En la actualidad, ingenieros y técnicos se enfrentan a numerosos desafíos a la hora de probar cables sobre el terreno. Keysight Technologies ha presentado recientemente dos innovadoras opciones de medida que convierten a los analizadores de mano FieldFox en la solución de prueba de cables más completa y eficaz del mercado para responder a estos retos.

Desafíos comunes en las pruebas de cables
Los cables (guiaondas, coaxiales o de par trenzado, por ejemplo) son, con mucho, los componentes más utilizados en los modernos sistemas de RF y microondas, como las comunicaciones móviles y de datos, por satélite o por radar. También son la principal causa de fallo en estos tipos de sistemas. Por eso, un buen mantenimiento y el uso de la herramienta adecuada a la hora de probarlos resultan fundamentales.

El proceso de prueba de cables típico comienza por determinar si un cable está defectuoso o si sus prestaciones están fuera de la especificación deseada. En tal caso, es necesario localizar el lugar físico del fallo a lo largo del cable. Una vez determinada esta ubicación, debemos entender cuál es el error y repararlo. Durante el mantenimiento y la solución de problemas, los ingenieros y los técnicos pueden identificar la ubicación de un error gracias a los métodos de pérdidas de retorno (RL) y distancia a fallo (DTF), pero no serán capaces de determinar la causa o el tipo de fallo, por lo que será difícil su reparación. En muchos casos, los problemas (por ejemplo, conectores sueltos o dañados, penetración de agua o puntos de soldadura rotos) no pueden identificarse con solo mirar el cable.

Otra dificultad es que, hasta ahora, para medir el rendimiento de un cable, los ingenieros y los técnicos han tenido que llevar sobre el terreno un analizador de antenas y cables, un analizador de redes, un generador de señales y un medidor de potencia. Y cuando los cables se utilizan en sistemas situados en lugares de difícil acceso o entornos peligrosos, el proceso resulta aún más complicado. Una vez en el lugar, los instrumentos tienen que configurarse adecuadamente para realizar las pruebas. A pesar de su eficacia, este proceso puede dar lugar a errores y los instrumentos pueden sufrir accidentes.

Para complicar aún más las cosas, tengamos en cuenta que los analizadores vectoriales de redes (VNA) tienen dificultades para realizar in situ medidas precisas y repetibles de pérdidas altas en cables de microondas cuyos puertos de pruebas están muy alejados.

Medidas de cable más sencillas con el paquete para pruebas mejorado de FieldFox
La nueva opción de medida de cables por reflectometría en el dominio del tiempo (TDR) de FieldFox (opción 215) complementa las actuales medidas de RL y DTF del analizador. La capacidad de medida de RL identifica cualquier desadaptación en las conexiones de cables, mientras que el método de DTF muestra la ubicación de los fallos o las conexiones erróneas en el cable. La nueva opción de TDR permite a los ingenieros obtener más datos para medir los cambios de impedancia a lo largo del cable e identificar la causa (tipo) de los fallos concretos, ya sean cortocircuitos, circuitos abiertos o penetración de agua. Hasta el momento, FieldFox es el único analizador que permite realizar medidas de RL, DTF y TDR con un solo instrumento.

La medida de TDR o por pasos de FieldFox emplea el mismo proceso para capturar datos que la opción de DTF. No obstante, a diferencia del método de DTF, esta medida sirve para caracterizar el tipo de fallo, incluyendo discontinuidades inductivas o capacitivas. Para ello, observa las formas de onda reflejadas desde un paso que se propaga a través del cable. Al analizar la duración, la magnitud y la forma de las reflexiones, es posible determinar la variación de la impedancia en el cable. El modo de medida de TDR de FieldFox solo resulta útil para cables que funcionen en DC (por ejemplo, líneas de transmisión de dos conductores).

