Come ridurre la perdita di segnale con i cavi coassiali?

Quali sono le cause della perdita di segnale nei cavi coassiali?

Perdite dielettriche e conduttive: dissipazione di energia nel nucleo del cavo e nell’isolamento

Quando i segnali viaggiano attraverso cavi coassiali, iniziano a perdere intensità a causa di meccanismi fondamentali di perdita energetica. Il conduttore centrale del cavo dissipa effettivamente parte della potenza poiché gli elettroni si scontrano tra loro nella struttura metallica. Questo fenomeno peggiora alle frequenze più elevate, quando la maggior parte della corrente fluisce soltanto nella zona prossima alla superficie esterna del conduttore, anziché attraverso l’intero spessore del materiale. Allo stesso tempo, anche l’isolante plastico posto tra i conduttori gioca un ruolo rilevante: assorbe parte delle onde elettromagnetiche che lo attraversano, trasformandole in calore invece di lasciarle raggiungere la destinazione. Questi due fattori combinati causano generalmente circa i tre quarti di tutta l’attenuazione del segnale nelle comuni configurazioni di cavo. È per questo motivo che tratti lunghi di cavo coassiale possono talvolta provocare una ricezione più debole o connessioni di qualità inferiore.

Attenuazione dipendente dalla frequenza: perché le frequenze radio più elevate aumentano le perdite nei cavi coassiali

L'entità della perdita di segnale aumenta notevolmente all'aumentare della frequenza, a causa del comportamento delle onde elettromagnetiche. Analizzando frequenze superiori a 100 MHz, ogni volta che la frequenza raddoppia si registra un aumento di circa il 30% della perdita di segnale nei cavi RG-6. Ciò avviene principalmente perché gli elettroni tendono a muoversi più vicino alla superficie del conduttore (effetto pelle) e il materiale isolante reagisce in misura maggiore ai campi elettrici variabili. Prendiamo ad esempio un cavo RG-6 standard lungo 100 piedi: a 1 GHz perde circa 6,5 dB di potenza del segnale, mentre a 50 MHz la perdita è di soli circa 1,2 dB. Date queste differenze, la scelta del cavo appropriato diventa estremamente importante nell’ambito di reti moderne ad alta velocità, come le installazioni 5G o i servizi Internet DOCSIS 3.1, dove anche piccole perdite possono influenzare in modo significativo le prestazioni.

Squilibrio di impedenza e riflessioni: Come il rapporto d'onda stazionaria di tensione (VSWR) compromette l'integrità del segnale nei cavi coassiali

Una discrepanza tra l'impedenza del cavo coassiale (solitamente intorno a 50 ohm o 75 ohm) e quella del dispositivo collegato alle sue estremità provoca quelle fastidiose riflessioni del segnale che tutti detestiamo. Cosa accade successivamente? Questi segnali riflessi interferiscono con il segnale principale in transito, generando così delle onde stazionarie che gli ingegneri misurano mediante una grandezza chiamata Rapporto di Onde Stazionarie di Tensione, o VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) per brevità. Quando tale rapporto supera circa 1,5:1, i problemi iniziano a manifestarsi rapidamente: la qualità del segnale diminuisce di circa 3 decibel e l’apparecchiatura potrebbe smettere di funzionare correttamente in modo intermittente. Perché ciò accade? In genere sono diversi i fattori responsabili: connettori non crimpati correttamente durante l’installazione, connessioni che nel tempo hanno iniziato a ossidarsi o corrodersi, e cavi piegati eccessivamente in qualche punto del loro percorso. La parte peggiore? Queste riflessioni non rimangono passive: peggiorano effettivamente le perdite normali del cavo, cosicché, anziché ottenere una trasmissione di potenza completa, i sistemi potrebbero trasferire soltanto circa il 60% della potenza prevista quando impedenze e componenti sono perfettamente adattati.

