Cable coaxial

En la siguiente sección se utilizan los siguientes símbolos:

• Longitud${\displaystyle \ell }$del cable.
• Diámetro externo${\displaystyle d}$del conductor interno .
• Diámetro interior${\displaystyle D}$del escudo.
• constante dieléctrica${\displaystyle \epsilon }$del aislante. La constante dieléctrica se suele citar como la constante dieléctrica relativa.${\displaystyle \epsilon _{\text{r}}}$se refiere a la constante dieléctrica${\displaystyle \epsilon _{0}}$de espacio libre:${\displaystyle \epsilon =\epsilon _{\text{r}}\epsilon _{0}.}$Cuando el aislante es una mezcla de diferentes materiales dieléctricos (por ejemplo, la espuma de polietileno es una mezcla de polietileno y aire), entonces el término constante dieléctrica efectiva${\displaystyle \epsilon _{\text{eff}}}$Se usa con frecuencia.
• Permeabilidad magnética${\displaystyle \mu }$del aislante. La permeabilidad se suele citar como la permeabilidad relativa .${\displaystyle \mu _{\text{r}}}$se refiere a la permeabilidad${\displaystyle \mu _{0}}$de espacio libre:${\displaystyle \mu =\mu _{\text{r}}\mu _{0}.}$La permeabilidad relativa será casi siempre 1 .

• Capacitancia de derivación por unidad de longitud, en faradios por metro: ^{[ 10 ] [ 11 ]}$${\displaystyle C={\frac {2\pi \epsilon }{\ln {\frac {D}{d}}}}={\frac {2\pi \epsilon _{0}\epsilon _{\text{r}}}{\ln {\frac {D}{d}}}}.}$$
• Inductancia en serie por unidad de longitud, en henrios por metro, considerando que el conductor central es un cilindro hueco delgado (debido al efecto piel ): ^{[ 11 ]}$${\displaystyle L={\frac {\mu }{2\pi }}\ln {\frac {D}{d}}={\frac {\mu _{0}\mu _{\text{r}}}{2\pi }}\ln {\frac {D}{d}}.}$$
• Resistencia en serie por unidad de longitud, en ohmios por metro. La resistencia por unidad de longitud corresponde únicamente a la resistencia del conductor interno y la pantalla a bajas frecuencias. A frecuencias más altas, el efecto pelicular aumenta la resistencia efectiva al confinar la conducción a una capa delgada de cada conductor.
• Conductancia de derivación por unidad de longitud, en siemens por metro. La conductancia de derivación suele ser muy pequeña debido al uso de aislantes con buenas propiedades dieléctricas ( tangente de pérdidas muy baja ). A altas frecuencias, un dieléctrico puede presentar pérdidas resistivas significativas.

