Cabo Coaxial

1. Anatomia Física

O cabo coaxial é uma estrutura de duplo condutor concêntrico, separada por um dielétrico e protegida por blindagem mecânica. Do centro para fora:

1. Condutor interno (núcleo): Cobre sólido ou cobreado, diâmetro entre 0,5 mm (RG-316) e 2,5 mm (RG-8).
2. Dielétrico: Material isolante entre os condutores, tipicamente:
   - PE sólido (Polyethylene): $\varepsilon_r \approx 2,25$, usado em RG-58.
   - PE expandido (foamed PE): $\varepsilon_r \approx 1,5$ — menor atenuação, mais flexível.
   - PTFE (Teflon): $\varepsilon_r \approx 2,1$, usado em cabos militares e aeroespaciais (RG-405).
   - Ar (gás nitrogênio): $\varepsilon_r \approx 1,0$ — usado em cabos de alto desempenho (Heliax).
3. Blindagem (shield): Malha de cobre trançada, folha de alumínio/mylar, ou folha de cobre contínua. Eficácia da blindagem mede-se em dB de rejeição a interferência.
4. Capa externa (jacket): PVC, PE, ou LSZH (Low Smoke Zero Halogen).

A impedância característica é determinada pela geometria:

onde $D$ é o diâmetro interno da blindagem e $d$ é o diâmetro do condutor interno.

2. Impedâncias Padronizadas

A escolha entre 50 Ω e 75 Ω tem história técnica:

• 50 Ω é o ponto de compromisso entre dissipação (mínima em ~30 Ω) e potência máxima antes de quebra dielétrica (máxima em ~60 Ω).
• 75 Ω minimiza atenuação em cabo com dielétrico de ar, sendo ótimo para distribuição de TV.

3. Atenuação e Frequência

A atenuação por unidade de comprimento é predominantemente devida a duas perdas:

1. Perda resistiva (skin effect): Para condutores de alta condutividade, a corrente se concentra em uma profundidade:

Para o cobre ($\sigma = 5,8 \times 10^7$ S/m), $\delta \approx 65/\sqrt{f_{\text{Hz}}}$ μm — em 100 MHz, apenas 0,65 μm. A perda por unidade de comprimento cresce como $\sqrt{f}$.

2. Perda dielétrica: A perda no material isolante cresce linearmente com $f$ e é governada por $\tan \delta$ (fator de perda).

A atenuação total segue empiricamente:

Para RG-58 (PE sólido, 5 mm):

Para LMR-400 (PE espumado, 10 mm):

4. Velocidade de Propagação

Para PE sólido ($\varepsilon_r = 2,25$), $v_p = 0,66c$. Para PE expandido ($\varepsilon_r = 1,5$), $v_p = 0,82c$. Relevante para medição de distância (TDR — Time Domain Reflectometry) e cálculo de comprimento elétrico de antenas.

5. Aplicações Históricas e Modernas

Ethernet em Cabo Coaxial (Obsoleto)

• 10BASE5 (Thick Ethernet/Thicknet, 1983): RG-8, 50 Ω, segmento máximo 500 m, taps com transceiver "vampire" para inserção sem romper o cabo. Conector N.
• 10BASE2 (Thin Ethernet/Cheapernet, 1985): RG-58, 50 Ω, segmento máximo 185 m, conectores BNC em T, terminação de 50 Ω em cada extremidade.

Ambas as topologias em barramento físico compartilham o mesmo domínio de colisão; um dispositivo transmitindo ocupa o meio inteiro. A falha do cabo em qualquer ponto derruba toda a rede.

Cabo Coaxial em Broadband HFC (Modo Moderno)

As redes modernas de TV a cabo (CATV) são HFC (Hybrid Fiber-Coax): fibra óptica do headend até o nó óptico, depois coaxial (RG-6/RG-11) até o assinante, em topologia de árvore. As frequências:

• Downstream (5-65 MHz): Dados upstream (DOCSIS 3.0+) e voz.
• Downstream (85-1000 MHz): TV analógica e digital, dados DOCSIS downstream.

DOCSIS 3.1 (2015) alcança até 10 Gbps downstream com OFDM e modulação até 4096-QAM, revitalizando a infraestrutura coaxial para banda larga de altíssima velocidade.

Cabo Coaxial em RF

Todo link de rádio tem coaxial em algum ponto: da antena ao rádio. Os cabos modernos de alto desempenho usam dielectric foamed e corrugated copper outer (helical corrugation) para flexibilidade sem perda:

• Heliax (Andrew/CommScope): 7/8" a 4" de diâmetro, atenuação 0,2 dB/100m a 1 GHz, distância de 300 m sem amplificação.
• LMR (Times Microwave): Cabo flexível de alta performance, usado em links Wi-Fi de longa distância.

6. Conectores Comuns

Regra geral: conectores pequenos e de precisão suportam frequências mais altas, mas suportam menos potência e são mais sensíveis a danos mecânicos.

7. Standing Wave Ratio (SWR)

Quando uma linha de transmissão encontra uma carga de impedância diferente, parte da energia é refletida. A razão entre onda incidente ($V^+$) e onda refletida ($V^-$) é o coeficiente de reflexão:

O Standing Wave Ratio (SWR ou VSWR) mede a profundidade das ondulações estacionárias:

Para SWR = 1,5, $|\Gamma| = 0,2$ (20% da potência incidente é refletida). Para SWR = 2, $|\Gamma| = 0,33$ (11% da potência refletida). Em antenas práticas, busca-se SWR < 1,5; acima de 2,5 a estação de rádio pode sofrer dano no PA (Power Amplifier) por dissipação de potência refletida.

8. Declínio do Coaxial em LANs

Em redes locais modernas, o cabo coaxial foi completamente substituído por:

• Par trançado Cat 5e/6/6A: Mais barato, flexível, fácil de conectorizar (RJ-45 vs. BNC).
• Fibra óptica: Para distâncias maiores e velocidades > 1 Gbps.

O coaxial persiste em:

• Última milha CATV/DOCSIS: Vantagem econômica de reusar infra existente.
• Backhaul RF de small cells: Quando fibra é inviável em curto prazo.
• Conexões de antena e RF: Sem substituto universal.