Problemi comuni nei test dei cavi
I cavi (a guida d'onda, coassiali o a doppino intrecciato, ad esempio) sono di gran lunga i componenti più utilizzati nei moderni sistemi a radiofrequenza e microonde, come le comunicazioni mobili e dati, i satelliti o i radar. Sono anche la principale causa di guasto in questi tipi di sistemi. Pertanto, una corretta manutenzione e l'utilizzo di strumenti di test adeguati sono essenziali.

Il tipico processo di collaudo dei cavi inizia determinando se un cavo è difettoso o se le sue prestazioni non rientrano nelle specifiche desiderate. In questi casi, è necessario individuare il punto fisico del guasto lungo il cavo. Una volta individuata la posizione, il guasto deve essere identificato e riparato. Durante la manutenzione e la risoluzione dei problemi, ingegneri e tecnici possono individuare la posizione di un guasto utilizzando i metodi di perdita di ritorno (RL) e distanza dal guasto (DTF), ma non saranno in grado di determinarne la causa o il tipo, rendendo la riparazione difficile. In molti casi, i problemi (ad esempio, connettori allentati o danneggiati, infiltrazioni d'acqua o punti di saldatura rotti) non possono essere identificati semplicemente ispezionando visivamente il cavo.

Un'ulteriore difficoltà risiede nel fatto che, fino ad ora, per misurare le prestazioni dei cavi, ingegneri e tecnici dovevano portare sul campo un analizzatore di antenne e cavi, un analizzatore di rete, un generatore di segnale e un misuratore di potenza. E quando i cavi vengono utilizzati in sistemi situati in luoghi difficilmente accessibili o in ambienti pericolosi, il processo diventa ancora più complesso. Una volta sul posto, gli strumenti devono essere configurati correttamente per eseguire i test. Nonostante la sua efficacia, questo processo può portare a errori e danneggiare gli strumenti.

A complicare ulteriormente le cose, bisogna considerare che gli analizzatori di rete vettoriali (VNA) faticano a effettuare misurazioni in loco accurate e ripetibili di elevate perdite nei cavi a microonde, le cui porte di prova sono molto distanti tra loro.

Misurazioni dei cavi semplificate grazie al pacchetto di test FieldFox avanzato.
La nuova opzione di misurazione dei cavi FieldFox Time Domain Reflectometry (TDR) (Opzione 215) integra le misurazioni RL e DTF già presenti nell'analizzatore. La funzionalità di misurazione RL identifica eventuali disallineamenti nelle connessioni dei cavi, mentre il metodo DTF individua con precisione la posizione di guasti o connessioni errate all'interno del cavo. La nuova opzione TDR consente ai tecnici di ottenere più dati per misurare le variazioni di impedenza lungo il cavo e identificare la causa (tipologia) di guasti specifici, siano essi cortocircuiti, circuiti aperti o infiltrazioni d'acqua. Ad oggi, FieldFox è l'unico analizzatore che consente di eseguire misurazioni RL, DTF e TDR con un unico strumento.

La misurazione Time-of-Distance (TDR) o a gradino di FieldFox utilizza lo stesso processo di acquisizione dati dell'opzione DTF. Tuttavia, a differenza del metodo DTF, questa misurazione caratterizza il tipo di guasto, incluse le discontinuità induttive o capacitive. Ciò avviene osservando le forme d'onda riflesse da un gradino che si propaga attraverso il cavo. Analizzando la durata, l'ampiezza e la forma delle riflessioni, è possibile determinare la variazione di impedenza nel cavo. La modalità di misurazione TDR di FieldFox è utile solo per cavi alimentati in corrente continua (ad esempio, linee di trasmissione a due conduttori).

Per misurare le guide d'onda, FieldFox utilizza una tecnica di trasformata nel dominio del tempo passa-banda. Ciò è dovuto alla risposta a banda stretta della guida d'onda, che limita i tipi di misurazioni nel dominio del tempo che possono essere eseguite. La misurazione passa-banda è ideale per strumenti in prova con una frequenza limitata; tuttavia, fornisce solo la posizione del guasto. Non è possibile determinare se la discontinuità è induttiva, capacitiva o resistiva.

