Cómo medir la pérdida de inserción del cableado

Visión general de la medición de la pérdida de inserción del cableado

Todos los cables coaxiales atenúan las señales de RF que pasan a través de ellos y a esta atenuación comúnmente se la conoce como «pérdida de inserción del cableado» o simplemente «pérdida de inserción»

La pérdida de inserción del cableado es una función de la longitud del cable, así como de la frecuencia de la señal que pasa a través de este. A medida que la señal viaja a través del cable, una parte de su energía es absorbida debido a sus pérdidas resistivas y dieléctricas. . Adicionalmente, discontinuidades ocasionadas por los conectores del cable, cables doblados o dañados pueden reflejar parte de la energía que retorna a la fuente, lo que aumenta aún más la pérdida medida. Por lo general, la pérdida de inserción del cableado se incrementa de manera lineal con la longitud, al duplicar la longitud, se duplica la pérdida. Sin embargo, la relación entre la pérdida de inserción del cableado y la frecuencia es más compleja y no puramente lineal; frecuencias más elevadas tienden a experimentar mayores pérdidas.

La pérdida es una especificación importante que los fabricantes proporcionan y a menudo suele expresase en decibelios (dB) por metro o pie. La naturaleza dependiente de la frecuencia de esta pérdida suele representarse por medio de tablas o gráficos para comprender que la cantidad de pérdida de inserción del cableado es importante para diversas aplicaciones de RF.

Sin embargo, a pesar de las especificaciones proporcionadas por los fabricantes, es posible que aún puede que se necesite medir la pérdida de inserción del cableado, especialmente cuando se desconoce el tipo de cable o cuando factores como la conectarización o el desgaste afectan su rendimiento. La herramienta más común para medir la pérdida de inserción del cableado es un analizador de redes vectoriales (VNA).

Mediciones de la pérdida de inserción del cablead con un analizador de redes vectoriales

Existen dos maneras de medir la pérdida de inserción del cableado con un analizador de redes vectoriales:

Mediciones monopuerto de la pérdida de inserción del cableado (S11 o mediciones de reflexión)

• Configuración: conecte un extremo del cable al analizador de redes vectoriales, deje el otro extremo abierto o cortocircuitado.
• Proceso: el analizador de redes vectoriales inyecta una señal en el cable. La señal viaja a través del cable, se refleja en el extremo abierto o cortocircuitado del cable y retorna al analizador.
• Calculo: el analizador de redes vectoriales compara la potencia reflejada con la potencia transmitida para calcular la pérdida de inserción del cableado. Dado que la señal recorre dos veces la distancia del cable (hasta el extremo abierto o cortocircuitado y regresa), la pérdida medida se tiene en cuenta para la atenuación total de ida y vuelta.
• Ventaja: este método permite medir la pérdida de inserción del cableado desde un solo extremo, lo que elimina la necesidad de cables de pruebas de campo extra largos y de alta calidad.

Mediciones bipuerto (S21 o mediciones de transmisión)

• Configuración: conecte ambos extremos del cable al analizador de redes vectoriales.
• Proceso: un puerto del analizador envía una señal de barrido por medio del cable, mientras que el otro puerto mide la magnitud de la señal en el extremo lejano.
• Ventaja: este método se prefiere para cables con elevadas pérdidas o cuando puede accederse a ambos extremos del cable.

Para mediciones monopuerto de pérdida de inserción del cableado ,se utiliza una fuente o un generador de tracking a fin de inyectar una señal a un cable. La frecuencia de esta señal se barre sobre un rango definido por el usuario. El extremo lejano del cable se deja abierto o se termina en un cortocircuito. En ambos casos, una señal que alcanza el extremo del cable se reflejará en el puerto de la fuente.

En el puerto de la fuente, la cantidad de potencia reflejada se compara con la potencia transmitida conocida. La pérdida de inserción del cableado en dB es la atenuación total o de «ida y vuelta» dividida por dos. Como se mencionó anteriormente, la pérdida de inserción del cableado es una función tanto de la longitud del cable, como de la frecuencia de la señal que pasa a través de este.

