Cuánto vale Z?
Z = 138 x log √ Z = Z = 138 x log 3.4993 Z = 138 x 0.54398 Z = 75.1 ohmios
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En el ejemplo usamos un cable con dieléctrico espumoso, con una constante dieléctrica de 1.5 y produjo una impedancia de 75 Ohms. Si incrementamos solo el diámetro del conductor central y no incrementamos el diámetro del conductor externo, la resistencia del conductor central sería más pequeña, reduciendo la pérdida de transmisión, pero la impedancia característica del cable resulta más pequeña.
Impedancia de transferencia (mili Ohm/m)
Expresada en mili Ohm por metro, define la eficiencia del blindaje del conductor externo. Cuanto más pequeño es el valor, mejor es el cable a los efectos de la propagación al exterior de la señal transmitida y de la penetración en el cable de señales externas.
Capacidad (pF/m)
Es el valor de la capacidad eléctrica, medida entre el conductor central y el conductor externo, dividida por la longitud del cable. Se trata de valores muy pequeños expresados en pico faradios (10-12F) por metro. Varía con el tipo de material aislante y con la geometría del cable.
Velocidad de propagación (%)
Es la relación expresada en porcentaje, entre la velocidad de propagación de la señal en el cable y la velocidad de propagación de la luz. Varía con el tipo de material aislante.
Atenuación (dB/100m)
Es la pérdida de potencia, a una determinada frecuencia, expresada en decibeles cada 100 metros. Varía con el tipo de material empleado y con la geometría del cable, incrementándose al crecer la frecuencia.
Potencia transmisible (W)
Es la potencia que se puede transmitir a una determinada frecuencia sin que la temperatura del cable afecte al funcionamiento del mismo. Disminuye al incrementarse la frecuencia y se mide en watios.
Tensión de ejercicio (kV)
Es la máxima tensión entre conductor externo e interno a la cual puede trabajar constantemente el cable sin que se generen las nocivas consecuencias del "efecto corona" (descargas eléctricas parciales que provocan interferencias eléctricas y, a largo plazo, la degradación irreversible del aislante).
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Pérdidas de retorno estructural (dB/100m) (Structural Return Loss - SRL)
Son las pérdidas por retorno ocasionadas por la no uniformidad en la construcción (variación de los parámetros dimensionales) y en los materiales empleados, que produciendo una localizada variación de impedancia, provocan un "rebote" de la señal con la consiguiente inversión parcial de la misma.
Componentes
Para poder responder a las más variadas condiciones de funcionamiento que se exigen para los cables coaxiales, es preciso el empleo de los más modernos materiales:
Conductor central
Cobre electrolítico, con pureza superior al 99% y resistividad nominal a 20°C de 17.241 ohm.mm2/Km.
Cobre estañado, limitado a los cables empleados en los aparatos que requieran buenas condiciones de soldabilidad (su uso incrementa la atenuación con relación al cobre rojo). Cobre plateado, para mejorar la atenuación a altísima frecuencia y por su estabilidad química en presencia de dieléctricos fluorados.
Acero cobreado (copperweld): Alambre obtenido por trefilación de cobre sobre un alma de acero. Si bien su conductividad normal es del 30% al 40% de la del cobre, a altas frecuencias (MHz) son prácticamente idénticas, a raíz del efecto piel (skin effect), mientras la carga de rotura mínima es de 77kg/mm2 y el alargamiento el 1%. Este material se emplea por razones mecánicas en los cables de secciones inferiores.
Aislante
Polietileno compacto: Es el material más empleado como aislante en los cables coaxiales, a raíz de su excelente constante dieléctrica relativa (2.25) y rigidez dieléctrica (18kV/mm).
Polietileno expandido: Introduciendo en el polietileno sustancias específicas que se descompongan con la temperatura generando gases, se obtiene polietileno expandido, con los poros uniformemente dispersados y no comunicantes entre ellos. La misma expansión se puede obtener con inyección de gas en el momento de la extrusión, obteniendo superiores características eléctricas. Este material de reducida constante dieléctrica (1.4/1.8, dependiendo del grado de expansión) y bajo factor de pérdida, permite una notable reducción de la atenuación, comparándola con el polietileno compacto.
Polietileno/aire: Es obtenido con la aplicación de una espiral de polietileno alrededor del conductor central, a su vez recubierta con un tubo extruido de polietileno.