• Impedancia característica en ohmios (Ω). La impedancia compleja Z ₀ de una línea de transmisión de longitud infinita es ^{[ 12 ].}$${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {R+sL}{G+sC}}},}$$donde R es la resistencia por unidad de longitud, L es la inductancia por unidad de longitud, G es la conductancia por unidad de longitud del dieléctrico, C es la capacitancia por unidad de longitud y s = jω = j 2 πf es la frecuencia. Las dimensiones "por unidad de longitud" se cancelan en la fórmula de impedancia. En CC, los dos términos reactivos son cero, por lo que la impedancia es de valor real y es extremadamente alta. Parece que$${\displaystyle Z_{\text{DC}}={\sqrt {\frac {R}{G}}}.}$$Con el aumento de la frecuencia, los componentes reactivos entran en efecto y la impedancia de la línea es de valor complejo. A frecuencias muy bajas (rango de audio, de interés para los sistemas telefónicos), G suele ser mucho menor que sC , por lo que la impedancia a bajas frecuencias es$${\displaystyle Z_{\text{LF}}\approx {\sqrt {\frac {R}{sC}}},}$$que tiene un valor de fase de −45°. A frecuencias más altas, los términos reactivos suelen dominar R y G , y la impedancia del cable vuelve a ser de valor real. Ese valor es Z ₀ , la impedancia característica del cable:$${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {sL}{sC}}}={\sqrt {\frac {L}{C}}}.}$$Suponiendo que las propiedades dieléctricas del material dentro del cable no varían apreciablemente en el rango de operación del cable, la impedancia característica es independiente de la frecuencia por encima de aproximadamente cinco veces la frecuencia de corte del blindaje . Para cables coaxiales típicos, la frecuencia de corte del blindaje es de 600  Hz (para RG-6A) a 2000  Hz (para RG-58C). ^{[ 13 ]}
  Los parámetros L y C se determinan a partir de la relación de los diámetros interior ( d ) y exterior ( D ) y la constante dieléctrica ( ε ). La impedancia característica viene dada por ^{[ 14 ] [ 11 ].}$${\displaystyle Z_{0}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {\mu }{\epsilon }}}\ln {\frac {D}{d}}\approx {\frac {59.96~\Omega }{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}}}}\ln {\frac {D}{d}}\approx {\frac {138~\Omega }{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}}}}\log _{10}{\frac {D}{d}}.}$$
• Atenuación (pérdida) por unidad de longitud, en decibelios por metro. Esta depende de la pérdida en el material dieléctrico que llena el cable y de las pérdidas resistivas en el conductor central y el blindaje exterior. Estas pérdidas dependen de la frecuencia, aumentando a medida que esta se incrementa. Las pérdidas por efecto pelicular en los conductores se pueden reducir aumentando el diámetro del cable. Un cable con el doble de diámetro tiene la mitad de resistencia por efecto pelicular. Si se ignoran las pérdidas dieléctricas y otras pérdidas, un cable más grande reduciría a la mitad la pérdida en dB/m. Al diseñar un sistema, los ingenieros consideran no solo la pérdida en el cable, sino también la pérdida en los conectores.
• Velocidad de propagación , en metros por segundo. La velocidad de propagación depende de la constante dieléctrica y la permeabilidad (que suele ser 1 ): ^{[ 11 ]}$${\displaystyle v={\frac {1}{\sqrt {\epsilon \mu }}}={\frac {c}{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}\mu _{\text{r}}}}}.}$$
• Banda monomodo. En el cable coaxial, el modo dominante (el modo con la frecuencia de corte más baja ) es el modo TEM , ^{[ 8 ]} que tiene una frecuencia de corte de cero; se propaga hasta CC. El modo con la siguiente frecuencia de corte más baja es el modo TE _11. Este modo tiene una "onda" (dos inversiones de polaridad) al recorrer la circunferencia del cable. En una buena aproximación, la condición para que el modo TE ₁₁ se propague es que la longitud de onda en el dieléctrico no sea mayor que la circunferencia promedio del aislante; es decir, que la frecuencia sea al menos$${\displaystyle f_{\text{c}}\approx {\frac {1}{\pi \left({\frac {D+d}{2}}\right){\sqrt {\mu \epsilon }}}}={\frac {c}{\pi \left({\frac {D+d}{2}}\right){\sqrt {\mu _{\text{r}}\epsilon _{\text{r}}}}}}.}$$Por lo tanto, el cable es monomodo desde CC hasta esta frecuencia y en la práctica podría usarse hasta el 90% ^{[ 15 ]} de esta frecuencia.
• Voltaje pico. El voltaje pico viene determinado por el voltaje de ruptura del aislante: ^{[ 16 ]}$${\displaystyle V_{\text{p}}=E_{\text{d}}{\frac {d}{2}}\ln {\frac {D}{d}},}$$donde Vp _es la tensión máxima, Ed es la tensión de ruptura _del aislante en voltios por metro, d es el diámetro interior en metros y D es el diámetro exterior en metros. La tensión máxima calculada suele reducirse mediante un factor de seguridad.

