Engenharia de Cabos Coaxiais
Impedância do cabo coaxial: por que 50 Ohm e 75 Ohm raramente perdoam uma incompatibilidade
A impedância característica vem da geometria e do dielétrico, não do preço. Aqui está como os sistemas de 50 e 75 ohmss se comportam, quanto realmente custa uma incompatibilidade e quais números pertencem a uma especificação de compra.
Um instalador de CFTV termina uma queda RG6 de 75 ohms com um adaptador BNC de 50 ohmss porque a gaveta de peças fica mais próxima do que o estoque. A imagem está limpa no primeiro dia. Três semanas depois, o cliente relata faixas horizontais fracas e a culpa é da câmera primeiro, do gravador em segundo e do cabo por último.
A versão curta, antes dos detalhes: cada elemento da cadeia deve concordar com a impedância, incluindo o cabo, o conector e a porta do equipamento. Quando isso não acontece, parte do sinal reflete de volta na linha em vez de chegar ao receptor, e essas reflexões tornam-se mais prejudiciais à medida que a frequência aumenta e as execuções ficam mais longas.
O que se segue aborda o que realmente é a impedância característica, por que a indústria optou por 50 e 75 ohms, como uma incompatibilidade aparece no equipamento de teste e na tela e o que escrever em uma especificação para que o problema nunca chegue ao local.
O que a impedância do cabo coaxial realmente mede
A impedância característica não é resistência. É a relação entre a tensão e a corrente de uma onda que viaja ao longo da linha e existe mesmo quando nada está conectado na extremidade oposta. Em a construção física de um cabo coaxial é definido por três coisas: o diâmetro do condutor central (d), o diâmetro interno da blindagem ou do dielétrico que preenche o espaço (D) e a constante dielétrica desse material.
Para uma linha coaxial, a fórmula de trabalho clássica é Z0 = 138 dividido pela raiz quadrada da constante dielétrica, multiplicada pelo logaritmo de base dez de D dividido por d. Afaste ainda mais o condutor e a blindagem ou diminua a constante dielétrica e a impedância aumentará.
Duas consequências são importantes comercialmente:
- A impedância não muda com o comprimento. Um pedaço de 5 me um de 500 m do mesmo RG6 fica em cerca de 75 ohms.
- A impedância não pode ser lida com um multímetro. Para verificá-lo, é necessário um refletômetro no domínio do tempo, um analisador de rede ou um teste de varredura contra uma carga conhecida.
A resistência DC é uma especificação separada e ainda é importante. Um receptor de satélite que aumenta a potência do LNB por um longo período tem que superar a resistência do loop, algo sobre o qual a impedância não diz nada.
A impedância característica descreve a onda viajante, portanto ela se aplica ao longo de todo o cabo, e não a um ponto dele. Um cabo é casado somente quando a fonte, a linha e a carga compartilham a mesma impedância.
Por que 50 Ohm e 75 Ohm se tornaram os padrões
Nenhum dos números é arbitrário. No coaxial dielétrico de ar, a atenuação é mais baixa perto de 77 ohm, enquanto a potência atinge o pico perto de 30 ohm. Os engenheiros de microondas precisavam de baixa perda e de potência utilizável, então 50 ohms se tornaram o compromisso de trabalho e se consolidaram na prática militar e, posteriormente, na prática comercial. Os engenheiros de transmissão se preocupavam com a baixa perda em execuções de vídeo longas e de baixa potência, então 75 ohm, próximo ao mínimo de atenuação, tornou-se o padrão de vídeo e televisão a cabo.
Cinquenta ohms é um compromisso entre potência e perda; setenta e cinco ohms tendem à perda. Ambas são escolhas de engenharia, não notas de qualidade.
As diferenças visíveis estão principalmente no manuseio de energia e nas famílias de conectores, como mostra a comparação abaixo.
| Característica | 50 ohm | 75 ohm |
|---|---|---|
| Aplicações típicas | Links sem fio e RF, alimentadores de antena, LTE, equipamentos de teste | CATV, MATV, satélite IF, CCTV, vídeo de banda base |
| Famílias de conectores comuns | BNC 50 ohms, N, SMA, TNC | F, BNC 75 ohms, vídeo RCA |
| Manuseio de energia | Superior | Inferior |
| Atenuação em geometria comparável | Um pouco mais alto | Um pouco mais baixo |
| Distância da perda mínima próxima a 77 ohms | Mais adiante | Mais perto |
| Exemplos típicos de cabos | RG58, RG174, RG213, LMR400 | RG6, RG59, RG11, S5CFB |
| Tolerância de impedância publicada | Muitas vezes cerca de 2 ohms | Muitas vezes cerca de 3 ohms |
Para trabalhos de distribuição de 75 ohms, a estrutura de blindagem geralmente é a próxima decisão após a impedância. A blindagem padrão é adequada para curtas tiragens de assinantes, a tri-shield adiciona uma folha e uma trança para ambientes mais barulhentos e a quad-shield é escolhida onde as margens de perda de entrada e retorno são estreitas.
Incompatibilidade em Números: Perda de Retorno, VSWR e Sintomas Visíveis
A reflexão é previsível. Alimente uma carga de 75 ohms de uma fonte de 50 ohms e o coeficiente de reflexão será 0,2, que é um VSWR de cerca de 1,5 a 1, uma perda de retorno próxima de 14 dB e aproximadamente 4% da potência incidente refletida. Quatro por cento parece inofensivo, e em um patch curto geralmente é. Em um tronco de 300 m, ou em um alinhamento de canais denso, não é, porque a onda refletida chega atrasada e então aumenta ou subtrai o sinal direto.
