Desarrollo y tecnología de cables coaxiales en la tecnología de alta frecuencia
Del cable al coaxial: el desarrollo de las líneas de alimentación de HF
Cuando la radiotecnología estaba aún en su proverbial infancia, a principios del siglo pasado, la línea monofilar desbalanceada y la línea bifilar balanceada eran el método habitual de «transporte de altas frecuencias». Como líneas de alimentación adaptadas o sintonizadas, han perdurado bastante tiempo, tanto en el sector comercial como en la radioafición. Aunque ya en 1884 W. Siemens propuso y patentó un cable coaxial para aplicaciones de baja frecuencia, aún faltaba mucho para llegar a lo que hoy entendemos por un cable coaxial. Tuvo que pasar casi medio siglo y numerosos inventores y patentes antes de que el desarrollo del cable coaxial y la tecnología de 50 ohmios estuvieran listos. En la radioafición, el uso de líneas de alimentación coaxiales no comenzó hasta las décadas de 1950 y 1960. Incluso hoy en día, los cables bifilares con adaptación favorable sólo se utilizan para la alimentación simétrica de dipolos multibanda.
Alta tecnología en cobre y plástico
Un cable coaxial es simétrico visto axialmente, pero es una línea de alimentación desbalanceada vista desde tierra. El conductor exterior suele estar formado por una densa trenza de cobre; los cables de alta calidad tienen doble apantallamiento y una fina lámina de cobre debajo. En los cables coaxiales más flexibles, el conductor interno es de cobre trenzado. Los cables coaxiales de mayor diámetro exterior tienen un núcleo formado por uno o varios hilos de cobre macizo. El material aislante entre los conductores interior y exterior -el dieléctrico- está hecho preferentemente de polietileno (PE) de bajas pérdidas, ya sea como material sólido, espumado o en una construcción de banda con un dieléctrico predominantemente de aire. La protección exterior del cable la proporciona una cubierta de plástico de cloruro de polivinilo (PVC), de color negro para ofrecer una buena resistencia a los rayos UV.
Cómo la mecánica determina las propiedades eléctricas
Los datos técnicos de los cables coaxiales vienen determinados por sus propiedades mecánicas, como el diámetro de los conductores interior y exterior, la distancia entre ellos y la naturaleza del material aislante (el dieléctrico) entre los conductores interior y exterior. Estos factores determinan esencialmente las características eléctricas del cable: la impedancia, también llamada impedancia característica, la atenuación en función de la frecuencia y la resistencia a la tensión y a la potencia. Los cables coaxiales tienen una impedancia característica fija que es independiente de la frecuencia y es de 50 ohmios para los tipos de cable estándar. La impedancia característica viene determinada por la relación entre el diámetro interior del conductor exterior y el diámetro exterior del conductor interior, es decir, por el tamaño y la distancia de las superficies conductoras opuestas.
Un poco de teoría de conductividad
Los cables coaxiales suelen utilizarse como guías de ondas móviles, lo que significa que las curvas de corriente y tensión son las mismas en toda la longitud del cable, es decir, no hay mínimos ni máximos. Sin embargo, esto supone que el cable coaxial está terminado en ambos extremos con una impedancia de 50 ohmios. El transmisor tiene una salida de 50 ohmios, y la antena o su adaptación también cumple esta condición en caso de resonancia. Sólo la terminación del cable en ambos extremos con 50 ohmios garantiza una transmisión de potencia óptima, en este caso se denomina adaptación de potencia. En este caso, la relación de onda estacionaria SWR = 1,0.
La atenuación de la línea marca la diferencia
Desgraciadamente, el hecho de que cada cable de alta frecuencia tenga una atenuación mayor o menor es inevitable. La atenuación de un cable coaxial totalmente aislado es mínima con una relación de diámetros de 3,6. Éste es el valor teóricamente óptimo. En la práctica, hay ligeras desviaciones. Por ejemplo, cables tan conocidos como el RG58 o el RG213 tienen relaciones de diámetro de alrededor de 3,28. El óptimo no es muy pronunciado, pero está más extendido.