Fattori fisici e di installazione che amplificano le perdite nei cavi coassiali

Lunghezza del cavo e attenuazione: calcolo della perdita in dB per piede per i tipi più comuni di cavo coassiale

L'attenuazione del segnale è direttamente proporzionale alla lunghezza del cavo a causa della resistenza del conduttore e dell'assorbimento dielettrico. Tratti più lunghi amplificano la perdita di energia, trasformando i segnali RF in calore. Ad esempio:

• RG-6 perde circa 0,25 dB/piede a 750 MHz
• LMR-400 mantiene 0,11 dB/piede a 1 GHz
  Questa relazione esponenziale richiede calcoli precisi prima dell'installazione: consultare sempre le tabelle di attenuazione fornite dal produttore per la gamma di frequenze di interesse.

Curvatura, schiacciamento e danneggiamento dello schermo: minacce invisibili alle prestazioni del cavo coassiale

Lo stress meccanico subito durante l'installazione degrada le prestazioni in modi spesso trascurati:

• Curve acute superare il raggio di curvatura minimo deforma la geometria del dielettrico, aumentando la mancata corrispondenza di impedenza
• Schermatura compressa riduce l’efficacia di schermatura contro le interferenze fino al 40%
• Conduttori piegati a spigolo creano punti localizzati di riflessione
  L’ingresso di umidità attraverso la guaina danneggiata accelera l’ossidazione, aumentando la resistenza dei conduttori. Le migliori pratiche prevedono il rispetto di raggi di curvatura superiori a 10 volte il diametro del cavo e l’evitare torsioni durante il posizionamento.

Strategie consolidate per ridurre al minimo la perdita di segnale nei sistemi a cavo coassiale

Scelta di cavi coassiali a bassa perdita: rame vs. CCA, dielettrico espanso vs. dielettrico solido ed efficacia della schermatura

La scelta del giusto cavo coassiale si riduce fondamentalmente all’individuazione del punto ottimale tra l’efficienza di conduzione elettrica, il tipo di materiale dielettrico utilizzato e la qualità della schermatura. Per quanto riguarda i conduttori, il rame massiccio supera nettamente l’alluminio rivestito in rame (CCA) in termini di perdita di segnale: si parla infatti di un’attenuazione ridotta del 20–30%, poiché il rame puro conduce semplicemente meglio lungo tutta la sua struttura. Anche i dielettrici a schiuma fanno una grande differenza: possono ridurre le fastidiose perdite di capacità fino al 40% rispetto al polietilene solido standard, poiché limitano il movimento disordinato degli elettroni all’interno dell’isolamento. Se è presente il rischio di interferenze elettromagnetiche, le configurazioni a quattro strati di schermatura (quad shield), composte da più strati di foglio di alluminio e schermatura intrecciata, rappresentano la soluzione ideale. Queste garantiscono una dispersione del segnale inferiore all’1%, rendendole di fatto lo standard di riferimento nelle applicazioni RF professionali. E non dimenticate neppure la stabilità dell’impedenza: i cavi di alta qualità mantengono un valore compreso entro ±2 ohm su diverse frequenze, assicurando così un segnale pulito e costante, indipendentemente dalla banda di funzionamento.

Selezione precisa di terminazioni e connettori: eliminazione delle discontinuità di impedenza e della corrosione nei collegamenti in cavo coassiale

Utilizzare correttamente i connettori evita la maggior parte di quelle fastidiose riflessioni d’impedenza che alterano le misurazioni del rapporto d’onda stazionaria di tensione (VSWR). I connettori a compressione mantengono un allineamento preciso entro circa mezzo millimetro quando installati correttamente, contribuendo così a preservare l’impedenza di 50 o 75 ohm lungo l’intera catena di collegamenti. La placcatura in oro sulle superfici di contatto è altrettanto importante, poiché contrasta efficacemente l’ossidazione, problema particolarmente grave nelle zone umide, dove la resistenza tende ad aumentare ogni anno del 15–20%, secondo alcuni studi. Per installazioni esposte a condizioni severe o all’aperto, è consigliabile optare per connettori in acciaio inossidabile dotati di guarnizioni con grado di protezione IP68, in quanto impediscono l’ingresso dell’acqua, causa frequente di quei frustranti malfunzionamenti intermittenti che tutti detestiamo. Prima di completare qualsiasi progetto, conviene verificare la qualità delle terminazioni mediante strumenti di test TDR (Time Domain Reflectometry): questi rilevano difetti microscopici a livello di micron, che altrimenti potrebbero causare problemi ben più gravi una volta che l’intero sistema sarà stato definitivamente messo in servizio.