Las mejores impedancias de cable coaxial se determinaron experimentalmente en los Laboratorios Bell en 1929, obteniéndose valores de 77  Ω para baja atenuación, 60  Ω para alta tensión y 30  Ω para alta potencia. Para un cable coaxial con dieléctrico de aire y un blindaje de un diámetro interno determinado, la atenuación se minimiza eligiendo el diámetro del conductor interno para obtener una impedancia característica de 76,7  Ω. ^{[ 17 ]} Al considerar dieléctricos más comunes, la impedancia de pérdida de inserción mínima se reduce a un valor entre 52 y 64  Ω. La potencia máxima admisible se alcanza a 30  Ω. ^{[ 18 ]}

La impedancia aproximada necesaria para adaptar una antena dipolo alimentada en el centro en el espacio libre (es decir, un dipolo sin reflexiones en tierra) es de 73  Ω, por lo que  el cable coaxial de 75 Ω se usaba comúnmente para conectar antenas de onda corta a receptores. Estos suelen manejar niveles de potencia de RF tan bajos que la capacidad de manejo de potencia y las características de ruptura de alto voltaje son insignificantes en comparación con la atenuación. De igual manera, con la CATV , aunque muchas instalaciones de televisión abierta y cabeceras de CATV usan antenas dipolo  plegadas de 300 Ω para recibir señales aéreas, el cable coaxial de 75 Ω funciona como un transformador balun 4:1 conveniente para estas, además de tener baja atenuación. 

La media aritmética entre 30  Ω y 77  Ω es 53,5  Ω; la media geométrica es 48  Ω. La selección de 50  Ω como compromiso entre la capacidad de manejo de potencia y la atenuación se cita generalmente como la razón de este valor. ^{[ 17 ]} 50  Ω también funciona bastante bien porque corresponde aproximadamente a la impedancia del punto de alimentación de un dipolo de media onda, montado aproximadamente a media onda por encima del suelo "normal" (idealmente 73  Ω, pero reducido para cables horizontales que cuelgan a baja altura).

El RG-62 es un  cable coaxial de 93 Ω que se utilizó originalmente en redes de ordenadores centrales durante los años 70 y principios de los 80 (era el cable que conectaba los terminales IBM 3270 con los controladores de clúster de terminales IBM 3274/3174). Posteriormente, algunos fabricantes de equipos LAN, como Datapoint para ARCNET , adoptaron el RG-62 como su estándar de cable coaxial. Este cable presenta la menor capacitancia por unidad de longitud en comparación con otros cables coaxiales de tamaño similar.

Todos los componentes de un sistema coaxial deben tener la misma impedancia para evitar reflexiones internas en las conexiones entre ellos (véase Adaptación de impedancias ). Dichas reflexiones pueden causar atenuación de la señal. Introducen ondas estacionarias, que aumentan las pérdidas e incluso pueden provocar la ruptura dieléctrica del cable con transmisiones de alta potencia. En sistemas de vídeo o televisión analógicos, las reflexiones causan imágenes fantasma ; múltiples reflexiones pueden provocar que la señal original vaya seguida de más de un eco. Si un cable coaxial está abierto (sin conexión en el extremo), la terminación tiene una resistencia casi infinita, lo que provoca reflexiones. Si el cable coaxial está en cortocircuito, la resistencia de terminación es casi cero, lo que provoca reflexiones con polaridad opuesta. Las reflexiones se eliminarán casi por completo si el cable coaxial se termina en una resistencia pura igual a su impedancia.

La fuga de señal es el paso de campos electromagnéticos a través del blindaje de un cable y ocurre en ambas direcciones. La entrada es el paso de una señal externa al cable y puede provocar ruido e interferencias en la señal deseada. La salida es el paso de una señal destinada a permanecer dentro del cable hacia el exterior y puede resultar en una señal más débil en el extremo del cable e interferencias de radiofrecuencia en dispositivos cercanos. Las fugas graves suelen deberse a conectores mal instalados o a fallos en el blindaje del cable.

