Misura dell'impedenza dei cavi

Impedenza dei cavi coassiali

Un cavo coassiale, comunemente chiamato “coassiale”, è costituito da tre componenti principali:

• Conduttore interno: il filo centrale che trasporta il segnale.
• Isolante dielettrico: strato di materiale isolante che circonda il conduttore interno.
• Schermo conduttore esterno: schermo metallico che racchiude lo strato dielettrico e funge da percorso di ritorno per il segnale e da protezione contro le interferenze elettromagnetiche esterne.

Queste parti sono solitamente coperte da un ulteriore strato di isolamento in plastica. L'impedenza caratteristica di un cavo coassiale è in funzione dei diametri dei conduttori interni ed esterni e della costante dielettrica del materiale isolante che li separa. La maggior parte dei cavi coassiali è progettata per offrire impedenze caratteristiche di 50 o 75 Ohm. L'impedenza è spesso stampata sulla guaina esterna del cavo, ma quando questa informazione manca, si può utilizzare un VNA per misurarla.

Utilizzo di un VNA per misurare l'impedenza caratteristica di un cavo coassiale

Un VNA può misurare l'impedenza caratteristica di un cavo coassiale utilizzando il principio del trasformatore di impedenza a quarto d'onda. Un trasformatore di impedenza a un quarto d'onda è una linea di trasmissione lunga un quarto d'onda e terminata con un'impedenza conosciuta, ZL. L'impedenza caratteristica, Z0, può essere calcolata dal valore conosciuto di ZL e dall'impedenza di ingresso, Zin, misurata con il VNA.

Il processo di misura può essere suddiviso in quattro fasi:

• Calibrazione del VNA: eseguire una calibrazione open-short-match (OSM) sul VNA. Sebbene questo passaggio possa migliorare ulteriormente l'accuratezza, potrebbe anche non essere necessario nel momento in cui l'obiettivo sia semplicemente quello di determinare se l'impedenza del cavo è di 50 o 75 Ohm.
• Collegamento del cavo: collegare il cavo coassiale al VNA e terminarlo con un carico di 50 Ohm.
• Esecuzione di una misura S11: Configurare ed eseguire una misura di riflessione (S11) sul VNA. Le frequenze di avvio e di arresto della scansione devono essere impostate in modo appropriato.
• Interpretazione dei risultati con la carta di Smith: Tracciare i risultati della misura su una carta di Smith per determinare l'impedenza. Se l'impedenza del cavo e del carico è di 50 Ohm, la carta di Smith mostrerà, nel punto centrale, un punto o un piccolo cerchio. Se le impedenze del cavo e del carico differiscono, la traccia formerà cerchi parziali o multipli.

Impostazione delle frequenze di scansione corrette

Per misurare con precisione l'impedenza, le frequenze di scansione devono essere configurate correttamente:

• La frequenza di avvio deve essere bassa, in genere 100 kHz o inferiore.
• La frequenza di arresto deve essere impostata in modo tale che la traccia attraversi l'asse resistivo esattamente una volta. La frequenza di arresto ideale (in MHz) può essere stimata dividendo 75 per la lunghezza approssimativa del cavo (in metri). Questa stima si basa sul quarto di lunghezza d'onda della velocità del segnale all'interno del cavo.

A causa della minore velocità di propagazione dei segnali nei cavi rispetto al vuoto, la frequenza di arresto calcolata potrebbe causare un leggero sforamento sulla carta di Smith. Questo, tuttavia, può ancora dare risultati accettabili.

Determinazione dell'impedenza del cavo

Una volta ottenuta una traccia “ideale”, utilizzare un pennarello per individuare il punto in cui la traccia attraversa l'asse resistivo. Questo valore rappresenta l'impedenza di ingresso, Z_in. Anche se un punto della traccia non cade esattamente sull'asse resistivo, l'utilizzo del punto più vicino può comunque fornire risultati accurati. Infine, calcolare l'impedenza caratteristica del cavo utilizzando il valore misurato di Z_in e l'impedenza di carico nota, Z_L.