Para medir guiaondas, FieldFox emplea una técnica de transformada en el dominio del tiempo con paso de banda. Esto se debe a la respuesta de banda estrecha del guiaondas, que limita el tipo de medidas en el dominio del tiempo que pueden realizarse. La medida de paso de banda resulta ideal para instrumentos bajo prueba con una frecuencia limitada; sin embargo, solo ofrece la ubicación del fallo. No es posible determinar si la discontinuidad es inductiva, capacitiva o resistiva.

Otra opción nueva de FieldFox, el análisis de transmisión de rango ampliado (ERTA, opción 209), permite superar los problemas de medir largos cables de microondas sobre el terreno. Esta solución portátil mide in situ las pérdidas de inserción escalares de los cables de microondas con grandes distancias entre los puertos de pruebas y permite acceder a ambos extremos del cable o del guiaondas al mismo tiempo.

Utilizar un analizador escalar como fuente de señales con un sensor de potencia o un detector de banda ancha para medir las pérdidas de cable también puede ser un proceso lento y con tendencia a las interferencias externas; además, no ofrece altos niveles de rango dinámico. Por otro lado, implantar una solución de banco de trabajo sobre el terreno no es recomendable por su gran tamaño y coste.

Con la opción de ERTA, se implementan dos analizadores FieldFox, uno en cada extremo del cable medido. Uno funciona como fuente y otro como receptor, y sus pasos se sincronizan mediante disparo por hardware. Aprovechando la técnica de análisis de espectros InstAlign exclusiva de Keysight, los ingenieros y los técnicos pueden utilizar esta configuración para realizar medidas de pérdidas de cable muy precisas sin calibración ni calentamiento (Figura 1). También ofrece el mejor rango dinámico del sector, lo que permite realizar medidas de cables largos y con pérdidas. Además, esta opción puede configurarse con offset de frecuencia para medir dispositivos como mezcladores y convertidores.

FieldFox: el paquete para pruebas de mano más completo
Además de las nuevas opciones de TDR y ERTA de FieldFox, el analizador ofrece varias medidas adicionales; este conjunto lo convierte en el paquete para pruebas más completo en un instrumento de mano (Figura 2). Estas medidas adicionales incluyen:
•    RL, VSWR y DTF para subsistemas de cables de banda ancha y paso de banda
•    Parámetros S, retardo de grupo, fase, carta de Smith y análisis en el dominio del tiempo
•    Pérdida/ganancia de conversión en el convertidor de frecuencia
•    Modo mixto, parámetros S de 1 puerto y análisis en el dominio del tiempo

Ejemplos prácticos
Para comprender mejor cómo ayudan las técnicas de medida en el dominio del tiempo de FieldFox a identificar el lugar y la causa de los fallos en los cables, tomemos el ejemplo de dos cables coaxiales cortos de 50 ohmios conectados entre sí con un adaptador coaxial. El cable más corto está conectado al puerto 1 en FieldFox, mientras que el segundo termina con una carga de 50 ohmios. Como se muestra en la Figura 3, una medida de DTF de los cables resulta muy útil para localizar discontinuidades.

Observe que los marcadores se sitúan en los tres picos de la respuesta de DTF medida. Los picos representan la magnitud de cada reflexión a partir de la discontinuidad. El marcador 1, que representa la interfaz entre el instrumento FieldFox calibrado y el primer cable coaxial, indica una distancia de 0 metros. El marcador 2, situado en el adaptador entre los dos cables, registra una distancia de 4 metros. Esto también indica que la longitud del primer cable es de 4 metros. El marcador 3, ubicado en la carga de 50 ohmios, muestra una distancia de 13,8 metros. Con estos datos podemos calcular la longitud del segundo cable (13,8 m – 4 m = 9,8 m). La caída observable en la amplitud medida a la derecha de la carga de 50 ohmios indica el final del cable. Como esta medida de reflexión representa rutas de señal de dos sentidos, FieldFox adapta los valores de los marcadores y el formato del eje x a las longitudes de un sentido apropiadas.