Por ejemplo, en Estados Unidos, la fuga de señal de los sistemas de televisión por cable está regulada por la FCC, ya que las señales de cable utilizan las mismas frecuencias que las bandas aeronáuticas y de radionavegación. Los operadores de CATV también pueden optar por monitorear sus redes para detectar fugas y evitar interferencias. Las señales externas que ingresan al cable pueden causar ruido no deseado y artefactos en la imagen. El ruido excesivo puede saturar la señal, haciéndola inservible. Las interferencias dentro del canal se pueden eliminar digitalmente mediante la cancelación de interferencias .

Un blindaje ideal sería un conductor perfecto, sin agujeros, huecos ni protuberancias, conectado a una tierra perfecta. Sin embargo, un blindaje liso, sólido y altamente conductor sería pesado, inflexible y costoso. Este tipo de cable coaxial se utiliza para la alimentación en línea recta a las torres de radiodifusión comerciales. Los cables más económicos deben encontrar un equilibrio entre la eficacia del blindaje, la flexibilidad y el costo, como la superficie corrugada de los blindajes flexibles de cable rígido, trenzado flexible o lámina metálica. Dado que los blindajes no pueden ser conductores perfectos, la corriente que fluye por su interior produce un campo electromagnético en su superficie exterior.

Consideremos el efecto pelicular . La magnitud de una corriente alterna en un conductor disminuye exponencialmente con la distancia bajo la superficie, siendo la profundidad de penetración proporcional a la raíz cuadrada de la resistividad. Esto significa que, en un blindaje de espesor finito, una pequeña cantidad de corriente seguirá fluyendo por la superficie opuesta del conductor. Con un conductor perfecto (es decir, de resistividad cero), toda la corriente fluiría por la superficie, sin penetrar en el conductor. Los cables reales tienen un blindaje hecho de un conductor imperfecto, aunque generalmente de muy buena calidad, por lo que siempre habrá cierta fuga.

Los huecos o aberturas permiten que parte del campo electromagnético penetre al otro lado. Por ejemplo, los blindajes trenzados tienen muchos huecos pequeños. Estos huecos son menores al usar un blindaje de lámina (metal sólido), pero aún existe una costura a lo largo del cable. La lámina se vuelve cada vez más rígida a medida que aumenta su grosor, por lo que una capa delgada de lámina suele estar rodeada por una capa de metal trenzado, que ofrece mayor flexibilidad para una sección transversal determinada.

La fuga de señal puede ser grave si hay un mal contacto en la interfaz con los conectores en cualquiera de los extremos del cable o si hay una rotura en el blindaje.

Para reducir considerablemente la fuga de señal hacia dentro o hacia fuera del cable, en un factor de 1000, o incluso de 10 000, a menudo se utilizan cables superapantallados en aplicaciones críticas, como por ejemplo para contadores de flujo de neutrones en reactores nucleares .

Los cables superapantallados para uso nuclear se definen en la norma IEC 96-4-1, 1990; sin embargo, debido a los largos periodos de inactividad en la construcción de centrales nucleares en Europa, muchas instalaciones existentes utilizan cables superapantallados conforme a la norma británica AESS(TRG) 71181 ^{[ 19 ]} , a la que se hace referencia en la norma IEC 61917. ^{[ 20 ]}

Una corriente continua, aunque pequeña, a través del blindaje imperfecto de un cable coaxial puede causar interferencias visibles o audibles. En los sistemas CATV que distribuyen señales analógicas, la diferencia de potencial entre la red coaxial y el sistema de puesta a tierra de una vivienda puede provocar una "barra de zumbido" visible en la imagen. Esta aparece como una ancha barra de distorsión horizontal que se desplaza lentamente hacia arriba. Estas diferencias de potencial pueden reducirse mediante una conexión a tierra adecuada en la vivienda. Véase bucle de tierra .

Los campos externos generan una tensión en la inductancia del conductor exterior entre el emisor y el receptor. Este efecto es menor cuando hay varios cables en paralelo, ya que esto reduce la inductancia y, por lo tanto, la tensión. Dado que el conductor exterior transporta el potencial de referencia para la señal en el conductor interior, el circuito receptor mide una tensión incorrecta.

