Ingegneria dei cavi coassiali
Impedenza del cavo coassiale: perché 50 Ohm e 75 Ohm raramente perdonano una mancata corrispondenza
L'impedenza caratteristica deriva dalla geometria e dal dielettrico, non dal prezzo. Ecco come si comportano i sistemi da 50 e 75 ohm, quanto costa effettivamente una mancata corrispondenza e quali numeri rientrano nelle specifiche di acquisto.
Un installatore CCTV termina una derivazione RG6 da 75 ohm con un adattatore BNC da 50 ohm perché il cassetto dei ricambi è più vicino del magazzino. L'immagine è pulita il primo giorno. Tre settimane dopo il cliente segnala una debole banda orizzontale e viene incolpata per prima la telecamera, per seconda il registratore e per ultimo il cavo.
La versione breve, prima del dettaglio: ogni elemento della catena deve concordare l'impedenza, compreso il cavo, il connettore e la porta dell'apparecchiatura. In caso contrario, parte del segnale si riflette lungo la linea invece di raggiungere il ricevitore e tali riflessioni diventano più dannose man mano che la frequenza aumenta e i percorsi si allungano.
Quello che segue copre cos'è realmente l'impedenza caratteristica, perché l'industria ha optato per 50 e 75 ohm, come appare una mancata corrispondenza sull'attrezzatura di prova e su uno schermo e cosa scrivere in una specifica in modo che il problema non raggiunga mai il sito.
Cosa misura effettivamente l'impedenza del cavo coassiale
L'impedenza caratteristica non è resistenza. È il rapporto tra tensione e corrente per un'onda che viaggia lungo la linea ed esiste anche quando non è collegato nulla all'estremità. Dentro la struttura fisica di un cavo coassiale è determinato da tre cose: il diametro del conduttore centrale (d), il diametro interno dello schermo o del dielettrico che riempie lo spazio (D) e la costante dielettrica di quel materiale.
Per una linea coassiale, la formula di lavoro classica è Z0 = 138 diviso per la radice quadrata della costante dielettrica, moltiplicata per il logaritmo in base dieci di D diviso per d. Allontanando ulteriormente il conduttore e la schermatura oppure abbassando la costante dielettrica, l'impedenza aumenterà.
Due conseguenze sono importanti dal punto di vista commerciale:
- L'impedenza non cambia con la lunghezza. Un pezzo da 5 me uno da 500 m dello stesso RG6 si trovano entrambi a circa 75 ohm.
- L'impedenza non può essere letta con un multimetro. Per verificarlo è necessario un riflettometro nel dominio del tempo, un analizzatore di rete o un test di scansione rispetto a un carico noto.
La resistenza CC è una specifica separata ed è comunque importante. Un ricevitore satellitare che spinge l'LNB per un lungo periodo deve superare la resistenza del circuito, qualcosa di cui l'impedenza non dice nulla.
L'impedenza caratteristica descrive l'onda viaggiante, quindi si applica lungo l'intero cavo anziché in un punto su di esso. Un cavo è accoppiato solo quando la sorgente, la linea e il carico condividono tutti la stessa impedenza.
Perché 50 Ohm e 75 Ohm sono diventati gli standard
Nessuno dei due numeri è arbitrario. Nel cavo coassiale dielettrico in aria, l'attenuazione è minima intorno a 77 ohm, mentre la tenuta in potenza raggiunge il picco vicino a 30 ohm. Gli ingegneri delle microonde avevano bisogno sia di basse perdite che di potenza utilizzabile, quindi 50 ohm divennero il compromesso di lavoro e si consolidarono nella pratica militare e successivamente commerciale. Gli ingegneri delle trasmissioni si preoccupavano della bassa perdita durante le trasmissioni video lunghe e a bassa potenza, quindi 75 ohm, più vicino all'attenuazione minima, divennero lo standard video e televisivo via cavo.
Cinquanta ohm sono un compromesso tra potenza e perdita; settantacinque ohm tendono alla perdita. Entrambe sono scelte ingegneristiche, non gradi di qualità.
Le differenze visibili risiedono principalmente nella gestione della potenza e nelle famiglie di connettori, come illustrato nel confronto seguente.
| Caratteristico | 50 ohm | 75 ohm |
|---|---|---|
| Applicazioni tipiche | Collegamenti wireless e RF, alimentatori di antenne, LTE, apparecchiature di test | CATV, MATV, IF satellitare, CCTV, video in banda base |
| Famiglie di connettori comuni | BNC 50 ohm, N, SMA, TNC | F, BNC 75 ohm, video RCA |
| Gestione della potenza | Più in alto | Più in basso |
| Attenuazione a geometria comparabile | Leggermente più alto | Leggermente più basso |
| Distanza dal minimo di perdita vicino a 77 ohm | Inoltre | Più vicino |
| Esempi tipici di cavi | RG58, RG174, RG213, LMR400 | RG6, RG59, RG11, S5CFB |
| Tolleranza di impedenza pubblicata | Spesso circa 2 ohm | Spesso circa 3 ohm |
Per lavori di distribuzione a 75 ohm, la struttura di schermatura è solitamente la decisione successiva dopo l'impedenza. La schermatura standard è adatta alle corse brevi degli abbonati, la tripla schermatura aggiunge una lamina più treccia per gli ambienti più rumorosi e la schermatura quadrupla viene scelta dove i margini di perdita di ingresso e di ritorno sono ridotti.
Mancata corrispondenza nei numeri: perdita di ritorno, VSWR e sintomi visibili
La riflessione è prevedibile. Alimenta un carico di 75 ohm da una sorgente di 50 ohm e il coefficiente di riflessione è 0,2, ovvero un VSWR di circa 1,5 a 1, una perdita di ritorno vicino a 14 dB e circa il 4% della potenza incidente riflessa. Il 4% sembra innocuo, e con un breve intervento di solito lo è. Su un tronco di 300 m, o in una fitta schiera di canali, non lo è, perché l'onda riflessa arriva tardi e quindi si somma o sottrae al segnale diretto.