Un'altra nuova opzione di FieldFox, l'analisi di trasmissione a raggio esteso (ERTA, opzione 209), supera le difficoltà di misurazione di cavi a microonde lunghi sul campo. Questa soluzione portatile misura le perdite di inserzione scalari nei cavi a microonde con grandi distanze tra le porte di prova e consente l'accesso simultaneo a entrambe le estremità del cavo o della guida d'onda.

L'utilizzo di un analizzatore scalare come sorgente di segnale con un sensore di potenza o un rilevatore a banda larga per misurare le perdite del cavo può risultare un processo lento e soggetto a interferenze esterne; inoltre, non offre un'elevata gamma dinamica. D'altro canto, l'impiego di una soluzione da banco sul campo non è consigliato a causa delle sue dimensioni e del suo costo elevati.

Con l'opzione ERTA, vengono impiegati due analizzatori FieldFox, uno a ciascuna estremità del cavo da misurare. Uno funge da sorgente e l'altro da ricevitore, e i loro movimenti sono sincronizzati tramite trigger hardware. Sfruttando l'esclusiva tecnica di analisi spettrale InstAlign di Keysight, ingegneri e tecnici possono utilizzare questa configurazione per eseguire misurazioni di perdita del cavo estremamente precise senza calibrazione o riscaldamento (Figura 1). Offre inoltre una gamma dinamica di prim'ordine, consentendo misurazioni anche su cavi lunghi e con elevate perdite. Inoltre, questa opzione può essere configurata con offset di frequenza per la misurazione di dispositivi quali mixer e convertitori.

FieldFox: il pacchetto di test portatile più completo.
Oltre alle nuove opzioni TDR ed ERTA, l'analizzatore FieldFox offre diverse misurazioni aggiuntive, rendendolo il pacchetto di test più completo in uno strumento portatile (Figura 2). Queste misurazioni aggiuntive includono:
• RL, VSWR e DTF per sottosistemi di cavi a banda larga e passante
• Parametri S, ritardo di gruppo, fase, diagramma di Smith e analisi nel dominio del tempo
• Perdita/guadagno di conversione sul convertitore di frequenza
• Parametri S in modalità mista, a 1 porta e analisi nel dominio del tempo

Esempi pratici
Per comprendere meglio come le tecniche di misurazione nel dominio del tempo di FieldFox aiutino a identificare la posizione e la causa dei guasti dei cavi, prendiamo come esempio due cavi coassiali corti da 50 ohm collegati tra loro tramite un adattatore coassiale. Il cavo più corto è collegato alla porta 1 del FieldFox, mentre il secondo è terminato con un carico da 50 ohm. Come mostrato in Figura 3, una misurazione DTF dei cavi si rivela molto utile per individuare le discontinuità.

Si noti che i marcatori sono posizionati sui tre picchi della risposta DTF misurata. I picchi rappresentano l'ampiezza di ciascuna riflessione dalla discontinuità. Il marcatore 1, che rappresenta l'interfaccia tra lo strumento FieldFox calibrato e il primo cavo coassiale, indica una distanza di 0 metri. Il marcatore 2, situato sull'adattatore tra i due cavi, registra una distanza di 4 metri. Ciò indica anche che la lunghezza del primo cavo è di 4 metri. Il marcatore 3, situato sul carico da 50 ohm, mostra una distanza di 13,8 metri. Da questi dati, possiamo calcolare la lunghezza del secondo cavo (13,8 m – 4 m = 9,8 m). Il calo osservabile nell'ampiezza misurata a destra del carico da 50 ohm indica la fine del cavo. Poiché questa misurazione della riflessione rappresenta percorsi di segnale bidirezionali, FieldFox adatta i valori dei marcatori e il formato dell'asse x alle appropriate lunghezze unidirezionali.