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Tefzel (copolímero etileno- tetrafluoretileno): Es empleado para temperaturas entre -50°C a +155°C, con una constante dieléctrica de 2.6 y una rigidez dieléctrica de 80kV/mm.
Teflón FEP (copolímero etileno- tetrafluoretileno- exafluorpropileno): Es empleado para temperaturas entre -70°C y +200°C, con constante dieléctrica de 2.1 y rigidez dieléctrica de 50kV/mm.
Estos dos últimos materiales fluorados se emplean, además que en altas temperaturas (medios militares, electrónica, misiles, etc.), en las aplicaciones que necesiten grandes inercias a los agentes químicos orgánicos e inorgánicos.
Conductor externo
Cobre: Generalmente bajo la forma de trenza constituida por 16, 24 ó 36 husos, con ángulos entre 30° y 45°.
Cobre estañado: Cuando se necesitan buenas características de facilidad para la etapa de soldadura.
Cobre plateado: En presencia de aislantes fluorados (estabilidad química).
Cintas de aluminio/ poliéster y aluminio/ polipropileno: Aplicadas debajo de la trenza mejoran notablemente el efecto irradiante y disminuyen la penetración de señales externas.
Cubierta externa
Cloruro de polivinilo (PVC): Es el material más empleado como cubierta; pudiéndose modificar sus características en función de exigencias específicas (bajas o altas temperaturas, no propagación de fuego, resistencia a los hidrocarburos, etc.).
Uno de los requisitos básicos para el PVC de la cubierta es no contaminar, con la migración de su plastificante, el aislante interno; si esto ocurre, al cabo de poco tiempo se deterioran las características eléctricas del aislante, produciéndose un constante aumento de la atenuación.
Polietileno: Con una oportuna dispersión de negro de humo, para resistir mejor a las radiaciones ultravioletas.
Materiales fluorados (Tefzel y Teflón FEP): Para empleo con altas temperaturas o en presencia de agentes químicos.
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Armaduras
Alambres de acero: puestos bajo forma de trenza o espiral, para instalaciones subterráneas.
Elección del cable coaxial
Cada cable coaxial tiene que cumplir con los tres siguientes parámetros que son impuestos por el circuito al cual tendrá que ser conectado:
Impedancia característica Frecuencia de trabajo
Atenuación máxima y/o potencia máxima
Una vez definida la impedancia se puede elegir el cable operando sobre el correspondiente gráfico: con el valor de la frecuencia de trabajo se individualiza el punto de intersección correspondiente a la atenuación o potencia: es suficiente adoptar el valor del diámetro D inmediatamente superior para definir en forma unívoca el tipo de cable adecuado.
Las 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 E 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 (radiofrecuencia- gobierno) 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, para la protección del cliente, identificar con la denominación RG únicamente los cables que cumplen en forma integral con la norma MIL-C-17 E, identificando con siglas distintas los que responden a otras especificaciones.
Fabricación y control de calidad
En la fabricación de los cables coaxiales, para poder lograr el nivel de calidad requerido, se necesita un equipamiento altamente sofisticado, en forma especial para la aplicación del aislante: la línea de extrusión tiene que ser dotada de los más rigurosos controles de temperatura (del tipo PID), de medidor óptico de diámetro con retroalimentación, con control en línea de la capacidad y con prueba de alta tensión (spark test).
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Pero no son suficientes estos controles intermedios y el riguroso control de las materias primas: la verdadera prueba de fuego, a la cual está sometida la totalidad de la producción, es el control de calidad del producto terminado. Además de los rutinarios ensayos dimensionales y eléctricos son de fundamental importancia las mediciones de capacidad, de impedancia característica, de atenuación entre 10 y 1000MHz de SRL entre 10 y 1000MHz y como control estadístico, de TDR (Time Domain Reflectometer).
Cables flexibles
Este tipo de cable es utilizado para las bajadas a abonados desde los Taps. Las medidas generalmente utilizadas son en orden creciente de diámetro: RG59, RG6 y RG11. Los mismos pueden ser del tipo simple, doble o cuádruple mallado siendo este último el más utilizado por sus mejores características de blindaje. Además pueden incorporar para su tendido un "portante" o "mensajero", el cual sirve para sujetar al cable en caso de tendidos aéreos. En todos los casos la impedancia característica es de 75 Ohm.