La naturaleza del dieléctrico intermedio, cuyas propiedades se caracterizan por la constante dieléctrica, tiene una influencia igual de grande. Además de los cables con un dieléctrico sólido, también existen cables con un dieléctrico hecho de material aislante espumado o un aislamiento predominantemente de aire. Estos últimos cables tienen menos pérdidas que los que tienen un aislamiento completo. Ofrecen una atenuación menor, pero por desgracia también son mecánicamente más sensibles.
La atenuación de un cable se especifica en dB por 100 metros para determinadas frecuencias. El valor en dB de la frecuencia especificada más próxima a la frecuencia de funcionamiento dividido por 100 y multiplicado por la longitud individual del cable en metros da el valor aproximado de atenuación del cable utilizado.
Los cables coaxiales más gruesos tienen una atenuación menor que los más finos y, por tanto, son más adecuados para frecuencias y potencias más altas. «Por último, pero no por ello menos importante, los cables coaxiales con diámetros cada vez mayores tienen una mayor rigidez dieléctrica debido al mayor grosor del dieléctrico y, por tanto, son más adecuados para transmitir niveles de potencia más altos.
La atenuación del cable no sólo reduce la potencia que viaja hasta la antena, sino que también atenúa la vía de retorno. Sustituir el cable por otro coaxial de mayor calidad y menor atenuación no mejora la relación de onda estacionaria, sino que la aumenta ligeramente.
Por qué el sintonizador y el preamplificador pertenecen directamente a la antena
Si es posible, los sintonizadores de antena deben situarse en el punto de alimentación de las antenas. Si el sintonizador se sitúa en la parte inferior de la estación, la elevada relación de ondas estacionarias provoca pérdidas adicionales en la línea que se suman a la atenuación ya existente en el cable. Los preamplificadores de recepción deben instalarse en la parte superior, preferiblemente directamente en la antena. Allí, sin la atenuación del cable, reciben un nivel de señal más fuerte, ¡que es superior al nivel de ruido!
Cómo encontrar el cable perfecto
¿Qué cable coaxial es el adecuado? Esta pregunta no es tan fácil de responder. Hay diferencias considerables entre los distintos tipos de cable. Cuál es el cable adecuado -es decir, el que mejor se utiliza- depende en gran medida del uso previsto: la longitud, la potencia de transmisión y la frecuencia. Antes de decidirse a comprar un cable coaxial determinado, debe comprobar sistemáticamente los requisitos que se le exigen.
Estos requisitos pueden variar mucho de una persona a otra porque dependen de la configuración del sistema de radio. Si un cable coaxial del tipo RG58CU parece ser suficiente para sólo cinco metros hasta la antena, puede ser necesario cambiar urgentemente a un cable de mayor calidad para longitudes de cable más largas, frecuencias más altas y niveles de potencia. Sin embargo, hay que tener cuidado al comprar cables, ya que además de las versiones originales con la designación de tipo impresa, también existen en el mercado productos «sin nombre» de aspecto similar y calidad inferior. Conviene tener en cuenta de antemano los siguientes criterios:
- ¿Es el cable original con el tipo y la designación del fabricante impresos? Los cables sin impresión tienen propiedades eléctricas diferentes y diámetros exteriores que se desvían de la norma.
- ¿El cable utilizado es de HF, VHF o UHF? Para longitudes de cable largas y/o potencias de transmisión mayores, seleccione un cable coaxial de mayor calidad con valores de atenuación bajos.
- ¿Necesito un cable lo más flexible posible con un conductor interno trenzado o es suficiente un cable con un conductor interno sólido? El cable debe ser especialmente flexible en el rotor debido a la tensión mecánica del movimiento giratorio.
- ¿El trenzado de apantallamiento exterior es suficientemente estanco o está doblemente apantallado, con una lámina de aluminio adicional debajo?
- Aunque los cables con conductor interior sólido tienen una atenuación menor, son rígidos y, por tanto, sólo son adecuados para instalaciones fijas.