 
Consideremos ahora un cable coaxial con daños en dos áreas (Figuras 4A y 4B). El fallo A es un pliegue en el cable que ha excedido el radio de flexión mínimo de 1 pulgada especificado por el fabricante. En el fallo A, el cable se ha doblado mucho más allá del radio admisible, por lo que esta parte del cable crea una reflexión indeseada. El fallo B es un corte en el conductor externo del cable. Parte del apantallamiento trenzado ha desaparecido, lo que ha dejado expuesto el material dieléctrico interno del cable coaxial. Ambos fallos pueden examinarse con los modos de DTF y TDR de FieldFox, pero solo la medida de TDR será capaz de caracterizar el tipo de fallo.

La Figura 4C muestra la medida del cable dañado con FieldFox en modo de TDR. Como podemos ver por la respuesta del método de TDR, la impedancia del cable suele ser de 50 ohmios en casi toda la respuesta en el dominio del tiempo, hasta que aparece una discontinuidad. Las discontinuidades se producen en el conector de entrada, el pliegue del fallo A, el corte del fallo B y la terminación de 50 ohmios al final.

De todas las discontinuidades del cable, el corte que indica el fallo B presenta la mayor desadaptación, lo que puede apreciarse por la magnitud del pico correspondiente. El corte en la respuesta de la TDR presenta un único pico en sentido positivo, lo que implica una desadaptación inductiva. Esto es común en caso de cortes del conductor exterior en un cable coaxial. En general, si el cable termina en una carga con una resistencia inferior a la impedancia característica, la respuesta de la TDR mostrará un paso en sentido negativo. Si la resistencia de carga fuera mayor que la impedancia característica, la respuesta de la TDR mostraría un paso en sentido positivo.  

 
 
Figura 4. Las imágenes superior izquierda (A) y superior derecha (B) muestran daños en un cable coaxial. La imagen inferior (2C) se obtiene al medir el cable dañado utilizando la opción de TDR de FieldFox. FieldFox puede identificar varios tipos de discontinuidades en el modo de TDR, entre los que se incluyen: R > Z0, R < Z0, inductiva y capacitiva.

Resumen
Las medidas de cable sobre el terreno pueden resultar complicadas. Determinar si un cable está defectuoso no es más que el primer paso del proceso. A continuación, ingenieros y técnicos tienen que identificar la ubicación física y la causa del fallo. Para ello pueden emplearse distintas técnicas en el dominio del tiempo. El completo conjunto de medidas para probar cables de FieldFox, que incluye las nuevas opciones de TDR y ERTA, es la solución ideal para probar cualquier sistema de cables sobre el terreno. Las medidas en el dominio del tiempo de TDR y DTF de FieldFox localizan el lugar y las causas de los fallos en cables coaxiales, mientras que la medida de paso de banda detecta la ubicación física de los fallos en guiaondas. Con FieldFox, los ingenieros y los técnicos disponen en la actualidad de una forma más rápida y sencilla de probar cables sobre el terreno.

Para obtener más información sobre las técnicas del modelo de líneas de transmisión o de medida en el dominio del tiempo, vea nuestro webcast sobre pruebas de cables de Keysight en www.keyight.com/find.fieldfoxwebcasts y la nota de aplicación sobre pruebas de cables con FieldFox www.keysight.com/find/fieldfoxapps.

Tom Hoppin, Keysight Technologies, Inc.*
*Keysight Technologies Inc., anteriormente el negocio de medida electrónica de Agilent Technologies

Acerca del autor
Tom Hoppin es consultor de aplicaciones de Keysight Technologies. Tom comenzó su carrera como técnico de aviónica en el Cuerpo de Marines de los Estados Unidos. Entró en Hewlett-Packard en 1973, una vez finalizado su servicio en el ejército. A lo largo de los años ha desempeñado distintos puestos de ingeniería y gestión en HP, en Agilent y ahora en Keysight, centrándose en el diseño de sistemas de pruebas y el análisis de espectros. Tom se retiró en 2009. No obstante, ha regresado a Keysight como especialista de aplicaciones para sus analizadores de mano de RF y microondas.