La corriente de modo común se produce cuando las corrientes parásitas en el blindaje fluyen en la misma dirección que la corriente en el conductor central, lo que provoca que el cable coaxial irradie. Estas corrientes son opuestas a las corrientes de señalización diferencial "push-pull" deseadas, donde las corrientes de señal en los conductores interno y externo son iguales y opuestas.

La mayor parte del efecto de blindaje en el cable coaxial se debe a las corrientes opuestas en el conductor central y el blindaje, que crean campos magnéticos opuestos que se cancelan entre sí y, por lo tanto, no irradian. Este mismo efecto se aplica a la línea de transmisión bifilar . Sin embargo, la línea de transmisión bifilar es extremadamente sensible a los objetos metálicos circundantes, que pueden entrar en los campos antes de que se cancelen por completo. El cable coaxial no presenta este problema, ya que el campo está confinado dentro del blindaje. No obstante, aún es posible que se forme un campo entre el blindaje y otros objetos conectados, como la antena que alimenta el cable coaxial. La corriente formada por el campo entre la antena y el blindaje del cable coaxial fluiría en la misma dirección que la corriente en el conductor central y, por lo tanto, no se cancelaría. La energía irradiaría desde el propio cable coaxial, afectando el patrón de radiación de la antena. Con suficiente potencia, esto podría ser peligroso para las personas cercanas al cable. Un balun correctamente colocado y dimensionado puede prevenir la radiación de modo común en el cable coaxial. Se puede utilizar un transformador de aislamiento o un condensador de bloqueo para acoplar un cable coaxial a un equipo, cuando se desea transmitir señales de radiofrecuencia pero bloquear la corriente continua o la potencia de baja frecuencia.

La fórmula de impedancia característica anterior es una buena aproximación en radiofrecuencias ; sin embargo, para frecuencias inferiores a 100  kHz (como el audio ) es importante utilizar la ecuación completa del telegrafista : ^{[ 12 ]}$${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {R+j\omega L}{G+j\omega C}}}.}$$ Al aplicar esta fórmula a un cable coaxial típico de 75 ohmios, se obtiene una impedancia en todo el espectro de audio que oscila entre ~150  Ω y ~5  kΩ, mucho mayor que la nominal. La velocidad de propagación también disminuye considerablemente. Por lo tanto, las impedancias de los cables coaxiales son consistentes en frecuencias de radiofrecuencia, pero variables en frecuencias de audio. Este efecto se manifestó al intentar enviar una señal de voz simple a través del cable telegráfico transatlántico , con resultados deficientes. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Las variedades más grandes de línea dura pueden tener un conductor central construido con tubos de cobre rígidos o corrugados. El dieléctrico en la línea dura puede consistir en espuma de polietileno, aire o un gas presurizado como nitrógeno o aire desecado (aire seco). En las líneas cargadas con gas, se utilizan plásticos duros como el nailon como espaciadores para separar los conductores internos y externos. La adición de estos gases al espacio dieléctrico reduce la contaminación por humedad, proporciona una constante dieléctrica estable y proporciona un riesgo reducido de arco interno. Las líneas duras rellenas de gas se utilizan generalmente en transmisores de RF de alta potencia como los de radiodifusión televisiva o radio, transmisores militares y aplicaciones de radioaficionados de alta potencia, pero también pueden utilizarse en algunas aplicaciones críticas de menor potencia, como las de las bandas de microondas. Sin embargo, en la región de microondas, la guía de ondas se utiliza con más frecuencia que la línea dura para aplicaciones de transmisor a antena o de antena a receptor. Los diversos blindajes utilizados en la línea dura también difieren; Algunos tipos de tubería utilizan tubos rígidos, mientras que otros emplean tubos corrugados, lo que facilita el doblado y reduce las torceduras al adaptar el cable. En algunas aplicaciones de alta frecuencia, especialmente en equipos de microondas, se pueden utilizar tuberías rígidas de menor diámetro para reducir las interferencias entre las etapas del dispositivo.