Erros de impedância tendem a se anunciar de algumas maneiras reconhecíveis:
- Fantasmas fracos, toques ou uma segunda borda em vídeo analógico
- Faixas, brilho ou interrupções intermitentes em canais digitais de CATV e IPTV
- Uma taxa de erro crescente no headend que nenhum ajuste do amplificador corrige
- Um alarme VSWR em um transmissor que testa a limpeza em uma carga fictícia
- Um link que passa uma vez e falha quando outro dispositivo se junta à cadeia
Conectores de cinquenta e setenta e cinco ohms da mesma família não são intercambiáveis, mesmo quando parecem combinar. Um BNC de 75 ohms carrega um pino central mais fino que um BNC de 50 ohms. Forçar o plugue errado espalha o contato do soquete ou deixa uma junta solta, que acumula uma falha mecânica em cima da elétrica.
Correspondência de impedância à instalação
A maioria dos erros de impedância ocorre em pontos de transferência e não dentro do cabo. Defina primeiro o requisito do aplicativo:
- Satélite IF e DTH: 75 ohms do LNB ao receptor, com conectores F. A energia DC para o LNB viaja no mesmo condutor central, portanto a resistência e a impedância do loop pertencem à especificação.
- Distribuição de CATV, MATV e IPTV: 75 ohms por toda parte. RG11 para lançamentos aéreos e troncos longos, RG6 para ligações típicas de assinantes, RG59 para patches curtos atrás do equipamento.
- CFTV: 75 ohms no par de vídeo, incluindo construções siamesas que transportam energia CC ao lado do cabo coaxial.
- Links sem fio e RF: 50 ohms por toda parte. RG58 para jumpers curtos, RG213 ou LMR400 onde um alimentador mais longo consumiria o orçamento do link.
Quando um sistema realmente precisa cruzar domínios, como um rádio de 50 ohms acionando um sistema de antena de 75 ohms, use um pad ou transformador correspondente em vez de um adaptador e espere. Também vale a pena definir a tolerância de impedância neste estágio, porque um cabo que se desvia vários ohms do nominal se comporta como uma pequena incompatibilidade em cada junta ao longo do percurso.
CFTV e sistemas pequenos: onde os erros de 75 Ohm se escondem
O trabalho de vigilância testa mais a disciplina de impedância, porque adaptadores de baixo custo e marcas mistas de câmeras se encontram no mesmo gabinete. Um circuito CCTV composto tem 75 ohms da saída da câmera, através do cabo coaxial, até a entrada do gravador, e um BNC solto ou um adaptador perdido de 50 ohms afeta menos um cabo curto do que um longo.
Construções siamesas como KX6 com alimentação, RG59 com alimentação ou RG6 com alimentação colocam um par de vídeo de 75 ohm ao lado de um par de alimentação de 18 ou 20 AWG. Isso elimina uma alimentação separada, mas não muda a regra: termine o cabo coaxial como 75 ohm em ambas as extremidades, com conectores BNC ou F de 75 ohm e nenhuma peça de 50 ohm entre eles.
Mantenha o caminho de vídeo de 75 ohms de ponta a ponta: saída da câmera, cabo, conectores, patch panel e entrada do gravador. Cada adaptador de 50 ohms inserido nessa cadeia adiciona um reflexo que o gravador não pode desfazer.
O que verificar antes de comprar
Impedância é a linha mais fácil de verificar em uma folha de dados e a mais frequentemente considerada confiável. Peça seis itens a um fornecedor antes de fazer um pedido de produção:
- Impedância nominal e tolerância. Um cabo de vídeo de 75 ohms com mais ou menos 3 ohms é normal; qualquer coisa maior que mais ou menos 5 ohms merece perguntas.
- Dados de perda de varredura ou retorno estrutural em toda a banda que você realmente usará, e não em um único ponto de frequência.
- Velocidade de propagação, normalmente 0,66 a 0,87 dependendo se o dielétrico é sólido ou espumoso, o que orienta os cálculos de tempo e comprimento.
- Interface do conector. Confirme 75 ohm F ou 75 ohm BNC conforme necessário e rejeite hardware misto de 50 ohm para sistemas de vídeo.
- Padrões e evidências de conformidade, como EN 50117 para cabos CATV ou equivalentes JIS e MIL, além de UL, ETL, CE, CPR, RoHS ou REACH onde o projeto os exigir.
- Consistência ao longo do tambor. O diâmetro dielétrico que define a impedância deve permanecer estável durante todo o comprimento, portanto, um teste de amostra de ambas as extremidades de uma entrega é uma verificação razoável.
A impedância se comporta como uma cadeia: 50 ou 75 ohms em cada junta, ou uma reflexão em cada junta. Combine o número com a aplicação, usando 75 ohm para vídeo, CATV, satélite e CFTV, e 50 ohm para RF, wireless e trabalho de teste e, em seguida, certifique-se de que todos os cabos, conectores, adaptadores e portas do equipamento estejam de acordo. Quando um problema de sinal sobrevive a todas as outras explicações, meça com um refletômetro no domínio do tempo antes de substituir outra câmera.
