home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Tech Arsenal 1 / Tech Arsenal (Arsenal Computer).ISO / tek-07 / blts893.zip / COAX.TXT < prev    next >
Text File  |  1993-06-03  |  20KB  |  401 lines

  1. Artisoft Technical Bulletin
  2. 06.03.93 Engineering
  3. Position Paper on Ethernet Coaxial Cable
  4.  
  5.  
  6.  
  7. There seems to be quite a bit of conflicting information regarding the types,
  8. values, and performance of the various type of coaxial cable which are
  9. available for use in "thinnet", [formerly called cheapernet] installations.
  10. In an attempt to clarify cables and terms, we will cover the basics of cable
  11. design and attempt to sort out various claims by cable vendors.
  12.  
  13. Definitions of Cable Terminology
  14.  
  15.  
  16. Coaxial Cable
  17. A cable consisting of two cylindrical conductors with a common axis,
  18. separated by a dielectric.
  19.  
  20. Dielectric
  21. Any insulating material between two conductors which permits electrostatic
  22. attraction and repulsion to take place.
  23.  
  24. Dielectric Constant (K)
  25. The ratio of capacitance using the material in question as the dielectric, to
  26. the capacitance resulting when the material is replaced by air.
  27.  
  28. Characteristic Impedance
  29. The impedance that, when connected to the output terminals of a transmission
  30. line of ANY length makes the line appear infinitely long. [Carefully consider
  31. this statement - understanding its meaning is the key to transmission line
  32. theory.]
  33.  
  34. Decibel (dB)
  35. A unit to express differences of power levels. Used to express power gain in
  36. amplifiers or power loss in passive circuits or cables.
  37.  
  38. RG/xx Cables
  39. Abbreviation for Radio Government, the original World War II military
  40. specifications for coax cable. Currently MIL-C17 defines quality of RG coax.
  41. If the cable meets current Mil specs, it will usually be marked RG/58 MIL C-
  42. 17.
  43.  
  44. Termination
  45. A device which looks like pure resistance at the operating frequency of the
  46. driving source.  This frequency is 10MHz in the case of Ethernet. 
  47. Terminating a cable with its characteristic impedance causes the terminator
  48. to dissipate in the form of heat, all forward energy and causes no reflection
  49. of the wave back towards the source. The key here is "at the operating
  50. frequency".
  51.  
  52. Velocity of Propagation
  53. The speed of an electrical signal down a length of cable compared to the
  54. speed of light in a vacuum, expressed as a percentage.  It is the reciprocal
  55. of the square root of the dielectric constant of the cable insulation.
  56.  
  57. Ethernet Transceiver
  58. A device which can "listen" to and "drive" a 10/5 MHz phase modulated signal
  59. of approximately 2 volts peak to peak onto the transmission line. The ideal
  60. receiver would look like an infinite impedance input.  Since this is an
  61. impossible task, the distributed capacitance in a good design is kept to 4
  62. P.F. [pico ferrets?] or less.  This "bump" in capacitance in the transmission
  63. line at each node causes the characteristic impedance to change at that point
  64. in the cable.  This change will cause some component of wave to be reflected
  65. back towards the source as the wave passes this point. When in transmit mode
  66. the transceiver has a source impedance of between 20 and 30 ohms.  The
  67. transmit output stage in the transceiver is a Class A amplifier [stage is
  68. always between cut-off and saturation] an this maintains a constant source
  69. impedance over the full waveform. The transceiver also detects collisions
  70. [more than one transmitter active at a given time on the cable] by detecting
  71. a peak signal of over 2.2 volts. Since on a properly terminated cable, a
  72. transmitting node will put 2 volts peak to peak on the cable, if we see more
  73. than 2 volts it must be due to the mathematical sum of 2 or more transmitters
  74. on at once, hence a "collision".
  75.  
  76. Determination of Cable Impedance
  77. The impedance of a coaxial cable is determined by the ratio of the INSIDE OF
  78. THE OUTER DIAMETER to the OUTSIDE DIAMETER OF THE INNER CONDUCTOR. For
  79. example, if we took a 2 inch diameter water pipe and put a 1/2 inch water
  80. pipe concentric inside of it, we would have a 50 ohm transmission line. If we
  81. used a 2 inch outer pipe and a 3/8 inner pipe it would be a 75 ohm
  82. transmission line, and if we used a 2 inch outer and a 1/4 inch inner pipe we
  83. would have a 93 ohm line.
