Guida alla selezione del cavo coassiale: come abbinare impedenza, attenuazione e connettori

Una volta un tecnico sul campo ordinò un lotto di cavo RG-58 per l'installazione di una nuova stazione base, solo per scoprire durante la messa in servizio che il cavo da 50 ohm era corretto, ma l'attenuazione a 2,4 GHz era di quasi 0,8 dB al metro. Il budget del collegamento è crollato. Questo tipo di errore è comune quando la selezione del cavo coassiale si concentra solo sull'impedenza e sul tipo di connettore. Il vero processo di selezione prevede una catena di compromessi: attenuazione vs flessibilità, copertura dello schermo vs raggio di curvatura, tipo dielettrico vs costo. Questa guida esamina i parametri prestazionali che contano davvero, spiega le differenze tra le famiglie di cavi comuni e mostra come a Connettore SMA oppure è necessario abbinare un'interfaccia di tipo N al cavo scelto, non solo alla porta dell'apparecchiatura.

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Inizia con la costruzione di base: cosa stai effettivamente selezionando

Un cavo coassiale ha quattro strati concentrici: un conduttore interno, un isolante dielettrico, uno schermo e un rivestimento esterno. Ogni strato influisce in modo diverso sulle prestazioni elettriche. Il conduttore interno può essere rame solido, acciaio rivestito di rame o rame intrecciato. I conduttori solidi offrono una minore resistenza CC e una migliore stabilità di fase; i conduttori a trefolo forniscono flessibilità ma aggiungono perdita di inserzione. Il dielettrico deve essere polietilene solido (PE), PE espanso o politetrafluoroetilene (PTFE). I dielettrici in schiuma intrappolano l'aria, riducendo la costante dielettrica e l'attenuazione, il che li rende l'impostazione predefinita per i cavi a bassa perdita. Il PTFE resiste a temperature più elevate ma costa di più e presenta perdite leggermente superiori rispetto al PE espanso. La schermatura può essere una treccia singola, una doppia treccia o una combinazione lamina e treccia. L'efficacia della schermatura viene misurata in dB di isolamento dalle interferenze esterne e un cavo a doppia schermatura fornisce in genere da 10 a 20 dB una schermatura migliore rispetto a un cavo equivalente a treccia singola.

Impedenza: la decisione tra 50 ohm e 75 ohm

L'impedenza è il primo filtro nella selezione del cavo. Lo standard del settore RF è 50 ohm per trasmettitori, ricevitori, antenne e strumenti di test. Rappresenta un compromesso tra attenuazione minima e massima tenuta in potenza. I sistemi video e di trasmissione utilizzano 75 ohm perché tale impedenza produce un'attenuazione inferiore alle alte frequenze quando il diametro esterno del dielettrico è fisso. La maggior parte delle guide alla selezione lo semplificano in "50 per RF, 75 per video", ma c'è una sfumatura importante. Se si utilizza un cavo da 75 ohm in un sistema da 50 ohm, il rapporto delle onde stazionarie della tensione aumenta a circa 1,5:1, provocando la riflessione di circa il 4% della potenza. Per gli ingressi sensibili del ricevitore tale riflessione può essere accettabile; per le uscite del trasmettitore può surriscaldare lo stadio finale dell'amplificatore. In caso di dubbio, abbinare l'impedenza del cavo all'impedenza del sistema ed evitare adattatori di adattamento dell'impedenza a meno che il disadattamento non sia intenzionale e calcolato.

Gamma di frequenza e ruolo della perdita dielettrica

Ogni cavo coassiale ha un limite di frequenza utilizzabile. Al di sopra di quel soffitto, il dielettrico perde energia e il cavo inizia a comportarsi più come una guida d’onda che come una linea di trasmissione. I cavi semirigidi con PTFE solido e un conduttore esterno solido possono raggiungere 40 GHz o più in piccoli diametri. I cavi flessibili con schermature intrecciate e dielettrici in PE espanso rimangono generalmente al di sotto dei 6 GHz, a meno che non utilizzino materiali specializzati a bassa perdita. La costante dielettrica determina il fattore di velocità: il PE solido fornisce un fattore di velocità di circa 0,66, il PE espanso da 0,80 a 0,88 circa e i modelli con spaziatura in aria fino a 0,96. Un fattore di velocità più elevato significa ritardi elettrici più brevi e una minore perdita per metro alla stessa frequenza. Per un cavo di 3 metri a 3,5 GHz, la differenza tra un dielettrico in PE espanso e un PE solido può essere compresa tra 0,4 e 0,6 dB di perdita, il che è sufficiente per influenzare il margine in un budget di collegamento fisso.

