Cavo Coassiale, ecco cosa c’è da sapere!

Cavo Coassiale, ecco cosa c’è da sapere!

07/09/2018 4 Di SartoriTrade

Conoscete la storia del cavo coassiale?

L’attribuzione dell’invenzione del cavo coassiale è cosa contrastata e complessa.

Vari brevetti sia americani che europei fanno la loro comparsa già verso la fine del ‘800 in Inghilterra. L’applicazione però è caduta nel dimenticatoio per diversi anni, probabilmente perché allora non c’era nulla da far passare in un cavo coassiale.

Quando è stato davvero utilizzato?

L’utilizzo reale del cavo coassiale, risale al 1929 a seguito della necessità di utilizzare un conduttore con la maggior efficienza e con i minor disturbi per le trasmissioni di numerosi canali telefonici su un’unica “portante”.

Subito dopo, negli anni ’30, questa tecnica venne vantaggiosamente utilizzata anche per gli esperimenti con la nascente televisione e così via fino ai giorni nostri.

Come scegliere il cavo coassiale?

CAVO COASSIALE IEC MASCHIO / IEC FEMMINA GOLD

Per valutare le caratteristiche di un cavo coassiale è necessario conoscere anche i principali parametri ad esso associati. Vediamoli assieme.

L’impedenza

  • L’impedenza del cavo coassiale dipende dal rapporto tra il diametro del conduttore interno ed il diametro interno della schermatura (e non dalle dimensioni del cavo).

La Marina militare USA decise durante la seconda guerra mondiale di adottare il valore di 52Ω come giusto compromesso tra attenuazione e potenza massima applicabile (poi arrotondato a 50Ω), mentre nel primo dopoguerra la Germania adottò il valore a 60Ω pensando che fosse la via giusta poiché a metà strada fra 50Ω e 75Ω.

Con la nascita della televisione invece si decise di adottare il valore di 75 Ω poiché era quello che assicurava la minima attenuazione, considerando il fatto che negli impianti di ricezione TV non c’è potenza rilevante lungo il cavo.

La normalizzazione a 50Ω fu molto importante poiché ad ogni lato del cavo si deve pur collegare qualcosa, ovvero un mondo di “cose” che a loro volta dovranno essere normalizzate a 50Ω.

L’attenuazione

  • L’attenuazione, dopo l’impedenza, è l’elemento più importante nella scelta di un cavo coassiale , in quanto è direttamente proporzionale alla lunghezza del cavo infatti si misura in dB / metro.

Dipende dalla qualità del dielettrico, dalle dimensioni fisiche e “dall’effetto pelle” dei conduttori utilizzati; è quindi intuitivo che la minor attenuazione si ha con cavi di grosse dimensioni e con dielettrico l’aria.

Il dielettrico in aria è molto complesso da realizzare e viene generalmente utilizzato solo in campo Broadcasting, dove le potenze sono elevate, inoltre per l’impiego di questi cavi necessita l’uso di compressori per evitare la contaminazione da agenti esterni nel dielettrico aria (umidità e condensa).

Un sistema molto economico per diminuire le perdite consiste nell’iniettare gas inerte ( Gas Injected, Azoto ), nel dielettrico in modo da far avvicinare la costante dielettrica a quella dell’aria, questo viene effettuato molto spesso con i cavi in Foam ma anche con il Teflon.

L’aggiunta del gas inoltre garantisce una maggiore stabilità nel tempo dei parametri del cavo coassiale anche in presenza di condizioni critiche esterne come l’umidità e sbalzi termici.

La scelta del dielettrico è importante per avere la minor perdita possibile nel cavo.

Infatti con dielettrico teflon le perdite sono minori rispetto al classico polietilene, ma il vero salto di qualità in termini di attenuazione lo si raggiunge solo con dielettrico espanso a gas, sia in foam che in teflon.


Ovviamente aumentando le dimensioni del cavo coassiale si ha minor attenuazione fino ad arrivare alla frequenza di lavoro.

Anche la schermatura esterna contribuisce all’attenuazione ma il suo contributo è sempre inferiore rispetto agli altri 2 fattori.

In effetti un aspetto da considerare e poco conosciuto è lo strato del conduttore esterno che fa da schermatura. 

Se questo è troppo scarso si ha una maggior attenuazione dovuta alla perdita di segnale per irradiazione, cioè alla scarsa schermatura del cavo coassiale (ad esempio RG58 rispetto ad un RG223).

Contribuisce all’aumento dell’attenuazione l’uso di un conduttore interno costituito da trefoli anziché un conduttore unico, migliora la flessibilità del cavo introducendo però un aumento nelle perdite a parità di dimensioni pari a circa il 5%.

