Los entornos en los que los cables de microondas están siendo utilizados hoy en día son cada vez más complicados con exposición a condiciones tales como temperaturas extremas, productos químicos, abrasión y flexiones.
Desafíos adicionales incluyen la necesidad de formatos más pequeños y más ligeros para que los sistemas de cable duren más tiempo y sean más baratos. Para garantizar la integridad de la señal y la fiabilidad del producto, es esencial identificar las limitaciones eléctricas, mecánicas, ambientales y específicas de cada aplicación que pueden afectar el rendimiento general del cable.
Estas variables tienen un impacto directo en los materiales utilizados para el dieléctrico y el revestimiento del cable, así como la construcción del cable.

Además, las pruebas y análisis de datos son fundamentales para asegurar que el cable, llevará a cabo un rendimiento fiable en un entorno específico.

Identificación de las limitaciones
Las influencias ambientales están teniendo un mayor impacto en los montajes de cables de RF/microondas. El rendimiento eléctrico es, probablemente, la primera y más importante consideración, y muchos factores pueden comprometer la integridad de la señal, tales como las interferencias electromagnéticas internas y externas (EMI), la ROE, y la pérdida de inserción. El rendimiento eléctrico suele ser muy fiable cuando no hay otros factores ambientales implicados; sin embargo, cuando se añade un estrés mecánico, medioambiental, o de una aplicación específica, mantener un rendimiento eléctrico fiable puede ser más difícil.

El estrés mecánico se produce cuando los cables están expuestos a diversos tipos de movimiento. La flexión crea energía cinética en el cable, que puede causar graves daños si no se gestionan adecuadamente. Una de las mayores causas de estrés mecánico en los cables se produce cuando el cable es parte del equipo a cargo de una persona. Un operador puede curvar, pellizcar o aplastar un cable pisándolo o enrollándolo.

Por lo tanto, la resistencia a la tracción y aplastamiento es esencial en la superación de cuestiones de estrés mecánico. Además, los cables utilizados con un equipo portátil pueden entrar en contacto con superficies afiladas que pueden cortar los cables o someterlos a abrasión. Cuando se añade la complejidad de compensar la vibración o la gravedad, el estrés mecánico puede comprometer significativamente la estabilidad y causar un fallo prematuro del cable.

Resultados del estrés ambiental en la zona física en la que se utilizan los cables:

-    Temperaturas y presiones extremas afectan a los materiales del cable. Las bajas temperaturas los hacen frágiles, y las altas temperaturas los hacen muy delicados.
-    El vertido o goteo de aceites y aditivos de un cable, contaminando una sala limpia en un proceso de fabricación, mientras que la presión hidrostática hace que gases o líquidos impregnen la cubierta de cable. La radiación puede dañar los materiales dieléctricos y la cubierta del cable dependiendo del tipo y nivel de dosis. La fricción resultante de mover un cable puede poner en peligro las cubiertas del cable, causando formación de partículas, mientras que los contaminantes tales como el barro, productos químicos o partículas de metal pueden dañar el revestimiento del cable. El estrés ambiental puede comprometer significativamente los materiales dieléctricos y la cubierta del cable, por lo que estas cuestiones deben ser tenidas en cuenta al diseñar un cable ensamblado.

Resultados del estrés específico de una aplicación por las limitaciones que son exclusivas de la aplicación en la que el cable será utilizado:

En aplicaciones aeroespaciales, los cables necesitan ser lo más pequeños y ligeros posibles, a fin de reducir al mínimo la masa durante el despegue. Si los cables son utilizados por los técnicos u otro personal, las cuestiones de seguridad tales como la inflamabilidad, tensión, y el uso de halógenos son factores a tener en cuenta.
Una de las complejidades del diseño de montajes de cable es que el rendimiento eléctrico, mecánico, y medioambiental está interrelacionado. Cada uno tiene un impacto directo en el otro, de modo que el diseño debe ser probado a fondo en la aplicación específica.