Attenuazione: come leggere la scheda tecnica

L'attenuazione è solitamente specificata in dB per 100 metri a una determinata frequenza e la curva segue una relazione approssimativa della radice quadrata con la frequenza. Un cavo con una perdita di 10 dB a 1 GHz mostrerà una perdita di circa 22 dB a 5 GHz, presupponendo la stessa costruzione. Ciò significa che la cifra della “perdita media” non ha senso a meno che non venga identificata la frequenza. Un modo rapido per confrontare i cavi è osservare l'attenuazione per 100 metri a 2,4 GHz o 5 GHz, a seconda della banda target. Ad esempio, RG-58 mostra circa 25 dB per 100 metri a 2,4 GHz, LMR-400 circa 4 dB per 100 metri a 2,4 GHz e un cavo ondulato da 1/2 pollice circa 2 dB. Il compromesso è lo spessore e il raggio di curvatura: il cavo con le perdite inferiori è fisicamente più grande e non può essere piegato così strettamente. Quando si pianifica un percorso del cavo, calcolare la perdita totale aggiungendo l'attenuazione per metro moltiplicata per la lunghezza, più le perdite del connettore. Ogni coppia di connettori aggiunge in media una perdita da 0,1 a 0,3 dB, quindi un'esecuzione con quattro coppie di connettori perde da 0,8 a 1,2 dB prima che venga conteggiato il cavo stesso.

Tipi comuni di cavi coassiali: quale si adatta alla tua corsa?

Il sistema di designazione RG è più vecchio di quanto la maggior parte degli ingegneri creda e non garantisce la coerenza tra produttori. Detto questo, i tipi RG comuni rimangono utili per definire le aspettative in termini di dimensioni e prestazioni.

Gruppi semirigidi e a bassissime perdite

I cavi semirigidi utilizzano un conduttore esterno in rame solido e un dielettrico in PTFE solido. Una volta piegati nella forma, non si muovono, il che li rende ideali per applicazioni critiche di fase come le reti di alimentazione radar militari. Il compromesso è che la piegatura richiede strumenti speciali e il cavo non può essere piegato nuovamente più volte. Per le applicazioni che necessitano sia di basse perdite che di flessibilità sul campo, i produttori ora offrono assemblaggi di cavi flessibili a bassissime perdite che utilizzano un conduttore esterno ondulato o intrecciato con un dielettrico in PTFE a bassa densità. Questi cavi raggiungono valori di perdita quasi semirigidi pur sopravvivendo a flessioni ripetute sull'interfaccia del connettore.

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Schermatura: l'effetto di secondo ordine che diventa di primo ordine in ambienti densi

Nella maggior parte delle schede tecniche l'efficacia della schermatura non è indicata come numero a frequenza singola. La pratica standard consiste nel testare l'impedenza di trasferimento su un intervallo di frequenza. Una buona schermatura intrecciata ha un'impedenza di trasferimento da 1 a 5 milliohm per metro al di sotto di 100 MHz, che sale a 50-200 milliohm per metro per 1 GHz. Una combinazione lamina e treccia può mantenere un'impedenza di trasferimento inferiore a 5 milliohm per metro fino a diversi gigahertz. All'interno di una sala radio affollata, dove più trasmettitori operano con uscite di decine di watt, un cavo scarsamente schermato funge involontariamente da antenna. Il risultato è la desensibilizzazione dei ricevitori, dei prodotti di intermodulazione e del ronzio audio nei circuiti a bassa frequenza. La regola pratica della schermatura: se il cavo corre all'aperto, parallelo ad altri cavi o entro 1 metro da radio ad alta potenza, scegliere un tipo a doppia schermatura e verificare la percentuale di copertura della schermatura (le schermature intrecciate sui cavi di buona qualità vanno dal 90 al 97%).