- Sólo los cables flexibles con conductor interior trenzado son adecuados para alimentar antenas de hilo con líneas de alimentación suspendidas libremente. El peso también influye en los cables que cuelgan libremente del punto de alimentación. Los cables pesados aumentan la flecha de la antena de hilo.
- ¿Qué versiones y normas de conectores están disponibles para el cable seleccionado?
De la carretera caliente a las aventuras al aire libre
Los cables coaxiales en los coches deben ser resistentes al calor (palabra clave Heatex), estar firmemente tendidos y ser suficientemente flexibles en los puntos de transición móviles, como en la tapa del maletero. El doble apantallamiento es suficiente para el problema de compatibilidad electromagnética y evita tanto las interferencias hacia como desde la electrónica de a bordo (véase también el blog de WiMo «Radioaficionados en el coche»).
Los requisitos para un cable destinado a una instalación fija y los que necesita la operación de radio portátil no podrían ser más diferentes. En el primer caso, basta con un cable rígido con un conductor interno macizo. Sin embargo, en operaciones portátiles, como Field Day, SOTA o POTA, se necesita un cable resistente a los rayos UV, flexible y duradero, capaz de soportar múltiples ciclos de enrollado y desenrollado. Para mejorar la visibilidad en el campo, se recomienda elegir un cable de color claro. Por otro lado, en instalaciones fijas, puede ser útil optar por un color que se mimetice con el entorno para camuflarlo. Los cables resistentes al calor y al agua salada son especialmente adecuados para su uso cerca de la costa o en entornos marítimos. Por último, no hay que olvidar el peso de los distintos tipos de cables. Este es un aspecto crítico en actividades de radio portátil, especialmente si se transporta como equipaje aéreo o si se utiliza para antenas de hilo donde el peso influye en la tensión. En este contexto, destaca el cable ultraligero "Airborne", con un recubrimiento de aluminio y un conductor interno rígido.
A menudo ya no están actualizados...
RG58 y RG213 son probablemente los cables coaxiales más vendidos y, por tanto, conocidos por todos los radioaficionados. Sin embargo, sólo son aceptables para longitudes de cable más cortas, potencias más bajas y frecuencias bajas en el rango inferior de la onda corta. Algún que otro producto sin nombre entre los cables coaxiales sencillos suele adolecer de una atenuación de apantallamiento inadecuada, lo que significa que capta todo tipo de interferencias de su entorno a corta distancia. Esto también es causa de radiaciones no deseadas del cable en la frecuencia de la señal deseada. Si lo hace, no debe utilizar los simples RG58 o RG213, sino los tipos mejor apantallados RG58CU o RG213U de la norma MIL.
Este paso por sí solo vale la pena con una atenuación reducida para longitudes de cable más largas en el rango de onda corta. Sin embargo, hay alternativas mucho mejores. ¡Siga leyendo!
¿Cuál es la norma militar MIL C17F?
Originalmente, la norma militar estaba destinada exclusivamente al sector militar. Entretanto, esta norma goza desde hace tiempo de reconocimiento internacional como estándar de calidad en todo el ámbito de la tecnología de radiofrecuencia. Los cables coaxiales estampados con la norma MIL garantizan el cumplimiento de las propiedades y valores exigidos, como la densidad de apantallamiento, la resistencia al envejecimiento y la precisión de ajuste de los conectores normalizados. Los tradicionales RG213 U y RG58 también se fabrican conforme a la norma MIL C17F y pueden seguir describiéndose en esta calidad como cables coaxiales comunes para aplicaciones en la gama (inferior) de onda corta. Un trenzado de apantallamiento muy denso garantiza un factor de apantallamiento mejorado de aprox. 60 dB. Un buen RG213 U debe tener un recuento de cobre de 80, lo que significa que en un kilómetro de cable deben procesarse al menos 80 kg de cobre. Sin embargo, también hay cables RG213 en el mercado que no llevan esta designación. Con sólo 60 kg, estas versiones suelen ser bastante más ligeras que el original y tienen un diámetro que se desvía de los 10,3 mm, lo que dificulta la instalación de clavijas estándar.
