a) Introducción
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 electromagnéticas 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.
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, radios, TV cable, etc.
b) Partes de un cable coaxial
Un cable coaxial está constituido por dos conductores cilíndricos y con- céntricos, 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 externo del par coaxial. Están diseñados para transmisión de altas frecuencias (6-600Mhz), señales con baja pérdida de potencia y gran ancho de banda.
Lo relevante en el diseño del par coaxial es que no genera diafonía, si lo comparamos con un cable constituido por dos hilos paralelos, podemos entender que el campo electromagnético que se genera alrededor de los conductores es sumatorio, y sólo se anularán en parte con el parea- miento 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.
El diseño de un par coaxial está dado por la relación de veces que el conductor externo es mayor que el conductor interno del coaxial, dependiendo de las características del dieléctrico y de los diámetros del conductor interno y el dieléctrico, para ello se aplica la siguiente expresión
a) 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.
b) Conductor central del par coaxial
El conductor central es un alambre sólido o trenzado que 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.
c) 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 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.
Índice de reflexión de materiales aislantes.
El polietileno es un material termoplástico derivado del petróleo que se utiliza como aislante en la mayoría de los cables, tanto coaxiales como multipares, dado 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, 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, lo que permite 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, conservan- do 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 seña- les 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 re- ducir 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, su utilización dependerá de la disponibilidad del mercado.
d) Conductor Externo
El conductor externo es tubular y está constituido por dos formas: la primera determina la familia de los cables flexibles (RG) y la segunda de- termina la familia de los cables rígidos (CATV), el conductor externo de los cables está constituido por una malla trenzada de hilos de cobre rojo o estañado.
El conductor externo de los cables CATV está constituido por una cinta de cobre o aluminio laminada, esta cinta puede ser corrugada o lisa.
Tanto los cables RG como los cables CATV son recubiertos por una capa de protección de PVC o vinil 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.
La sigla CATV en los cables coaxiales rígidos significa: “Community Antena Televisión”, 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.
e) Características de transmisión de los cables coaxiales
Una de las particularidades principales que distinguen al cable coaxial de cualquier otro cable construido de metal, es que el par coaxial es asi- métrico, vale decir que la resistencia del conductor interno es muy diferente del conductor externo.
Otra de las particularidades importantes que lo diferencia de los otros cables es que los dos conductores son cilíndricos y tienen un mismo eje longitudinal; debido a esta estructura baja prácticamente a cero el efecto de ruido y diafonía en comparación a los cables simétricos de pares.
En efecto, la teoría electromagnética de Lens sostiene que un conductor al ser sometido a una cierta frecuencia genera a su alrededor un campo electromagnético, el cual es sumatorio en cables de larga trayectoria. Por esta razón es que los cables multipares normales deben ser pareados en forma helicoidal para anular en parte el efecto electromagnético in- ductivo.
La estructura del cable coaxial anula completamente el efecto de inducción electromagnética dado que al ser utilizado un conductor para transmitir en un sentido y el otro conductor en sentido contrario los campos electromagnéticos se anularán, impidiendo su propagación al exterior al mismo tiempo no captan señales del exterior y dejan que actúe solamente el campo eléctrico que transmite la señal.
Un aislamiento dieléctrico tubular protege el cable del medio ambiente en el lugar de su instalación.
El diseño del cable coaxial data del año 1936 y ha sufrido muy pocas alteraciones, su construcción sigue cumpliendo el propósito de transmitir señales a gran distancia con las menores pérdidas, y su parámetro más importante sigue siendo su Impedancia característica.
f) Velocidad de Propagación
La velocidad de propagación es la velocidad máxima con la cual se puede transmitir una señal en la línea de transmisión. Depende del índice de reflexión.
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 la luz 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 está dada por:
Donde:
- Vpo = Velocidad de propagación del espacio libre 000.000 m/s.
- m = Contante de permeabilidad en el espacio libre 12,5664 x 10-7 H/m.
- co = Constante dieléctrica del espacio libre 8,84 x 10-12 F/m.
- La velocidad de propagación en el medio está dada por:
Donde:
- E= Constante dieléctrico del medio
- Eu= Constante dieléctrico del espacio libre 8,84 x10-12 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. (e). 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 rc 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
- % = 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 (Km/s).
Para determinar la velocidad de propagación expresada en porcentaje es:
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).