Connettori: il punto in cui un cavo viene vinto o perso

Un cavo è valido quanto lo sono i suoi connettori. An Connettore di tipo N gestisce fino a 11 GHz (alcune versioni di precisione fino a 18 GHz) e offre resistenza agli agenti atmosferici quando fissato o aggraffato al cavo. I connettori SMA sono fisicamente più piccoli e funzionano fino a 18 GHz (o 27 GHz in alcune varianti), ma richiedono un allineamento preciso del pin centrale e una chiave dinamometrica a 0,56 N·m; un serraggio eccessivo manuale può rompere il dielettrico e causare cortocircuiti intermittenti. Quando scegli un connettore, considera cosa succede alla giunzione cavo-connettore:

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• Connettori a crimpare: veloce, ripetibile e richiede uno strumento di crimpatura calibrato per il diametro specifico del cavo.
• Connettori a morsetto: trattenere la guaina del cavo con un anello di compressione, tollerare leggere variazioni di diametro.
• Connettori a saldare: danno il miglior contatto elettrico ma sono lenti da montare e rischiano di surriscaldare il dielettrico.

Se stai ordinando cavi assemblati già pronti, il metodo di fissaggio è responsabilità del produttore, ma la scheda tecnica dovrebbe indicare il tipo di cavo, la coppia del connettore e il VSWR testato nell'intervallo di frequenza operativa. Un VSWR superiore a 1,5:1 per un connettore piccolo come SMA è un segnale di allarme nella moderna progettazione RF; la maggior parte dei gruppi di precisione mantengono il VSWR inferiore a 1,3:1.

Flessibilità, raggio di curvatura e installazione

Le schede tecniche solitamente elencano un raggio di curvatura minimo per l'installazione una tantum e un raggio maggiore per flessioni ripetute. Il superamento del raggio di curvatura minimo può causare una compressione dello schermo e un aumento dell'impedenza locale che si manifesta come un picco VSWR a determinate frequenze. Per le installazioni permanenti, la regola è di lasciare almeno 2 o 3 volte il raggio di curvatura indicato come margine di sicurezza. Se il cavo deve flettersi durante il funzionamento, scegliere un cavo con conduttore centrale intrecciato e verificare la durata della flessibilità in cicli. Molti cavi flessibili a bassa perdita sopravvivono da 1.000 a 5.000 cicli di flessione quando il raggio di curvatura rimane entro le specifiche. Un cavo semirigido potrebbe rompersi dopo pochi cicli.

Pioggia, temperatura ed esposizione ai raggi ultravioletti

I cavi esterni necessitano di qualcosa di più di una semplice guaina di plastica. Il rivestimento esterno deve essere in polietilene stabilizzato ai raggi UV o un materiale simile resistente agli agenti atmosferici. Le guaine in PVC sono più economiche ma si rompono sotto la luce solare prolungata e si irrigidiscono a temperature sotto lo zero. Quando un cavo passa attraverso una parete esterna, utilizzare un anello antigoccia e sigillare il punto di ingresso del cavo con mastice resistente alle intemperie; in caso contrario, l'acqua migra lungo la treccia e corrode lo schermo. Considera anche la temperatura nominale del dielettrico. Il PE standard rimane utilizzabile fino a -40°C, ma il rivestimento diventa fragile. I cavi in ​​PTFE resistono fino a 200°C, motivo per cui compaiono nei circuiti di trasmissione ad alta potenza vicino ai componenti caldi dell'amplificatore. Per un'installazione che combina sezioni interne ed esterne, un cavo con guaina in poliolefina o guaina in PE su uno schermo a lamina e treccia rappresenta una sicura via di mezzo.

Visualizzazione dei dati: confronto dei numeri in sintesi

La fisica diventa più chiara quando la visualizzi. I grafici seguenti confrontano le prestazioni tipiche delle famiglie di cavi discusse. I valori sono dati rappresentativi delle schede tecniche pubblicate, non sostituiscono la scheda tecnica di un fornitore specifico.