El cable radiante o de fuga es otro tipo de cable coaxial construido de forma similar al cable rígido, pero con ranuras sintonizadas en el blindaje. Estas ranuras están sintonizadas a la longitud de onda de radiofrecuencia específica de operación o a una banda de radiofrecuencia específica. Este tipo de cable proporciona un efecto de fuga bidireccional sintonizado "deseado" entre el transmisor y el receptor. Se utiliza frecuentemente en huecos de ascensores, buques de la Armada de los EE. UU., túneles de transporte subterráneo y en otras áreas donde no es factible instalar una antena. Un ejemplo de este tipo de cable es Radiax ( CommScope ). ^{[ 58 ]}

El cable RG-6 está disponible en cuatro tipos diferentes diseñados para diversas aplicaciones. Además, el núcleo puede ser de acero revestido de cobre (CCS) o de cobre macizo desnudo (BC). El cable RG-6 "estándar" o "doméstico" está diseñado para el cableado doméstico interior o exterior. El cable "inundado" está impregnado con gel impermeabilizante para su uso en conductos subterráneos o enterramiento directo. El cable "mensajero" puede contener cierta impermeabilización, pero se distingue por la adición de un cable mensajero de acero a lo largo de su longitud para soportar la tensión de una caída aérea desde un poste de servicios públicos. El cableado " plenum " es costoso y viene con una cubierta exterior especial a base de teflón diseñada para su uso en conductos de ventilación y para cumplir con las normas contra incendios. Se desarrolló debido a que los plásticos utilizados como cubierta exterior y aislamiento interior en muchos cables "estándar" o "domésticos" desprenden gases tóxicos al quemarse.

El cable triaxial , o triax, es un cable coaxial con una tercera capa de blindaje, aislamiento y cubierta. El blindaje exterior, que está conectado a tierra, protege el blindaje interior de las interferencias electromagnéticas externas.

El cable semirrígido es un cable coaxial con una cubierta exterior de cobre macizo. Este tipo de cable coaxial ofrece un apantallamiento superior en comparación con los cables con conductor exterior trenzado, especialmente a altas frecuencias. Su principal desventaja es que, como su nombre indica, no es muy flexible y no está diseñado para doblarse después de su conformación inicial. (Véase §  Línea rígida )

El cable conformable es una alternativa flexible y moldeable al cable coaxial semirrígido, utilizado donde se requiere flexibilidad. El cable conformable se puede pelar y moldear a mano sin necesidad de herramientas especializadas, al igual que el cable coaxial estándar.

La línea rígida es una línea coaxial formada por dos tubos de cobre mantenidos concéntricos cada dos metros mediante soportes de PTFE. Las líneas rígidas no se pueden doblar, por lo que a menudo requieren codos. La interconexión con línea rígida se realiza con un conector interno tipo bala/soporte interno y una brida o kit de conexión. Normalmente, las líneas rígidas se conectan mediante conectores RF EIA estandarizados , cuyos tamaños de bala y brida coinciden con los diámetros de línea estándar. Para cada diámetro exterior,  se pueden obtener tubos internos de 75 o 50 ohmios. La línea rígida se usa comúnmente en interiores para la interconexión entre transmisores de alta potencia y otros componentes de RF, pero la línea rígida más robusta con bridas resistentes a la intemperie se usa en exteriores en mástiles de antena, etc. Para ahorrar peso y costes, en mástiles y estructuras similares la línea exterior suele ser de aluminio, y se debe tener especial cuidado para evitar la corrosión. Con un conector de brida, también es posible pasar de línea rígida a línea dura. Muchas antenas de radiodifusión y divisores de antena utilizan la interfaz de línea rígida con brida incluso cuando se conectan a cables coaxiales flexibles y línea dura. La línea rígida se produce en diferentes tamaños: