Como medir a perda em cabos

Visão geral da medição de perda em cabos

Todos os cabos coaxiais atenuam os sinais de radiofrequência que passam por eles, e essa atenuação é comumente chamada de «perda em cabos» ou «perda por inserção».

A perda em cabos ocorre em função do comprimento do cabo e da frequência do sinal que passa pelo cabo. À medida que o sinal percorre o cabo, parte de sua energia é absorvida devido a perdas dielétricas e resistivas. Além disso, as descontinuidades causadas pelos conectores dos cabos, curvas ou danos podem refletir parte da energia de volta para a fonte, aumentando ainda mais a perda medida. No geral, a perda em cabos aumenta linearmente com o comprimento (dobrar o comprimento resulta no dobro da perda). No entanto, a relação entre a perda no cabo e a frequência é mais complexa e não é puramente linear; frequências mais altas tendem a apresentar perdas maiores.

A perda é uma especificação importante fornecida pelos fabricantes de cabos e geralmente é expressa em decibéis (dB) por metro ou pés. A natureza variável em função da frequência dessa perda geralmente é representada por meio de tabelas ou gráficos, e entender o quanto de energia se perde no cabo é importante para várias aplicações de RF.

No entanto, apesar das especificações fornecidas pelo fabricante, talvez ainda seja necessário medir a perda real no cabo, especialmente quando o tipo de cabo é desconhecido ou quando fatores como conectorização ou desgaste afetam o desempenho. A ferramenta mais comum para medir a perda em cabos é um analisador de redes vetoriais (VNA).

Medição da perda em cabos com um VNA

Há duas maneiras de medir a perda em cabos com um VNA:

Medição de uma porta no cabo (S11 ou medição de reflexão)

• Configuração: conecte uma extremidade do cabo ao VNA, deixando a outra extremidade em circuito aberto ou em curto-circuito.
• Processo: o VNA injeta um sinal no cabo. O sinal passa pelo cabo, é refletido na extremidade em circuito aberto ou em curto-circuito e volta pelo cabo até o VNA.
• Cálculo: o VNA compara a potência refletida com a potência transmitida para calcular a perda no cabo. Como o sinal percorre o dobro da distância do cabo (até a extremidade em circuito aberto ou em curto-circuito e vice-versa), a perda medida é contabilizada pela atenuação total de ida e volta.
• Vantagem: esse método permite medir a perda por inserção no cabo em apenas uma extremidade, eliminando a necessidade de cabos de teste de campo de alta qualidade e muito longos.

Medição de duas portas (S21 ou medição de transmissão)

• Configuração: conecte as duas extremidades do cabo ao VNA.
• Processo: uma porta do VNA envia um sinal de varredura através do cabo, enquanto a outra porta mede a magnitude do sinal na extremidade oposta.
• Vantagens: esse método é preferível para cabos com alta perda ou quando ambas as extremidades são acessíveis.

Para medições de uma porta da perda em cabos, uma fonte ou gerador de varredura é usado para injetar um sinal em um cabo. A frequência desse sinal é varrida em uma faixa definida pelo usuário. A extremidade mais distante do cabo é deixada em circuito aberto ou é terminada com um curto-circuito. Em ambos os casos, um sinal que chega à extremidade do cabo será refletido de volta para a porta de origem.

Na porta de origem, a quantidade de potência refletida é comparada com a potência transmitida conhecida. A perda no cabo em dB é a atenuação total ou de «ida e volta» dividida por dois. Como mencionado acima, a perda total no cabo é em função da frequência do sinal e do comprimento do cabo.

Antes de iniciar a medição, você deve configurar o VNA. Isso envolve três grupos principais de configurações:

• Faixa de frequência de varredura: essa é a faixa de frequência na qual o gerador de varredura ou o sinal de estímulo é varrido. Ele deve abranger as frequências para as quais o cabo será usado.
• Número de pontos de medição ao longo do intervalo: aumentar esse número fornecerá mais detalhes, porém mais pontos de frequência também aumentará o tempo necessário para uma única varredura.
• Cálculo da média de várias varreduras: isso pode ser usado para reduzir o ruído e obter um resultado mais preciso e é especialmente útil para cabos com uma perda muito alta. No entanto, o aumento do número de varreduras também aumentará o tempo total de medição.

