Impedenza caratteristica nei cavi coassiali

L'impedenza caratteristica è uno dei parametri più importanti di un cavo coassiale, eppure è anche uno dei meno compresi. Non è una resistenza che si può misurare con un tester: è una proprietà intrinseca del cavo che determina come il segnale si propaga al suo interno. Scegliere un cavo con l'impedenza sbagliata significa compromettere le prestazioni dell'intero impianto, con riflessioni, perdite di segnale e — nei casi peggiori — danni alle apparecchiature.

In questa guida spieghiamo cos'è l'impedenza caratteristica, come si calcola, perché esistono due standard (50 e 75 Ohm) e come scegliere quello giusto.

Cos'è l'impedenza caratteristica

L'impedenza caratteristica (Z₀) è la misura dell'opposizione che un cavo coassiale offre alla propagazione di un segnale ad alta frequenza. Si esprime in Ohm (Ω) e, a differenza della resistenza in corrente continua, non dipende dalla lunghezza del cavo: un metro di cavo RG-6 ha la stessa impedenza caratteristica di cento metri dello stesso cavo.

Z₀ dipende esclusivamente dalla geometria del cavo e dal materiale isolante (dielettrico):

• il diametro del conduttore interno
• il diametro interno dello schermo (conduttore esterno)
• la costante dielettrica (ε_r) del materiale isolante fra i due conduttori

Questi tre parametri, fissati in fase di progettazione e produzione, determinano un valore di impedenza costante lungo tutta la lunghezza del cavo.

Come si calcola l'impedenza caratteristica

L'impedenza caratteristica di un cavo coassiale si ricava dalla seguente formula:

Dalla formula si deduce un principio fondamentale: l'impedenza dipende dal rapporto D/d (non dai singoli diametri) e dal tipo di dielettrico. Aumentando il rapporto D/d — cioè utilizzando un conduttore interno più sottile rispetto allo schermo — l'impedenza cresce. Cambiando il dielettrico, cambia l'impedenza anche a parità di dimensioni.

Costanti dielettriche dei materiali più comuni

Perché proprio 50 e 75 Ohm: l'origine di due standard

Ma perché proprio 50 e 75, e non 40 o 100? La risposta sta nella fisica del cavo coassiale. Due grandezze si comportano in modo opposto al variare del rapporto D/d:

• L'attenuazione raggiunge il suo minimo quando l'impedenza è circa 77 Ohm (con dielettrico in aria). A questo valore il cavo perde meno segnale possibile per unità di lunghezza.
• La capacità di gestire potenza raggiunge il suo massimo quando l'impedenza è circa 30 Ohm. A questo valore il cavo sopporta la massima tensione prima che si verifichino scariche nel dielettrico.

Da queste due esigenze nascono i due standard:

75 Ohm — arrotondamento pratico del valore di minima attenuazione (~77 Ohm). È lo standard per TV, SAT e video, dove si trasportano segnali deboli su lunghe distanze e ogni decimo di dB di perdita conta.

50 Ohm — il compromesso ottimale tra attenuazione e gestione della potenza. È lo standard per la radiofrequenza (RF), dove si trasmettono segnali ad alta potenza. Con dielettrici solidi come il polietilene (ε_r ≈ 2,25), il punto di minima attenuazione si sposta intorno a 51-52 Ohm, il che ha ulteriormente consolidato la scelta dei 50 Ohm nel mondo RF.

Perché è fondamentale adattare l'impedenza

L'impedenza del cavo deve corrispondere a quella degli apparati collegati: trasmettitore, ricevitore, antenna, amplificatore. Quando questo adattamento di impedenza (impedance matching) non viene rispettato, si verificano tre conseguenze.

Riflessione del segnale

Quando l'impedenza del cavo non coincide con quella del sistema, parte del segnale trasmesso viene riflessa verso la sorgente invece di raggiungere la destinazione. Queste riflessioni generano onde stazionarie nel cavo, misurabili come rapporto di onda stazionaria (ROS, o VSWR — Voltage Standing Wave Ratio). In trasmissione, un ROS elevato può causare il surriscaldamento e, nei casi più gravi, il danneggiamento dello stadio finale dell'amplificatore.

Perdita di potenza e aumento dell'attenuazione

Un disadattamento di impedenza causa perdite aggiuntive rispetto all'attenuazione fisiologica del cavo. L'energia riflessa viene in parte dissipata sotto forma di calore, riducendo l'efficienza della tratta. Su lunghe distanze, queste perdite aggiuntive possono rendere il segnale inutilizzabile senza amplificazione.

Maggiore vulnerabilità alle interferenze

Un cavo mal adattato può irradiare parte del segnale verso l'esterno e, viceversa, essere più sensibile alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Questo aspetto è particolarmente critico negli ambienti con forte inquinamento elettromagnetico (aree urbane, vicinanza a ripetitori, ambienti industriali) e nei sistemi ad alta frequenza.

Cavi coassiali a 50 ohm

I cavi coassiali a 50 Ohm sono lo standard consolidato nel mondo della radiofrequenza. Come spiegato nel paragrafo precedente, questa impedenza rappresenta il miglior compromesso ingegneristico tra due esigenze opposte: contenere l'attenuazione del segnale e poter gestire potenze di trasmissione elevate.