Conductor interior (núcleo)
El conductor interno centrado, de hilo de cobre macizo o trenzado, puede tener diferentes secciones según el cable.
Dieléctrico
Capa aislante de plástico (polietileno), mantiene el conductor interno centrado a distancia del apantallamiento, es el principal responsable de la impedancia y el valor de atenuación del cable.
Blindaje
Trenzado de cobre conductor de la electricidad para proteger el conductor interno de las influencias electromagnéticas.
Cubierta del cable
Protección externa del cable contra la humedad, los daños mecánicos y la radiación UV.
Impedancia (impedancia característica)
Suma geométrica de resistencia óhmica y reactancia. Los cables coaxiales para aplicaciones en tecnología de alta frecuencia tienen una impedancia de 50 ohmios. En la tecnología de audio y televisión/vídeo, se utilizan cables con una impedancia de 75 ohmios.
Atenuación
Es la reducción del nivel de señal durante la transmisión en el cable. Este valor depende de la frecuencia y suele especificarse en dB por 100 m.
Factor de apantallamiento
Este valor caracteriza la capacidad de apantallamiento del cable tanto hacia el interior como hacia el exterior y se indica en dB.
Guía de ondas móvil
Principalmente, el funcionamiento previsto de un cable de 50 ohmios en el que ambos extremos están terminados con una impedancia de 50 ohmios (fuente de señal y carga). Este caso se denomina adaptación de potencia. La relación de onda estacionaria es 1,0. No hay ondulación en la línea, la corriente y la tensión tienen el mismo valor en todas partes.
Línea de alimentación coordinada
Es lo contrario de la línea de onda viajando, normalmente una línea simétrica abierta de dos hilos (chicken wire) que, junto con el dipolo simétrico conectado a ella, se sintoniza a resonancia a través de un acoplador de antena que también es simétrico. En este caso, el radiador y la línea de alimentación forman un sistema resonante global, por lo que la línea de dos hilos no es un componente radiante de la antena cuando está totalmente equilibrada. Las corrientes de RF en los dos conductores están en antifase, lo que significa que sus campos se anulan en gran medida entre sí.
Ondas de vaina y common mode chokes
Si una antena equilibrada se alimenta en el punto de alimentación sin balun (balun 1:1 desequilibrado/simétrico) con un cable coaxial desequilibrado, puede haber problemas con las ondas de vaina dependiendo de la longitud de la línea de alimentación. En estos casos, el cable coaxial, con su vaina de apantallamiento, se convierte en parte de la antena como resultado de la toma de tierra de RF de la estación. Una longitud de cable eléctrico ideal de ʎ/2 (o sus múltiplos) x factor de acortamiento de 0,66 puede proporcionar un remedio. Esta longitud de cable transforma al menos las relaciones desde el punto de alimentación de la antena en una relación de 1:1 hasta el extremo inferior del cable. Es habitual insertar un bloqueador de ondas de vaina (también conocido como common mode choke), preferiblemente en la parte superior antes del punto de alimentación. Sin embargo, de momento sólo combate los síntomas del problema, pero no la causa real (véase la 1ª frase de este apartado). El componente de potencia «contenido» en las ondas envolventes se convierte en calor en el bloqueador de ondas envolventes. En casos extremos, puede calentarse considerablemente. Si se tiende un cable coaxial subterráneo en el camino hacia el punto de alimentación de la antena, la amortiguación externa del blindaje es intencionada y bastante útil.