  84.  
  85. Cable Design
  86.  
  87.  
  88. Now that we know some working terms about coaxial cable, lets design one for
  89. an Ethernet application. If we use 2 inch copper pipe rather than iron water
  90. pipe, as in our example above, we would have less loss due to the better
  91. conductivity of copper.  Better still, let silverplate the inner surface of
  92. the outer pipe and the outer surface of the inner pipe, since silver is about
  93. as good a conductor as we can use short of cryogenic type technologies.  We
  94. would have a great transmission line, in fact, many radio and TV stations use
  95. "cable" exactly like our example to connect the transmitter to the antenna. 
  96.  
  97.  
  98. Now we must face the trade-offs which will allow us to practically use a
  99. transmission line between nodes in an office environment.  First of all, we
  100. need it to be flexible, so we have to fill the area between the conductors
  101. with a dielectric in order to maintain the center conductor exactly in the
  102. center of the outer conductor.  We could use Teflon, it is stable, will take
  103. high temperatures, and is a low-loss dielectric material.  The downside is
  104. cost. If we look at RG-142 it has the following specifications.  
  105.  
  106. o     Solid silver plated center conductor
  107. o     Teflon dielectric
  108. o     A double braided silver plated outer conductor
  109. o     1/4" outside diameter (same as RG-58)
  110. o     Cost: Approximately $18.50 per FOOT!!!!
  111.  
  112. A great cable to use if you build spacecraft or F-15s on a cost plus
  113. government contract!
  114.  
  115. So, lets look at the family of coaxial cables which use polyethylene as a
  116. dielectric and use bare copper or tinned copper wire as conductors.  We trade
  117. off loss of signal for cost. 
  118.  
  119. There is a family of RG cables that are 1/2 inch in diameter such as RG-214
  120. (silver plated conductors - $4.00/foot) and RG-213 (bare copper conductors -
  121. $1.20/foot) which would do a fine job for us, but 1/2 inch cable is not
  122. practical to run over our desk tops.  Too bad, as due to the less loss of the
  123. larger cable, we could run longer lengths [thick ethernet] using the same
  124. transceivers, before the attenuation of the cable caused loss of signal
  125. between the nodes.
  126.  
  127. Next we find RG-223, a nice cable, silver plated center conductor,
  128. polyethylene dielectric, double braid jacket [rated 99% coverage]. 
  129.  
  130. NOTE: Braided outer conductor will always have some little "windows" between
  131. the braid weave where signals can "escape" and other electrical signals can
  132. enter the cable.  95% coverage is good, anything below 85% coverage is
  133. worthless and only pretends to be coaxial cable.
  134.  
  135. Well, our RG-223 certainly meets our specifications, but still costs
  136. $0.85/foot.
  137.  
  138. RG-58 Cable
  139.  
  140.  
  141. Let's look at RG-58 cabling.  Wow, it looks like there are many versions of
  142. RG-58, so we read the specifications a little closer.
  143.  
  144. RG-58 TYPE Cable
  145.  
  146. On version of RG-58 TYPE cable we find is Belden 9201, which looks good at
  147. first glance: loss is 3.9 dB per 100 meters at 10MHz, but WAIT! The shield
  148. coverage is 78%!  They "forgot" for cost purposes to put a good outer
  149. conductor around our cable.
  150.  
  151. We look further and find RG-58/U JAN-C17A [JAN stands for Joint Army Navy].
  152. What do you know... it looks like the same cable as above but has the copper
  153. in the outer conductor to provide 95% coverage and meet the MIL
  154. specification.
  155.  
  156. So, we have learned to beware of the word "TYPE" after a RG cable
  157. designation.  I drive a car with Porsche "TYPE" tires, unfortunately it has
  158. a 1980 Honda Civic body.
  159.  
  160. 50 ohm Impedance
  161.  