Antes de empezar la medición, debe configurarse el analizador de redes vectoriales. Esto involucra tres grupos principales de configuración:

• Gama de frecuencias de barrido: es la gama de frecuencias a través de la cual se barre el generador de tracking o la señal de estímulo. Debe abarcar las frecuencias para las que se utilizará el cable.
• Número de puntos de medición en el span: incrementar este número proporcionará un mayor detalle, pero más puntos de frecuencia también incrementarán la cantidad de tiempo que se necesita para un solo barrido.
• Ponderación de múltiples barridos: puede utilizarse para reducir el ruido, así como para obtener resultados más precisos y es de mucha utilidad para cables con pérdidas muy elevadas. Sin embargo, aumentar el número de barridos también incrementará el tiempo de medición general.

Tras la configuración, puede conectarse el cable al analizador de redes vectoriales de dos diferentes maneras:

• Directamente al puerto del analizador
• Por medio de un cable de pruebas corto y de fase estable de alta calidad

¿Por qué debe utilizarse un cable de pruebas? Bien, un cable de pruebas es de mucha utilidad cuando el cable tiene un conector al cual es difícil acceder, como cuando el extremo del cable está cubierto o unido a una torre o mástil. Otra razón es que el cable de pruebas puede reducir el desgaste y el estrés mecánico en el puerto del analizador. Puede eliminarse el efecto de cable de pruebas en los resultados de medición durante la calibración.

La calibración es necesaria para mediciones precisas de la pérdida de inserción del cableado. Para ello, debe conectarse al cable de manera secuencial, un patrón Open, uno Short y uno Match (o Load). Estos patrones pueden estar en forma de patrones discretos o pueden combinarse en un «patrón de calibración en T.» Además de estos patrones conectados manualmente, pueden también utilizarse, unidades de calibración electrónica (autocal); estas unidades conmutan sus patrones internos automáticamente y se controlan con un analizador de redes vectoriales conectado.

La calibración por lo general suele ser un proceso de «seguir instrucciones (prompts)» en el que el analizador de redes vectoriales indicará que patrones deben conectarse, en qué orden y en qué momento. Es un proceso rápido (suele tomar unos pocos minutos), y las unidades de calibración automática tienden a ser más rápidas que si se utiliza patrones manuales.

La manera de conectar el patrón de calibración al analizador de redes vectoriales depende de cómo se vaya a conectar el cable al analizador de redes vectoriales. Es decir, si se conecta el cable al analizador de redes vectoriales directamente, el patrón de calibración debe también conectarse de manera directa al puerto. En caso de que se utilice un cable de pruebas, los patrones de calibración deben conectarse también al extremo de un cable.

Veamos un ejemplo del resultado de una medición monopuerto de pérdida de inserción del cableado. En la siguiente imagen, puede verse la pérdida de inserción del cableado en función de la frecuencia entre 1 GHz y 5 GHz donde el eje x muestra la pérdida o atenuación en dB. Esta traza es típica en dos maneras:

• La atenuación aumenta al aumentar la frecuencia.
• La traza tiene un patrón ondulado o “«rizados» ocasionados por las reflexiones.

La pérdida de inserción del cableado puede cuantificarse al promediar los valores máximo y mínimo. En este ejemplo, el valor mínimo es -1.2 dB y el valor máximo es -3.5 dB, por lo que la pérdida sería -2.35 dB.

Ahora, hablemos sobre mediciones bipuerto. Las mediciones bipuerto se prefieren sobre las mediciones monopuerto en dos casos:

• Hay fácil acceso a ambos extremos del cable.
• El cable tiene una pérdida muy elevada (superior a los 20 dB).

Para la mayoría de mediciones bipuerto de cables, basta con conectar de manera directa el cable a ambos puertos del analizador. Sin embargo, si se utilizan cables de prueba para conectar el cable al analizador, debe realizarse una normalización a fin de eliminar la influencia de los cables de prueba de la medición.

La pérdida de inserción del cableado en las mediciones bipuerto aún es una función de la frecuencia, pero la traza tiene menos rizados que en las mediciones monopuerto ya que ambos extremos del cable están terminados en su impedancia característica. Aunque existen muchos casos en los que conectar ambos extremos de un cable a un analizador de redes vectoriales no es práctico ni factible, por lo general se prefieren las mediciones bipuerto de pérdida de inserción del cableado sobre las mediciones monopuerto.