Comparación de cables actuales de alta calidad
Aircell 7
El Aircell 7 es un cable coaxial para la gama de frecuencias de hasta 3 GHz. En relación con su diámetro, la baja atenuación y la alta flexibilidad hacen que este cable sea interesante para numerosas aplicaciones en tecnología de radio, por ejemplo para líneas de alimentación de antenas más largas en onda corta y especialmente en la gama de VHF y UHF. La baja atenuación se consigue gracias a un dieléctrico compuesto de PE de pérdidas extremadamente bajas. Se trata de un material espumado de baja densidad con un alto contenido de aire, superior al 50%. El conductor interno de Aircell 7 es un hilo de cobre trenzado que confiere al cable un grado de flexibilidad especialmente alto. El conductor exterior consiste en una lámina de cobre superpuesta con una trenza de apantallamiento encima. De este modo se consigue un índice de apantallamiento de casi el 100 %. La lámina de cobre está recubierta de PE en el interior y, por tanto, protegida contra el desgarro si el radio de curvatura es demasiado pequeño. El aislamiento exterior del cable es de PVC estabilizado a los rayos UV, por lo que es muy resistente al envejecimiento.
Aircom Plus
Aircom Plus es un cable coaxial con buenas propiedades eléctricas y mecánicas. Los bajos valores de atenuación para un cable de este tamaño lo hacen especialmente adecuado para su uso en la gama VHF, UHF y SHF. Aircom Plus tiene una cubierta aislante de PVC elástico y es similar en aspecto y diámetro al conocido RG-213. El conductor exterior de Aircom Plus consiste en una lámina de cobre con una trenza de apantallamiento en la parte superior. La lámina de cobre está recubierta de plástico en el interior y, por tanto, protegida contra el desgarro cuando el cable se dobla con un radio de curvatura demasiado pequeño. El trenzado de apantallamiento superior tiene una cobertura del 75%, lo que contribuye significativamente a la estabilidad mecánica del cable. El conductor interior está centrado mediante el uso de un plástico continuo e inamovible que protege permanentemente el conductor interior contra la corrosión. El desplazamiento del conductor interno causado por la flexión y el estiramiento no es posible con Aircom Plus. Los cables preensamblados pueden doblarse según sea necesario sin que la clavija interior de un conector N se salga a presión de la carcasa del conector. Por lo tanto, se recomienda el uso de Aircom Plus en sistemas de antenas giratorias si los radios de bucle son suficientemente grandes. Por lo tanto, ¡Aicom Plus es compatible con rotores!
Ecoflex 10
Ecoflex es un cable coaxial flexible y de muy baja atenuación para la gama de frecuencias de CC a 4 GHz. Los procesos de producción más avanzados y el uso de un dieléctrico PE-LLC de bajas pérdidas garantizan valores de atenuación muy bajos. La gran flexibilidad de Ecoflex 10 es posible gracias a un conductor interno trenzado. El factor de apantallamiento conforme a la CEM de >85 dB/3 GHz se consigue mediante un doble apantallamiento con lámina de cobre superpuesta y trenzado de cobre en la parte superior. La lámina está estabilizada con PE y protegida contra grietas si el radio de curvatura es demasiado pequeño. Este cable coaxial es adecuado para aplicaciones en tecnología de alta frecuencia, tiene pocas pérdidas, es flexible, inmune a las interferencias y puede utilizarse hasta la gama de microondas.
Ecoflex 15
El Ecoflex 15 es un nuevo tipo de cable coaxial para la gama de frecuencias de CC a 6 GHz. El diseño especial de este cable combina los excelentes valores de atenuación de los cables rígidos de 1/2 pulgada con conductor interior sólido con la conocida buena flexibilidad de los cables coaxiales RG con conductor interior trenzado. El resultado es un cable muy flexible y de muy baja atenuación para aplicaciones exigentes en la tecnología de las telecomunicaciones y las comunicaciones. La atenuación de apantallamiento conforme a la CEM de >90 dB/1 GHz se consigue mediante un apantallamiento doble con lámina de cobre superpuesta. Al igual que Ecoflex 10, la lámina está revestida de PE para protegerla contra desgarros. Para Ecoflex 15 se ha desarrollado un conector N de alta calidad sin soldadura, que puede instalarse rápida y fácilmente sin necesidad de herramientas especiales.