  162. The above described cable [RG-58/U JAN-C17A] has 53.5 ohm impedance!  What
  163. does this really mean?
  164.  
  165. First of all, the actual impedance of "production" coaxial cable is + or - 5
  166. ohms.  This is due to the extrusion process which determines the thickness of
  167. the dielectric (spacing between inner and outer conductor).  Since we have
  168. already determined that we want to terminate the cable in its nominal
  169. impedance we have to design a terminator which looks like 50 ohms at 10MHz.
  170.  
  171. To get a pure resistance at that frequency, we need a resistor which does not
  172. have leads.  A laboratory type 50 ohm terminator contains a circular deposit
  173. of carbon which connects the center conductor of a BNC connector to the shell
  174. (outer conductor) with minimal induced series inductance. It also costs
  175. $55.00 [each!].
  176.  
  177. So again, due to cost, we fall back to a leaded resistor soldered into the
  178. end of a BNC connector (looks like anything between 40 to 60 ohms at 10MHz,
  179. but costs less than $1.00. Let's say we do have a perfect 50 ohm terminator
  180. and a perfect 53.5 ohm cable.  The VSWR [standing wave ratio] will be 1.07 to
  181. 1 and this value will NOT cause a problem on our transmission line. Belden
  182. lists their RG58 as 53.5 ohms but Alpha Wire, another high quality cable
  183. manufacturer lists their RG-58 as 50 ohms.
  184.  
  185. Cable Manufacturers
  186.  
  187.  
  188. Many vendor's advertising will try to sell us cable "especially made for
  189. Ethernet".  One vendor, for example.  has a Technical Bulletin which promotes
  190. one of their best cables.
  191.  
  192. First they tell us that "generic RG-58 TYPE cables are sometimes used for
  193. thinnet.  These cables do not conform to all thinnet specifications and may
  194. place the entire network in jeopardy of performance reduction or system
  195. failure".  
  196.  
  197. Wow, scary stuff, but we are smarter now and realize the reference to RG-58
  198. TYPE, and we know where they are coming from as we have already seen that
  199. they manufacturer a cheap "TYPE" version of RG-58 with only 78% outer braid
  200. coverage.
  201.  
  202. The rest of the improvement claims in this bulletin are always referenced to
  203. RG-58 TYPE cable, never to RG-58 MIL C17.  
  204.  
  205. The next page of the bulletin explains attenuation to us.  They tell us that
  206. "Lower attenuation allows for longer cable runs, maximum network size and
  207. less distortion".  Quite a true statement, BUT when we check the column on
  208. the data sheet the cable in question, we find at 10MHz, 100 meters of cable
  209. has 4.3 dB of attenuation.  Then if we flip over to RG-58 MIL C17, we find at
  210. 10 MHz the attenuation is 3.9 dB per 100 meters. Therefore, the MIL C17 is
  211. still the best!
  212.  
  213. Next comes a discussion of "Velocity of Propagation".  The description is
  214. fine, but with a 185 meter cable, the time of propagation from one end of the
  215. cable to the other is about 550 nanoseconds (billionths of a second) on .66%
  216. velocity of propagation and 490 nanoseconds on .80% velocity cable.  Even
  217. assuming all the packets of Ethernet data were transferred from nodes at the
  218. extreme ends of the cable, we would have to transfer a billion divided by 60
  219. packets before we could save a second of time.  NOT significant!
  220.  
  221. Next they tell us that higher velocity of propagation reduces attenuation. We
  222. should know not to believe this as we know that at 10 MHz [the frequency of
  223. Ethernet data] their own RG-58 MIL C17 at .66% propagation has less loss
  224. [attenuation] than the discussed cable at 80%.
  225.  
  226. Next they mention "round trip propagation time".  REALLY!  Remember our
  227. earlier termination explanation?  Once the signal passes the last node and
  228. arrives at the terminator, the terminator dissipates the energy and ideally
  229. NO signal ever is reflected back towards the source. It should look to the
  230. source as an infinite long transmission line, where the signal leaves, keeps
  231. going, and is never seen or heard from again!  There is NO round-trip!
  232.  
  233. Is this good cable - sure it is. But the above discussion is misleading.
  234.  