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Cables semiflexibles
El tipo de conductor externo en este tipo de cable es semirrígido ya que no se trata de pequeños conductores trenzados sino de un "tubo" de aluminio, el cual también posee mejores cualidades mecánicas. Se utiliza para el tendido de redes troncales y de distribución a abonados. Existen cuatro medidas básicas cuyas denominaciones son: .412, .500, .750 y 1", que corresponden a la medida del diámetro del conductor externo en pulgadas. Los mismos también se construyen provistos de un portante para el tendido aéreo. El tipo que se ve en la siguiente figura corresponde al tipo FOAM, por su dieléctrico.
Pérdidas del Cable
Frecuencia RG-59 RG-6 RG-11 0.540 0.860 5 MHz 2.66 2.00 1.18 0.46 0.30 30 MHz 4.76 3.84 2.46 1.12 0.75 55 MHz 5.84 4.72 3.05 1.54 1.05 350 MHz 14.70 12.00 7.74 4.03 2.72 400 MHz 15.80 12.90 8.30 4.33 2.89 450 MHz 16.80 13.70 8.82 2.59 3.12 550 MHz 18.80 15.30 9.87 5.12 3.48 600 MHz 19.70 16.00 10.40 5.38 3.61 750 MHz 22.20 18.00 11.70 6.07 0.07
Pérdidas en cables en 100 mts.
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Fórmulas para sacar la pérdida en el cable
Para sacar la pérdida de los cables a cierta distancia y a x frecuencia, se utiliza una regla de tres, por ejemplo:
Si tenemos un cable RG-6, a 60 metros, y queremos sacar cuanto pierde ese cable a 750 MHz.
Aplicando la siguiente formula sacamos la pérdida del cable a esa distancia: Pérdida ________
100 mts 60 mts Perdida X 60 mts / 100 =
Si el cable pierde 18 dB a 750 MHz en 100 metros, ¿cuánto pierde a 60 metros? 18 dB _____
100 mts 60 mts = 10.8 dB
La pérdida del cable RG-6 a 750 MHz en 60 metros es de 10.8 dB
Mínimo Radio de Curvatura
Es inevitable someter el cable a tensiones al momento de ser tendido. Durante este proceso, cuide no exceder el mínimo radio de curvatura ni sobrepasar la tensión de tiro máxima permisible. Estos dos últimos parámetros se especifican en los catálogos de cada fabricante.
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Efecto Skin (Pelicular)
Cuando fluye la corriente alterna a través de un conductor metálico, ocurre un fenómeno conocido como “efecto skin” o “efecto pelicular”. Más electrones fluyen a través del conductor en el área cercana a la superficie exterior del conductor. Este es un fenómeno distinto al que ocurre con corriente directa, donde los electrones tienden a fluir a través de toda el área de conducción. Este fenómeno se muestra en la siguiente figura. A frecuencias más altas de CA (Corriente Alterna), a RF, por ejemplo, y a las frecuencias que encontramos los STVC, este efecto pelicular se vuelve más pronunciado.
En aplicaciones CD (Corriente Directa) si incrementamos el calibre de un conductor, y con ello, proveemos un área mayor para el flujo de electrones, la resistencia del conductor se reduce. En esta misma condición se experimenta con corrientes alternas, esto es, un conductor de mayor calibre introduce menos pérdidas de transmisión, pero el efecto pelicular hace de las pérdidas de trasmisión un factor sensitivo a la frecuencia.
A frecuencias CA más altas, fluyen más electrones más cerca de la superficie exterior del conector. El efecto final es introducir mayores pérdidas de transmisión a frecuencias más altas, ya que esto, en efecto, reduce la sección transversal que en forma real transporta al flujo de electrones esto cuenta para que las pérdidas de transmisión sean más altas a más altas frecuencias CA para el factor de pérdida, raíz cuadrada de la frecuencia que experimentamos STVC. Una burda estimación de la diferencia en pérdidas seria que 216 MHz (canal 13) será atenuado casi el doble que 54 MHz (canal 2) cuando ambos pasan por el mismo cable coaxial.
Flujo de electrones en un conductor
Corriente Directa (CD)
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Pérdida del retorno
Para propósitos de medición y referencia, se ha introducido la “Pérdida del Retorno”, otro término para el coeficiente de reflexión, o Relación de Ondas Estacionarias de Voltaje (VSWR), que se expresa en deciBeles. Se refiere al nivel de energía reflejada desde una discontinuidad, la pérdida del retorno será numéricamente grande. Aunque los diseñadores de amplificadores y otros dispositivos sufren para acoplar con cuidado la impedancia de la unidad al cable mismo, es inevitable cierto des acoplamiento de impedancia. En la fabricación del mismo cable se introducen discontinuidades mecánicas periódicas que son des acoplamientos. A esto se le llama “Perdida Estructural de Retorno” y también se especifica en dB.