Elección de los materiales correctos
Garantizar la estabilidad de una alta calidad de señal significa evaluar los materiales dieléctricos y de recubrimiento para atributos a tener cuenta en  elementos agresivos de la aplicación. Los materiales dieléctricos utilizados en los cables de señalización afectan a la integridad de la señal, así como a la robustez del cable. El material utilizado en una cubierta exterior afecta  al máximo voltaje y a la resistencia a la abrasión. Los materiales de cubierta  deben superar la mayoría de los factores externos (por ejemplo, la temperatura, fricción, líquidos y gases) para proteger a los conductores dentro del cable. La lista de posibles materiales utilizados en el dieléctrico del cable y el revestimiento es muy larga, y muchos de ellos han sido de-sarrollados para aplicaciones específicas. Ya que cada material tiene propiedades únicas, algunos son más apropiados que otros para su uso en cables  de microondas diseñados para entornos exigentes.

Silicona
La silicona se utiliza principalmente como un revestimiento del cable y es muy flexible incluso a bajas temperaturas, Tabla 1. Sin embargo, se corta fácilmente, y su superficie pegajosa presenta un alto coeficiente de fricción, por lo que no es buena para los entornos de salas limpias.

La resistencia a la tracción y a la rotura de la silicona es baja, por lo tanto, necesita ser más gruesa en comparación con otros materiales de recubrimiento. Existen algunos tratamientos superficiales para reducir el coeficiente de fricción, pero estos tienden a desaparecer con el tiempo. La silicona tiene muy buena resistencia a la radiación, pero los grados de silicona utilizados para cubrir los cables son conocidos por su desgasificación de aceite de silicona en aplicaciones de vertido tales como una cámara de vacío térmico. Si el peso es un problema, la silicona no es la elección óptima.

Si la flexibilidad es importante y el peso no es un factor a tener en cuenta, la silicona es una buena opción. Sin embargo, se necesita un esfuerzo mayor para acceder a los conductores, que se traduce en mayores costos para la terminación.

Poliuretano
El poliuretano es un buen material de cubierta, pero no se utiliza como un material dieléctrico porque la tensión de rigidez dieléctrica es baja en comparación con otros materiales, Tabla 2. Hay disponibles libres de halógenos. Mecánicamente,  el poliuretano es flexible y muy resistente al corte y abrasión. El tratamiento de resistencia a la inflamación no reduce la flexibilidad, sin embargo, los tipos más flexibles tienden a ser pegajosos o viscosos, lo que se traduce en un mayor coeficiente de fricción. En cuanto al medio ambiente, el poliuretano es resistente a los disolventes, a los rayos ultravioleta, a la radiación y a los hongos. El poliuretano no tiene un rango muy amplio de temperatura, se vuelve frágil alrededor de los -40 ºC y su límite de temperatura máxima está alrededor de los 100 ºC. Además, no puede soportar los productos químicos usados para limpieza.

Polietileno
El polietileno es más apropiado como dieléctrico para los conductores, ya que las cubiertas de polietileno tienden a ser rígidas, lo cual afecta a la flexibilidad del cable, Tabla 3. El polietileno tiene buenas propiedades dieléctricas constantes cuando se usa junto con la espuma. Mecánicamente, el polietileno es de alto peso molecular es resistente a la abrasión y de baja fricción, pero también es fuerte en comparación con otros materiales. Como en el poliuretano, el rango de temperatura del polietileno es más bien limitado, y es difícil unir tubos químicos a las cubiertas de cable de polietileno. En general las propiedades mecánicas del polietileno se reducen por los tratamientos retardantes a la llama.

Fluoropolímeros
Los fluoropolímeros como el etileno propileno fluorado (FEP), perfluoroalcoxialcanos (PFA), y politetrafluoroetileno  (PTFE) son excelentes materiales de cubierta, especialmente en aplicaciones donde el costo de fallo del sistema es alto, Tabla 4.