Após a configuração, você pode conectar o cabo em teste ao VNA de duas maneiras diferentes:

• Diretamente na porta do analisador
• Usando um cabo do dispositivo em teste (DUT) que seja curto e de alta qualidade com fase estável

Por que você desejaria usar um cabo do dispositivo em teste? Bem, um cabo do dispositivo em teste é útil quando o cabo em teste tem um conector de difícil acesso, como quando o cabo termina em um gabinete ou está conectado a uma torre ou mastro. Outro motivo é que um cabo do dispositivo pode reduzir o desgaste e o estresse mecânico na porta do analisador. Você pode remover o efeito do cabo do dispositivo nos resultados da medição durante a calibração.

A calibração é necessária para medições precisas da perda em cabos. Para fazer isso, você conecta sequencialmente um padrão em aberto («open»), um padrão em curto («short») e um padrão em correspondência («match», também chamado de carga ou «load») ao cabo em teste. Esses padrões podem estar na forma de padrões discretos ou podem ser combinados em um «tee de calibração». Além desses padrões conectados manualmente, também é possível usar unidades de calibração eletrônica (autocal); essas unidades alternam seus padrões internos automaticamente e são controladas pelo VNA conectado.

A calibração geralmente é um processo de «seguir as instruções», no qual o VNA indicará quais padrões devem ser conectados, em que ordem e em que momentos. É um processo rápido (geralmente de apenas alguns minutos), e as unidades de calibração automática tendem a ser mais rápidas do que o uso de padrões manuais.

A forma de conectar o padrão de calibração ao VNA depende de como você conectará o cabo em teste ao VNA. Ou seja, se você conectar o cabo em teste diretamente ao VNA, os padrões de calibração também deverão ser conectados diretamente à porta. Se você usar um cabo do dispositivo em teste (DUT), os padrões de calibração também deverão ser conectados à extremidade do cabo do dispositivo.

Vamos dar uma olhada em um exemplo de resultado da medição de uma porta da perda em um cabo. Na imagem abaixo, você pode ver a perda no cabo em função da frequência entre 1 GHz e 5 GHz, com o eixo y mostrando a perda ou atenuação em dB. Esse traço é típico por dois aspectos:

• A atenuação aumenta de acordo com o aumento da frequência.
• O traço tem um padrão ondulado ou «ondulações» causadas pelas reflexões.

Você pode quantificar a perda no cabo calculando a média dos valores mínimo e máximo. Neste exemplo, o valor mínimo é -1,2 dB e o valor máximo é -3,5 dB, portanto, a perda seria de -2,35 dB.

Agora, vamos falar sobre as medições de duas portas. As medições de duas portas são preferíveis às medições de uma porta em dois casos:

• Se há um fácil acesso a ambas as extremidades do cabo.
• Se o cabo tem uma perda muito alta (acima de 20 dB).

Para a maioria das medições de duas portas dos cabos, basta conectar diretamente o cabo em teste a ambas as portas do analisador. Se, no entanto, os cabos do dispositivo em teste (DUT) forem usados para conectar o cabo em teste ao analisador, deverá ser feita uma normalização para remover a influência dos cabos do dispositivo na medição.

A perda no cabo em medições de duas portas ainda é em função da frequência, mas o traço tem menos ondulações do que em medições de uma porta porque ambas as extremidades do cabo são terminadas em sua impedância característica. Embora haja muitos casos em que a conexão de ambas as extremidades de um cabo a um VNA seja impraticável ou inviável, as medições de duas portas da perda em cabos geralmente são preferíveis às medições de perda de cabo de uma porta.