  235. Real World Problems
  236.  
  237.  
  238. Let's turn to the real world and take a look at cable problems and their
  239. causes.
  240.  
  241. The Number One Problem
  242. The number one problem in the real world is the BNC connector on the end of
  243. the cable.  They come in many shapes and sizes, but can be divided into two
  244. classes - MIL UG-88 type and crimp on.
  245.  
  246. MIL UG-88 Type Connectors
  247.  
  248. There are 6 parts to this type of connector:
  249.  
  250. 1]    A center pin which is soldered on
  251. 2]    An outer case
  252. 3]    A rubber gasket [compressor]
  253. 4]    A braid retaining collar
  254. 5]    A slip washer
  255. 6]    A center collar which holds the whole thing together
  256.  
  257. When properly assembled, this connector is waterproof and will take a 40Lb
  258. pull without falling apart.
  259.  
  260. We have seen this type of connector assembled 36 different ways, 35 of which
  261. short out or fall apart when a 5 Lb pull is applied!  If not assembled
  262. correctly, a fine strand of braid will touch the center conductor when the
  263. connector is wiggled. 
  264.  
  265. Properly assembled with correct removal of the outer jacket [don't nick the
  266. outer strands, as they provide the strength to the unit], soldering the
  267. center pin [the polyethylene melts and lets the center conductor move off-
  268. center and touch the braid if too much heat is applied] and proper torque on
  269. the center collar when assembling the unit, this type plug will last a life-
  270. time.
  271.  
  272. Crimp-On Connectors
  273.  
  274. These types of connectors have good and bad points. Since connecting the
  275. center pin is usually the hardest part, some designs have the bare center
  276. conductor merely stick into a hollow pin, depending on pure mechanical
  277. contact to provide continuity of the connection.  If it were not for humidity
  278. and corrosive things in our air, this might work on a long term basis. 
  279. Unfortunately after a few weeks/months the surface of the copper turns a bit
  280. green and now we have one of the intermittent cables that starts working/not
  281. working when we wiggle it.
  282.  
  283. The plug manufacturer gives us a collar with which we are to crimp the braid
  284. to the connector.  Unfortunately, each different manufacturer has a slightly
  285. different size collar, and will sell you the proper crimping tool for 75 to
  286. 100 dollars. Using the correct crimping tool for the size collar does lead to
  287. a good connection.  The problem appears in the form of a $4.95 "universal
  288. crimper".  This tool can be depended upon to do a mechanically poor job of
  289. forming the collar onto the connector.  Strands of the braid get torn off the
  290. cable or the dielectric gets smashed into the center conductor.
  291.  
  292. So to sum up, if [on only if] all manufacturer procedures are followed and
  293. the correct tool is used to crimp the connection, a reliable connection can
  294. be obtained using "crimp-on" type BNC connectors.
  295.  
  296. Other Problems
  297.  
  298. Let's discuss some additional terms to better understand other factors that
  299. affect our Ethernet cable.
  300.  
  301. Polyethylene
  302. A family of insulations derived from the polymerization of ethylene gas and
  303. characterized by outstanding electrical properties including high insulation
  304. resistance, low dielectric constant, and low dielectric loss across the
  305. frequency spectrum.  Mechanically rugged, it resists abrasion and cold flow
  306. and is used as the dielectric material between the center conductor and the
  307. shield.
  308.  
  309. Cold Flow
  310. Deformation of the insulation due to mechanical force or pressure [not due to
  311. heat softening]
  312.  
  313. Polyvinylchloride
  314. A general purpose family of insulations whose basic constituent is
  315. polyvinylchloride or it's copolymer with vinyl acetate.  Plasticizer,
  316. stabilizers, pigments, and fillers, are added in lesser quantity to improve
  317. mechanical and/or electrical properties of this martial.  Used in the outer
  318. jacket of coaxial cables.
  319.  
  320. Non-Contaminating PVC
  321. A polyvinylchloride formulation which does not cause migration of the
  322. plasticizer through the braid and into the dielectric.  This contamination
  323. [chemical reaction] causes an increase in cable loss that may equal two to
  324. four times the original cable.  A 100 foot length of this affected cable may
  325. show losses at 10 MHz of 12 dB rather than its original 4dB.