La tensión de rigidez dieléctrica de los fluoropolímeros está entre las más altas de cualquier material dieléctrico. Los fluoropolímeros pueden soportar temperaturas extremas, pero cada material tiene su propio rango: FEP puede operar en temperaturas que van de -250 ºC a 150 ºC, mientras que los rangos de PFA van de  -250 ºC a 200 ºC.
El PTFE es adecuado para las temperaturas criogénicas de 260 ºC sin perder flexibilidad. Los fluoropolímeros también pueden soportar la exposición a productos químicos, ácidos y disolventes agresivos, y son no inflamables por naturaleza. El PTFE y sus copolímeros también tienen el beneficio de baja emisión de gases, lo cual es fundamental para entornos de ultravacío  (UHV). Muchos fluoropolímeros son  flexibles pero al igual que la resistencia a la temperatura, la flexibilidad varía dependiendo de cada material específico. El PFA es el más rígido seguido por el FEP y PTFE, y el PTFE  tratado es el más flexible. Todo lo que se añade a la cubierta dieléctrica del cable, conductores, o conductores apantallados se desgasificarán  al vacío. Cuando  los materiales se desgasifican,  las partículas en suspensión  se condensan  en las superficies más frías, que suelen ser las superficies de trabajo en el área de aplicación. En un satélite, las ópticas se pueden empañar por el aceite de silicona u otros lubricantes de procesamiento que se desgasifican del cable. El PTFE es químicamente inerte y no contiene aditivos de proceso, aceites, lubricantes, o plastificantes, lo que lo convierte en el mejor material para los entornos de vacío.

Fluoropolímeros tratados
Uno de los pocos aspectos negativos de los fluoropolímeros es que no son muy resistentes a la abrasión y al corte. Ciertos fluoropolímeros pueden ser tratados para mejorar sus propiedades físicas, químicas, y sus atributos electromagnéticos, lo que mejora la capacidad del cable para soportar los desafíos específicos de una aplicación de microondas. El etileno tetrafluoroetileno (ETFE)  puede ser irradiado para mejorar sus propiedades mecánicas y resistencia química, sin embargo, la irradiación aumenta la rigidez, por lo que hay una disminución significativa en la flexibilidad. PTFE es termorresistente y químicamente inerte por naturaleza, por lo que su temperatura y propiedades químicas no se alteran cuando es tratado para mejorar sus atributos eléctricos o mecánicos.

Tecnologías especializadas han sido desarrolladas para tratar los PTFE para que puedan soportar una amplia variedad de desafíos ambientales y mecánicos, Tabla 5. El material dieléctrico utilizado para aislar los conductores puede afectar significativamente a la pérdida de inserción, tamaño del cable, y flexibilidad. Cuanto menor sea la pérdida dieléctrica, menor será la pérdida de inserción que muestre el cable. Los fluoropolímeros típicos tienen una pérdida dieléctrica de 2,1. Para reducir el tamaño del cable, los PTFE pueden ser tratados para tener una constante dieléctrica de 1,3. Al mismo tiempo, la tensión dieléctrica constante se puede aumentar por un factor de 2,5, mientras que logra una tangente de pérdida muy baja de 0,00015 a 10 GHz en comparación con el estándar de fabricación del PTFE. Con estos atributos, un conductor aislado con una capa tratada de PTFE de 1/2000th-inch (50 micrones)  puede ser clasificado para el uso a 1.000 V. Otra versión de PTFE tratado se puede hacer semiconductor y utilizado para aumentar la eficacia de un apantallamiento de cable. Para los problemas de resistencia a la abrasión o al corte, el PTFE ha sido diseñado para alcanzar una resistencia a la tracción que es 50 veces mayor que el PTFE estándar y soportar temperaturas criogénicas de hasta 300 ºC.

Verificando el diseño
Algunas industrias han definido los estándares relativos a la seguridad, medio ambiente, y rendimiento para los cables, pero muchas aplicaciones robustas que utilizan cables de microondas requieren ir más allá de los estándares. En este tipo de situaciones, el fabricante podría necesitar desarrollar pruebas adicionales que evalúen el rendimiento eléctrico del cable a la vez que simulan un estrés mecánico y ambiental similar al de la aplicación. Es esencial supervisar el rendimiento eléctrico y la integridad de la señal a lo largo de todas las pruebas, y el tipo específico de prueba que se necesita dependiendo de las limitaciones ambientales de la aplicación.