Corrispondenza cavo-connettore: una lista di controllo pratica

Una guida alla selezione dei cavi sarebbe incompleta senza collegare la scelta del cavo alla serie di connettori. I pin del connettore hanno un intervallo di diametri del conduttore centrale definito e l'utilizzo di un cavo con un pin centrale più sottile di quanto previsto dal connettore provoca un giunto di saldatura scadente o una crimpatura allentata. Un cavo con un conduttore centrale più spesso di quello consentito dal connettore può deformare il corpo del connettore e creare una mancata corrispondenza. Gli accoppiamenti comuni sono:

Come leggere l'etichetta di un cavo coassiale

Le etichette dei cavi non sono coerenti tra i produttori. Alcuni stampano il numero di stile UL, altri stampano la designazione RG e altri stampano il nome del modello proprietario. Le informazioni critiche che dovrebbero apparire sono l'impedenza, la capacità in pF/m, il diametro esterno e la gamma di frequenza. Se l'etichetta di un cavo mostra solo "RG-6" e un marchio, trattala come una specifica incompleta. La capacità per un cavo da 50 ohm è generalmente compresa tra 80 e 100 pF/m, mentre un cavo da 75 ohm è compresa tra 65 e 70 pF/m. Se manca la capacità, misurala: un capacimetro su un campione di 1 metro fornisce l'impedenza approssimativa utilizzando la formula Z0 = 1/(c*C), dove c è il fattore di velocità e C è la capacità per metro. Questo è un utile metodo di verifica sul campo quando si ha a che fare con cavi in eccesso non contrassegnati.

Acquistare un cavo nuovo o continuare con un cavo esistente: cosa controllare

Se stai sostituendo un cavo guasto in un sistema esistente, tira il vecchio cavo e ispeziona l'estremità prima di ordinare un sostituto. Un cavo che è stato schiacciato da un morsetto, tirato oltre il suo raggio di curvatura o esposto all'umidità non si riprenderà solo perché si crimpa nuovamente il connettore. Osserva lo stato dello schermo: se la treccia è scura o verde, la corrosione ha già aumentato la sua resistenza ed è opportuno mettere fuori servizio il cavo. Se il dielettrico è scolorito, il danno termico ne ha aumentato la perdita. In questi casi, è ragionevole riutilizzare lo stesso tipo di cavo con la stessa lunghezza, ma l'aggiornamento a una versione a doppia schermatura con un diametro leggermente maggiore spesso risolve problemi di interferenze ricorrenti senza modificare lo schema dei connettori.

Il costo di una scelta sbagliata

Considera il costo totale di installazione, non solo il prezzo per metro di cavo. Una corsa di 20 metri utilizzando RG-58 costa circa $ 30 in cavo più $ 10 in connettori. Una corsa equivalente LMR-400 costa $ 90 in cavo e $ 15 in connettori. Ma se l'RG-58 ha una perdita extra di 4 dB, abbassando il segnale ricevuto di 4 dB, ciò potrebbe richiedere un amplificatore da $ 200 all'estremità per compensare. Il cavo più economico è più economico solo finché non aggiungi l'amplificatore. La stessa logica si applica alla schermatura. Un cavo a doppia schermatura costa dal 30 al 50% in più rispetto a un cavo a schermatura singola, ma in un ambiente con un trasmettitore vicino, il cavo a doppia schermatura evita problemi intermittenti che fanno sprecare giorni di risoluzione dei problemi.

Guida alla selezione del cavo coassiale: il processo in 5 fasi

1. Elencare i requisiti di sistema: impedenza, gamma di frequenza, massima perdita di inserzione e ambiente operativo.
2. Calcolare il budget del collegamento: lunghezza totale del cavo, numero di connettori e livelli di segnale previsti su entrambe le estremità.
3. Selezionare i tipi di cavi che soddisfano i limiti di budget di perdita e di spazio fisico.
4. Valutare le esigenze di schermatura in base alla vicinanza alle fonti di interferenza e all'esposizione esterna.
5. Conferma la compatibilità del connettore e decidi tra le opzioni con terminazione in fabbrica o con terminazione sul campo.

Per un approccio standardizzato, molti ingegneri del procurement mantengono un piccolo set di tipi di cavi approvati: un tipo flessibile RG per ponticelli corti, uno flessibile a bassa perdita per l'alimentazione dell'antenna e un tipo semirigido o a bassissima perdita per percorsi ad alta frequenza o ad alta affidabilità. Ciò limita l'inventario e garantisce che il team sul campo sia a proprio agio con il metodo di terminazione.

Domande frequenti