La frequenza di taglio

  • La frequenza di taglio di un cavo coassiale non è da confondere con la massima frequenza di lavoro, ma bensì rappresenta la massima frequenza assoluta di utilizzo, oltre la quale subentrano risonanze varie che modificano la fase e l’ampiezza nel propagarsi delle onde elettromagnetiche nel cavo stesso.

Un cavo ha senso utilizzarlo fino ad una certa frequenza, denominata “operating frequency” . Fino a quella frequenza i parametri restano ancora idonei all’uso scelto, a parità di frequenza lo stesso cavo non potrà essere utilizzato invece per altre applicazioni.

Ad esempio, nei cablaggi a microonde dei ponti radio, anche a 6 GHz , si usano cavi coassiali lunghi 50÷100 cm per le connessioni locali, lo stesso cavo non sarà certo utilizzabile per la discesa antenna (ad es. di 10 o 20 mt), poiché per distanze così lunghe l’attenuazione sarebbe troppo elevata.

Nella scelta di un cavo spesso non viene considerato il fattore isolamento, dipendente dalla schermatura del conduttore esterno. 

Ad esempio in un cablaggio all’interno di una stazione nei pressi di un ponte ripetitore VHF/UHF,  non sarebbe logico utilizzare cavi a singola schermatura, rischiando effetti di accoppiamento RF tra Tx e Rx, vanificando la qualità di un buon duplex con 80 dB di isolamento fra Tx e Rx. 

L’accoppiamento fra 2 cavi coassiali RG58 che passano paralleli distanti 3÷4cm presenta un isolamento di solo 70÷75 dB .

La propagazione in un cavo coassiale avviene nel modo TEM (Transversal Electric & Magnetic field) ovvero le linee di campo elettromagnetico sono perpendicolari al cavo stesso.

Oltre questa frequenza appaiono risonanze estranee alla propagazione dando luogo a fenomeni poco prevedibili.

La frequenza di taglio è inversamente proporzionale alle dimensioni del cavo stesso , in pratica è un valore molto più elevato della frequenza massima ottimale.

frequenza_taglio formula per cavo coassiale

 

Per frequenze molto elevate andranno quindi utilizzati cavi con piccoli diametri , considerando l’attenuazione.

La Massima Potenza

  • La Massima Potenzaè un dato fondamentale nell’individuazione del cavo coassiale adeguato; e nelle applicazioni con altissima potenza applicata si predilige l’uso di cavi con dielettrico aria.

In questo caso il conduttore centrale è tenuto assiale nel centro da una serpentina che scorre per tutta la lunghezza del cavo.

Per applicazioni a potenze medio-alte, invece,  si usano cavi con dielettrico in teflon , il quale può lavorare fino a 165°C.  A parità di dimensioni l’isolamento in teflon permette quasi di triplicare la massima potenza applicabile unita ad una affidabilità maggiore rispetto ai cavi in polietilene.

Con l’aumentare della frequenza la massima potenza di transito diminuisce, sia per effetto delle perdite dovute al dielettrico che si surriscalda sia per “l’effetto pelle”.

Il return loss

  • Il return loss di un cavo coassiale, ovvero l’adattamento di impedenza, non viene quasi mai considerato nella scelta del cavo, infatti raramente i costruttori forniscono questo dato.

In effetti, quando si intesta un cavo coassiale con un connettore, è molto difficile determinare se il disadattamento di impedenza dipende dal cavo, dal connettore o dalla qualità dell’intestazione.

La regola UNIVERSALE è che tutti i cavi coassiali a doppio schermo hanno un comportamento in termini di return loss molto migliore rispetto ai corrispondenti a schermatura singola (RG 223 contro RG 58, RG 214 contro RG 213,ecc.ecc).

Ricordiamo che un buon adattamento di impedenza non è importante solo per avere basse perdite ma soprattutto per non alterare l’impedenza del dispositivo a cui viene collegato.

Il Fattore di Velocità

  • Il Fattore di Velocità in funzione del dielettrico utilizzato, la velocità di propagazione nel cavo diminuisce in funzione di un numero che indica la percentuale di velocità rispetto all’aria, ad esempio nei comuni cavi in polietilene (RG 58, 213 ecc.. ) il fattore di velocità è pari al 66%, ovvero in questi cavi la lunghezza d’onda si accorcia del 34% rispetto all’aria.

Il fattore di velocità serve quindi per calcolare il disadattamento di impedenza o per calcolare la lunghezza d’onda reale nel cavo.

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