Las aplicaciones por etapas requieren el seguimiento cercado de cada fase de varios montajes del mismo tipo y longitud para minimizar el error sistémico residual. Estos errores afectan eventualmente al rango del sistema, a la resistencia a interferencias y  desórdenes, y a la precisión global. Los problemas con el seguimiento en cada fase ocurren con mayor frecuencia ya sea debido a la precariedad de los materiales y el control de procesos durante la fabricación del conjunto de cables o porque se combinan componentes fabricados por diferentes fabricantes en los montajes. Por lo tanto el seguimiento de cada fase y la estabilidad deben probarse cuidadosamente en el entorno en el que se utilizarán los cables.

El ensayo mecánico verifica el rendimiento eléctrico, mientras que el cable está funcionando en las condiciones ambientales tales como aplastamiento, abrasión,  corte potencial, alta curvatura,  flexión continua, golpes y vibraciones. El uso de cables de microondas/RF  generalmente significa que la aplicación requiere una excelente estabilidad de fase, que puede verse afectada por una flexión y curvatura durante la instalación, el mantenimiento de rutina, o el uso normal. La flexión fortuita es un problema frecuente con un instrumento de prueba de mano debido a que el montaje del cable a menudo se enrolla alrededor del instrumento para transportarse. El impacto de estos movimientos en el rendimiento del sistema debe ser evaluado en el diseño del sistema. En el entorno del laboratorio, un técnico podría rodear el cable a una silla, lo que significa que la fuerza de choque es también un problema. La flexión en movimiento fortuita, es difícil de recrear  en un laboratorio de pruebas, pero el peor de los casos se puede recrear mediante una prueba de tic-toc, con una flexión repetida de  180 grados o más. A continuación, una prueba de tensión puede simular un cable que se utiliza como correa de sujeción. Durante estas pruebas, la pérdida de inserción y ROE deben ser evaluados.

El rendimiento eléctrico del cable se debe medir mientras que se simulan las condiciones medioambientales en las que funcionará –condiciones como la temperatura, altitud, y extremos de presión; vibración y aceleración; exposición a líquidos o gases; humedad. Es importante hacer un seguimiento de impedancia durante el cambio de altura, golpes, y las pruebas de vibración. Las vibraciones y golpes pueden causar el fallo mecánico y eléctrico, debido a la fatiga del metal o grietas en las soldaduras. Los cambios de temperatura tienen un impacto directo en la longitud de fase. A medida que la temperatura se aproxima a un extremo, la longitud eléctrica cambiará, y si no cambia al mismo ritmo que la temperatura cuando vuelve a la normalidad (un estado conocido como histéresis), es muy difícil aplicar técnicas de corrección de errores a la señal. Añadir una fuerza de sujeción durante una prueba de ciclos de temperatura permite el monitoreo del la tensión dieléctrica del cable soportada para ver cómo cambia la cubierta y el conductor.

Después de que el cable se someta  a pruebas mecánicas y medioambientales profundas, el fabricante deberá verificar de nuevo  que el rendimiento eléctrico, y los materiales dieléctricos y de cubierta se mantienen estables dentro de los  requisitos de la aplicación.

Para los productos que se utilizan en los entornos más exigentes, las consecuencias del fallo en el cable son generalmente altas. Por lo tanto, es esencial asegurar la integridad eléctrica y mecánica de los cables para la vida de la aplicación. Hacer esto significa comprender los factores que pueden afectar al rendimiento de cable; seleccionar los materiales adecuados para hacer frente a estos factores, y verificar la fiabilidad del cable a través de pruebas eléctricas, mecánicas y ambientales.

Autor:

Paul Pino, ingeniero de aplicaciones de W.L. Gore&Associates, Inc.

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