 
Consideriamo ora un cavo coassiale danneggiato in due punti (Figure 4A e 4B). Il guasto A è una curvatura del cavo che ha superato il raggio di curvatura minimo di 2,5 cm (1 pollice) specificato dal produttore. Nel guasto A, il cavo è stato piegato ben oltre il raggio consentito, quindi questa porzione di cavo crea una riflessione indesiderata. Il guasto B è un taglio nel conduttore esterno del cavo. Parte della schermatura a treccia è andata persa, esponendo il materiale dielettrico interno del cavo coassiale. Entrambi i guasti possono essere esaminati utilizzando le modalità DTF e TDR di FieldFox, ma solo la misurazione TDR sarà in grado di caratterizzare il tipo di guasto.

La Figura 4C mostra la misurazione del cavo danneggiato utilizzando FieldFox in modalità TDR. Come si può notare dalla risposta TDR, l'impedenza del cavo è tipicamente di 50 ohm per la maggior parte della risposta nel dominio del tempo, fino alla comparsa di una discontinuità. Le discontinuità si verificano in corrispondenza del connettore di ingresso, della piega del guasto A, del taglio del guasto B e della terminazione a 50 ohm all'estremità.

Tra tutte le discontinuità del cavo, l'interruzione che indica il guasto B presenta la maggiore discrepanza, come si può notare dall'ampiezza del picco corrispondente. L'interruzione nella risposta TDR mostra un singolo picco in direzione positiva, il che implica una discrepanza induttiva. Questo è comune nei casi di interruzioni nel conduttore esterno di un cavo coassiale. In generale, se il cavo termina con un carico con una resistenza inferiore all'impedenza caratteristica, la risposta TDR mostrerà un gradino in direzione negativa. Se la resistenza di carico fosse maggiore dell'impedenza caratteristica, la risposta TDR mostrerebbe un gradino in direzione positiva.  

 
 
Figura 4. Le immagini in alto a sinistra (A) e in alto a destra (B) mostrano un danno a un cavo coassiale. L'immagine in basso (2C) è ottenuta misurando il cavo danneggiato utilizzando l'opzione FieldFox TDR. FieldFox è in grado di identificare diversi tipi di discontinuità in modalità TDR, tra cui: R > Z0, R < Z0, induttiva e capacitiva.

In sintesi:
il collaudo dei cavi sul campo può essere complesso. Determinare se un cavo è difettoso è solo il primo passo. Successivamente, ingegneri e tecnici devono identificare la posizione fisica e la causa del guasto. A tale scopo è possibile utilizzare diverse tecniche nel dominio del tempo. La suite completa di funzionalità di test dei cavi di FieldFox, incluse le nuove opzioni TDR ed ERTA, è la soluzione ideale per testare qualsiasi sistema di cavi sul campo. Le misurazioni nel dominio del tempo TDR e DTF di FieldFox individuano con precisione la posizione e le cause dei guasti nei cavi coassiali, mentre la misurazione in banda passante rileva la posizione fisica dei guasti nelle guide d'onda. Con FieldFox, ingegneri e tecnici dispongono ora di un metodo più rapido e semplice per testare i cavi sul campo.

Per ulteriori informazioni sulla modellazione delle linee di trasmissione o sulle tecniche di misurazione nel dominio del tempo, consultare il webcast di Keysight sui test dei cavi all'indirizzo www.keysight.com/find.fieldfoxwebcasts e la nota applicativa di FieldFox sui test dei cavi all'indirizzo www.keysight.com/find/fieldfoxapps.

Tom Hoppin, Keysight Technologies, Inc.*
*Keysight Technologies Inc., precedentemente divisione di misurazione elettronica di Agilent Technologies

Informazioni sull'autore:
Tom Hoppin è un consulente applicativo presso Keysight Technologies. Tom ha iniziato la sua carriera come tecnico avionico nel Corpo dei Marines degli Stati Uniti. Dopo il servizio militare, è entrato in Hewlett-Packard nel 1973. Nel corso degli anni, ha ricoperto diverse posizioni ingegneristiche e manageriali presso HP, Agilent e ora Keysight, concentrandosi sulla progettazione di sistemi di test e sull'analisi dello spettro. Tom è andato in pensione nel 2009, ma è tornato a Keysight come specialista di applicazioni per i suoi analizzatori RF e a microonde portatili.