En pocas palabras pero más simples cualquier señal presente a la entrada del dispositivo, producirá una reflexión cuya amplitud estará 20 dB abajo del nivel de la señal original de entrada. Esta reflexión se propagara hacia atrás en el cable, como si fuera una señal deseada lanzada en ese extremo del cable.
Conectores
Los conectores de red permiten la conexión de los cables a los diferentes dispositivos pasivos y activos de la red de distribución.
Características
Como Interface Física.
Debe proveer un acople mecánico seguro.
Debe tener un excelente agarre tanto del conductor central como del conductor externo.
Como Interface Electrónica.
Debe proveer un contacto eléctrico de muy baja resistencia en ambos conductores. Debe evitar la fuga e ingreso de señales.
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Conectorización
Utilizar herramientas apropiadas Preparar el cable
Limpiar el conductor central Instalar el conector
Ajustar el conector desde el equipo hacia fuera siguiendo las indicaciones de torque máximo del fabricante.
Recomendaciones de Conectorización
Cuando se utilice cable con chaqueta, no deberán quedar marcas visibles en el conductor externo de aluminio después de que se remueva la chaqueta, debe de usar la herramienta adecuada para retirar la chaqueta. No utilice un cuchillo o un corta corta-tubo para remover la cubierta de aluminio y/o el dieléctrico; en lugar de estos, utilice una herramienta combinada de preparación para cable como: Cable Prep. SCT, Cablematic CST, SST o DST o una equivalente.
El conductor central debe ser limpiado utilizando una herramienta no metálica y apropiada para esta tarea, por lo tanto, NUNCA limpie el conductor central con una navaja o cuchillo, lo que se debe de utilizar es el “limpia pin” de acrílico” Gator.
El largo del conductor central del coaxial y la instalación de cualquier conector o equipo deben ser realizados de acuerdo a las especificaciones autorizadas por Cablemás.
Ejecute el torque del Conector del Cable antes de apretar el Tornillo de sujeción central.
Existe una variedad de conectores en el mercado pero la marca autorizada por Cablemás son los de 3 cuerpos en el caso para red externa de la marca PPC, en sus diferentes diámetros , 0.860 QR, 0.750 QR , 0.540 QR , 0.500QR ,0.565 QR etc.
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Conector KS-KS
De la misma forma, dos o más piezas de equipo conectadas por medio de un conector caja-caja deberán ser suspendidas en el acero, por medio de un Tap bracket apropiado. Ejemplo cuándo conectamos 2 taps se utiliza un conector KS-KS.
Cuando se instale un amplificador o line extender y un equipo pasivo, (Acoplador Direccional, Insertor de Potencia, Tap, etc.) o dos elementos pasivos en serie, se deberá usar un conector caja-caja (housing-to housing connector). No se permite utilizar un cable para unir dos piezas de equipo.
Conectores tipo Codo 90° o 180°.
El caso de que un cable exceda una curvatura de 90° de un equipo activo o pasivo, utilice conectores de 90° ó 180°.
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Queda prohibido el uso de Loop o como comúnmente llamamos ballenas cuando el cable exceda los 90°.
Carga Troncal
Se utilizan las cargas troncales en los puntos proyectados, o puntos de término del diseño de nuestras redes, es necesario su instalación para tener nuestra red en su totalidad con una impedancia de 75 Ohms. Y para evitar que el circuito quede abierto, así como para evitar que queden puntos vulnerables de fuga o ingresos, no olvide cortar al pin de la carga a la medida especificada por el fabricante.
Consideraciones importantes de manejo
Es necesario aplicar cada uno de estos elementos pasivos para un buen funcionamiento y cuidado de nuestras redes, el debido uso de curvas, esplices, doble pin, y conectores permitirá que nuestros cables coaxiales y nuestros equipos que se encuentran en terreno tengan una mayor vida útil.
Procurando también tener el cuidado necesario en el apriete de tornillos de sujeción de los pin que poseen los conectores y curvas, para no provocar el estrangulamiento de estos, o que se atasquen de tal forma que nos impida realizar una futura reparación, es necesario también que este no quede suelto, ya que esto impediría el flujo adecuado de nuestra señal.