  326.  
  327. Plasticizer Migration
  328.  
  329. All flexible coaxial cables have a finite lifetime. In the case of Teflon
  330. dielectric cables this value may be 20 years or more.  In the case of a very
  331. flexible cable [the manufacturer has used a PVC outer jacket with lots of
  332. plasticizers, which if exposed to heat or ultraviolet radiation, will migrate
  333. and contaminate the dielectric] this life may be measured in months.  We have
  334. seen cable taken from walls with 2 foot sections which were stiff [not
  335. flexible as other parts of the cable]. This condition was traced to the fact
  336. that the cable [while installed] passed over or alongside hot air ducts. This
  337. is a classic case of plasticizers migrating, leaving the outer jacket stiff. 
  338. When measured for loss, this cable showed a marked increase in signal
  339. attenuation.  This property of coaxial cables is very important and yet it is
  340. brushed over by cable data sheets.
  341.  
  342. Cold Flow Problems
  343.  
  344. The next important failure mode we see in coaxial cables is due to cold flow
  345. of the dielectric.  Picture if you will a cable run around a sharp corner
  346. [happens all the time when we pull cables through walls and over ceilings].
  347. This stress will try to compress the outer jacket into the dielectric and try
  348. to reduce the distance between the center conductor and the outer conductor.
  349. We know by definition that this distance determines the impedance of the
  350. cable, so what happens is we end up with a 50 ohm cable which as 20 ohm
  351. points in it due to deforming of the interior shape.
  352.  
  353. This problem is very noticeable in foam dielectric cables.  Over time the
  354. stress point will cause the dielectric to cold flow around the center
  355. conductor so that removing the cable and rerouting it will not remove the
  356. damage done.  This condition would seem to be a very strong point for Belden
  357. 9907 type cable, as it has a mini-rigid outer jacket and would greatly help
  358. in preventing this type of problem.
  359.  
  360. We have pieces of RG-58 TYPE foam dielectric cable which when viewed on an
  361. oscilloscope, in the Time-Domain Reflectometer mode, will show "bumps" of
  362. impedance mismatched where it has been "folded, spindled, and mutilated". We
  363. have another piece which shows periodic small reflections at time intervals
  364. of approximately 1 meter.  A visual inspection of this cable shows
  365. compression points about 1/4 inch wide where at one time in its life someone
  366. had used plastic cable ties to attach the cable to something along its
  367. length.
  368.  
  369. Moisture Penetration
  370.  
  371. Another detriment to cable life is moisture penetration of the area between
  372. the dielectric and the outer braid.  Moisture will migrate between the braid
  373. as if the braid were a wick.  This is a calculated risk if we use barrel or
  374. T BNC connectors to splice cable and the connection is between the walls or
  375. a ceiling where moisture is present.  The fine copper wires of the braid will
  376. corrode and ultimately crumble apart, inducing an "open" in the outer shield. 
  377. This is a very good reason to NEVER use a piece of cable that has damage in
  378. its PVC outer cover which exposes the braid area to the atmosphere.
  379.  
  380. Conclusions
  381.  
  382.  
  383. 1]    Know the quality of your coax cable.  If it is not MIL C17F, JAN C17A or
  384.       IEEE802.3 compliant then the manufacturer's data sheet must be examined
  385.       to determine the quality of the cable. The term RG-58 TYPE is
  386.       meaningless.
  387.  
  388. 2]    Insure the BNC connectors are installed per the manufacturer's data
  389.       sheet with the proper tools to insure a good mechanical, electrical and
  390.       waterproof connection.
  391.  
  392. 3]    If installation environment requirements [metal ducts with sharp
  393.       corners, parallel runs with A.C. power cables, etc] exist, the cost of
  394.       the grade of cable equal to Belden 9907 may be justified.  This is to
  395.       insure reliability of the network over time and not to improve
  396.       performance.
  397.  
  398. Artisoft, Inc.
  399. Technical Support Department
  400. 2202 N. Forbes Blvd
  401. Tucson, AZ 85745