Perché 50 Ohm per la radiofrequenza

Il punto di forza dei cavi a 50 Ohm non è avere la minima attenuazione in assoluto — in questo i 75 Ohm sono fisicamente superiori. Il loro vantaggio è la capacità di trasportare segnali ad alta potenza senza che il dielettrico subisca scariche o degradi prematuramente, mantenendo al contempo un livello di attenuazione contenuto. Per questa ragione sono la scelta obbligata in tutti i sistemi dove è presente un trasmettitore con potenze significative.

Struttura costruttiva

Per ottenere un'impedenza di 50 Ohm, il rapporto D/d è più basso rispetto ai cavi a 75 Ohm: a parità di diametro dello schermo, il conduttore interno è più spesso. Questo si traduce in una maggiore capacità di gestire correnti elevate e in una robustezza meccanica superiore del conduttore centrale. Il dielettrico è tipicamente in polietilene espanso o in PTFE (Teflon) nei cavi di alta gamma.

Applicazioni principali

• Comunicazioni radio — ricetrasmittenti PMR, radioamatoriali, CB
• Infrastrutture cellulari — stazioni base, sistemi DAS (Distributed Antenna Systems), ripetitori
• Reti Wi-Fi e WLAN — collegamenti tra antenna e access point
• Antenne GPS — ricevitori e sistemi di navigazione
• Strumentazione di laboratorio — oscilloscopi, analizzatori di spettro, generatori di segnale RF

I cavi a 50 Ohm più diffusi appartengono alle famiglie RG-58 (sottile, flessibile, adatto a brevi tratte e potenze moderate) e RG-213 (più robusto, per potenze maggiori e distanze superiori).

Cavi coassiali a 75 Ohm

I cavi coassiali a 75 Ohm sono progettati per un obiettivo preciso: minimizzare l'attenuazione del segnale. Questa caratteristica li rende la scelta naturale per tutte le applicazioni in cui il segnale è debole e deve percorrere distanze significative senza amplificazione intermedia.

Perché 75 Ohm per il segnale video e TV

L'impedenza di 75 Ohm è molto vicina al valore teorico di minima attenuazione (~77 Ohm con dielettrico in aria). In termini pratici, questo significa che un cavo a 75 Ohm dissipa meno segnale per metro rispetto a un cavo a 50 Ohm di pari qualità costruttiva. Nella distribuzione televisiva, dove il segnale dall'antenna o dal satellite è debole e deve raggiungere ogni presa dell'edificio, questa differenza è determinante.

Struttura costruttiva

Per ottenere 75 Ohm, il rapporto D/d è più alto rispetto ai cavi a 50 Ohm: il conduttore interno è più sottile rispetto al diametro dello schermo. Questo comporta una minore capacità di gestire potenze elevate, ma non è un problema nelle applicazioni video e TV dove i livelli di potenza sono molto bassi. Il dielettrico è quasi sempre in polietilene espanso (foam PE), che offre un buon compromesso tra costante dielettrica contenuta e costo.

Applicazioni principali

• TV digitale terrestre (DVB-T/T2) e satellitare (DVB-S/S2)
• Reti CATV e impianti condominiali SMATV
• Videosorveglianza — TVCC/CCTV, sia analogica tradizionale che HD-CVI, HD-TVI, AHD
• Distribuzione audio/video in edifici, alberghi e strutture ricettive

I cavi a 75 Ohm si distinguono per famiglia dimensionale (RG-6, RG-59, RG-11) e per classe di schermatura (A, A++, B, C secondo la norma EN 50117). Per un confronto dettagliato tra le diverse famiglie e classi, consulta la Guida 2: Tipi di cavi coassiali di questa serie.

Altre impedenze: applicazioni speciali

Sebbene 50 e 75 Ohm coprano la stragrande maggioranza delle installazioni, esistono cavi coassiali con impedenze diverse per utilizzi specialistici.

Il più noto è il cavo a 93 Ohm, impiegato storicamente in alcune reti dati (come IBM ARCNET) e ancora presente in applicazioni di nicchia dove la bassissima attenuazione prevale su ogni altra esigenza. Altre impedenze (25 Ohm, 95 Ohm e simili) si trovano in ambito militare, aerospaziale e nella ricerca scientifica, ma non si incontrano nell'installazione civile e professionale ordinaria.

Come scegliere l'impedenza corretta

La regola fondamentale è semplice: l'impedenza del cavo deve corrispondere a quella del sistema in cui viene utilizzato. Non esistono adattatori o soluzioni che permettano di usare indifferentemente cavi a 50 e 75 Ohm senza conseguenze sulle prestazioni.

Nella pratica, la scelta è quasi sempre determinata dal tipo di applicazione:

In caso di dubbio, verifica sempre la scheda tecnica dell'apparecchiatura. Anche i connettori sono specifici per impedenza: i connettori F (75 Ohm) non sono intercambiabili con i connettori N o SMA (50 Ohm), e persino i connettori BNC esistono in versioni distinte per 50 e 75 Ohm, con differenze dimensionali nel pin centrale.

Per approfondire i criteri di scelta in base a classe di schermatura, tipo RG e ambiente di installazione, consulta la nostra guida ai tipi di cavi coassiali.