Gli errori di impedenza tendono ad annunciarsi in alcuni modi riconoscibili:
- Lievi immagini fantasma, squilli o un secondo bordo sul video analogico
- Banding, scintillio o interruzioni intermittenti sui canali digitali CATV e IPTV
- Un tasso di errore in aumento alla testata che nessuna regolazione dell'amplificatore risolve
- Un allarme VSWR su un trasmettitore che esegue il test di pulizia su un carico fittizio
- Un collegamento che passa una volta e fallisce quando un altro dispositivo si unisce alla catena
I connettori da cinquanta e settantacinque ohm della stessa famiglia non sono intercambiabili, anche quando sembrano accoppiarsi. Un BNC da 75 ohm ha un pin centrale più sottile di un BNC da 50 ohm. Forzare la spina sbagliata allarga il contatto della presa o lascia un giunto allentato, che impila un guasto meccanico sopra quello elettrico.
Impedenza corrispondente all'installazione
La maggior parte degli errori di impedenza si verificano nei punti di passaggio anziché all'interno del cavo. Impostare innanzitutto i requisiti dall'applicazione:
- Satellite IF e DTH: 75 ohm dall'LNB al ricevitore, con connettori F. L'alimentazione CC per l'LNB viaggia sullo stesso conduttore centrale, quindi la resistenza del circuito e l'impedenza rientrano entrambe nelle specifiche.
- Distribuzione CATV, MATV e IPTV: 75 ohm in tutto. RG11 per discese aeree e tratti lunghi, RG6 per corse tipiche degli abbonati, RG59 per brevi tratti dietro l'apparecchiatura.
- CCTV: 75 ohm attraverso la coppia video, comprese le costruzioni siamesi che trasportano alimentazione CC lungo il cavo coassiale.
- Collegamenti wireless e RF: 50 ohm ovunque. RG58 per ponticelli corti, RG213 o LMR400 dove una corsa di alimentazione più lunga consumerebbe altrimenti il budget del collegamento.
Laddove un sistema deve realmente attraversare domini, come una radio da 50 ohm che guida un sistema di antenna da 75 ohm, utilizzare un pad o un trasformatore corrispondente anziché un adattatore e sperare. Vale la pena definire in questa fase anche la tolleranza dell'impedenza, perché un cavo che si discosta di diversi ohm dal valore nominale si comporta come un piccolo disadattamento in ogni giunto lungo il percorso.
CCTV e piccoli impianti: dove si nascondono gli errori da 75 Ohm
Il lavoro di sorveglianza mette a dura prova la disciplina dell'impedenza, perché adattatori a basso costo e marche di telecamere miste si incontrano nello stesso armadio. Un circuito CCTV composito è a 75 ohm dall'uscita della telecamera, attraverso il cavo coassiale, all'ingresso del registratore, e un BNC allentato o un adattatore da 50 ohm disperso influisce meno su un cavo corto che su uno lungo.
Costruzioni siamesi come KX6 con alimentazione, RG59 con alimentazione o RG6 con alimentazione posizionano una coppia video da 75 ohm accanto a una coppia di alimentazione da 18 o 20 AWG. Ciò elimina un'alimentazione separata, ma non cambia la regola: terminare il cavo coassiale a 75 ohm su entrambe le estremità, con connettori BNC o F da 75 ohm e nessuna parte da 50 ohm in mezzo.
Mantenere il percorso video a 75 ohm da un capo all'altro: uscita della telecamera, cavo, connettori, pannello di connessione e ingresso del registratore. Ogni adattatore da 50 ohm inserito in quella catena aggiunge una riflessione che il registratore non può annullare.
Cosa controllare prima di acquistare
L'impedenza è la riga più semplice da verificare su una scheda tecnica e quella più spesso considerata attendibile. Chiedi a un fornitore sei articoli prima di effettuare un ordine di produzione:
- Impedenza nominale e tolleranza. Un cavo video da 75 ohm indicato a più o meno 3 ohm è normale; qualsiasi cosa più ampia di più o meno 5 ohm merita domande.
- Dati di sweep o di perdita di rendimento strutturale attraverso la banda che utilizzerai effettivamente, non un singolo punto di frequenza.
- Velocità di propagazione, tipicamente da 0,66 a 0,87 a seconda che il dielettrico sia solido o espanso, che guida i calcoli di tempistica e lunghezza.
- Interfaccia del connettore. Confermare 75 ohm F o 75 ohm BNC come richiesto e rifiutare hardware misto da 50 ohm per sistemi video.
- Standard e prove di conformità, come EN 50117 per cavi CATV o equivalenti JIS e MIL, oltre a UL, ETL, CE, CPR, RoHS o REACH dove il progetto li richiede.
- Consistenza lungo il tamburo. Il diametro dielettrico che imposta l'impedenza deve rimanere stabile per l'intera lunghezza, quindi un test campione su entrambe le estremità di una consegna è un controllo ragionevole.
L'impedenza si comporta come una catena: 50 o 75 ohm su ogni giunzione, oppure una riflessione su ogni giunzione. Abbina il numero all'applicazione, utilizzando 75 ohm per video, CATV, satellite e CCTV e 50 ohm per RF, wireless e lavori di test, quindi assicurati che cavi, connettori, adattatori e porte delle apparecchiature siano tutti d'accordo. Quando un problema di segnale sopravvive a ogni altra spiegazione, misurare con un riflettometro nel dominio del tempo prima di sostituire un'altra fotocamera.