Cable coaxial Hyperflex
El Hyperflex-5 es un cable coaxial con un diámetro exterior de 5,4 mm. El dieléctrico es espumado, lo que da como resultado una atenuación muy baja en relación con el diámetro. El conductor interno está construido como un alambre trenzado y consta de 19 alambres individuales muy finos. Esto hace que el cable Hyperflex sea muy flexible y adecuado para situaciones en las que el cable se mueve con frecuencia. Las aplicaciones típicas son cables de conexión cortos en tecnología de medición, radio VHF (radioaficionados, radio profesionales), LTE y GSM con longitudes de cable cortas, Wifi a 2,4 GHz. La atenuación a 144 MHz es de 9,4 dB/100 m. Este cable también está disponible en versiones de 10 y 13 mm.
Cable coaxial Pota-Flex
El cable coaxial Pota-Flex 6, ligero y flexible, tiene un diámetro exterior de 5,9 mm, con 19 hilos de cobre individuales que forman el conductor interior. El apantallamiento consta de 3 capas: 2 x trenzas de hilo de cobre con 120 hilos cada una, lámina de cobre debajo y una capa de PE que rodea el dieléctrico. Esto no sólo proporciona un apantallamiento HF ideal, sino que también protege el cable de daños mecánicos. El dieléctrico es espumado, lo que da como resultado una atenuación muy baja en relación con el diámetro. Se ha desarrollado especialmente para aplicaciones en exteriores como POTA (Parques en el Aire), donde se requieren cables extremadamente robustos que sean claramente visibles sobre el terreno. El revestimiento amarillo del cable es muy visible y, por lo tanto, ofrece una protección adicional contra los peligros de tropiezo y los «enganches» accidentales en lugares concurridos. Este cable también está disponible en versión de 7 mm.
El enchufe adecuado para una conexión perfecta
Por supuesto, puede encontrar los conectores adecuados para el cable que elija aquí y allá. Sin embargo, los cables coaxiales de alta calidad en las versiones originales con designaciones impresas de tipo y fabricante es mejor adquirirlos a empresas especializadas o a su distribuidor de radioaficionados de confianza, que puede suministrarle no sólo todos los tipos de cable comunes y menos conocidos, sino también los conectores correspondientes de una sola fuente. Los conectores incorrectos o inadecuados arruinan rápidamente las buenas propiedades de un cable de alta calidad. Los conectores y los cables deben encajar. Cada conector soldado debe encajar perfectamente tanto mecánica como eléctricamente.
Además de las influencias mecánicas, como los dobleces pronunciados, los cables coaxiales son extremadamente sensibles a la penetración de humedad. Una vez que la humedad ha penetrado en el cable, ya no se puede eliminar. Con el tiempo, el efecto capilar del trenzado hace que la humedad impregne todo el cable, inutilizándolo por completo. ¿Y dónde empieza esto? Por supuesto, en el enchufe. El uso de los conectores originales previstos para cada tipo de cable garantiza una conexión óptima y protegida de la intemperie. ¡Los conectores originales también están disponibles para todos los cables coaxiales suministrados por WiMo!
Cables coaxiales a medida
También puede solicitar a WiMo cables coaxiales con conectores ya confeccionados. Se trata de cables de alta calidad de diferentes tipos y diámetros, con las combinaciones de conectores estándar y en las longitudes frecuentemente necesarias para conectar los equipos dentro de la estación de radio. Por supuesto, también podemos montar un cable de antena de cualquier longitud para usted con los conectores de su elección. Para ello, tiene a su disposición el configurador de cables.
Tanto si los fabricamos a medida según sus especificaciones como si los monta y fabrica usted mismo, le deseamos mucho éxito y buenas conexiones, tanto con nuestros cables coaxiales como por radio.
Fuente:
Klüß, A.; DF2BC: Koaxkabel & Stecker, FUNK 5/2004, S. 44-48, Verlag für Technik & Handwerk, Baden-Baden
Noviembre de 2024, Alfred Klüß, DF2BC
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