TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
Líneas de transmisión de conductor paralelo Línea de transmisión de cable abierto. Una línea de transmisión de cable
abierto es un conductor paralelo de dos cables, y se muestra en la figura 8-6a. Consiste simplemente de dos cables
paralelos, espaciados muy cerca y solo separados por aire. Los
espaciadores no conductivos se colocan a intervalos periódicos para apoyarse y
mantener se a la distancia, entre la constante de los conductores. La distancia
entre los dos conductores generalmente está entre 2 y 6 pulgadas.
El dieléctrico es simplemente el aire,
entre y alrededor de los dos conductores en donde se propaga la onda TEM. La
única ventaja real de este tipo de línea de transmisión es su construcción sencilla. Ya que no hay cubiertas, las pérdidas por radiación son altas y es susceptible a recoger ruido.
Estas son las desventajas principales de
una línea de transmisión de cable abierto. Por lo tanto, las líneas de
transmisión de cable abierto normalmente operan en el modo balanceado.
Cables gemelos (doble terminal). Los cables
gemelos son otra forma de línea de transmisión para un conductor paralelo de
dos cables, y se muestra en la figura 8-6b. Los cables gemelos frecuentemente
son llamados cable de cinta.
Los cables gemelos esencialmente son igual
que una línea de transmisión de cable abierto, excepto que los espaciadores que
están entre los dos conductores se remplazan con un dieléctrico sólido
continuo. Esto asegura los espacios uniformes a lo largo de todo el cable, que
es una característica deseable por razones que se explicarán posteriormente en
este capitulo. Típicamente, la distancia entre los dos conductores es de 5/16
de pulgada, para el cable de transmisión de televisión. Los materiales dieléctricos más comunes son el teflón y el polietileno.
Cable de par trenzado. Un cable de par trenzado se forma doblando
("trenzando") dos conductores aislados juntos. Los pares se trenzan
frecuentemente en unidades y las unidades, a su vez, están cableadas en el
núcleo. Estas se cubren con varios tipos de fundas, dependiendo del uso que se
les vaya a dar. Los pares vecinos se trenzan Con diferente inclinación (el
largo de la trenza) para poder reducir la interferencia entre los pares debido a la inducción mutua. Las constantes primarias del cable de par trenzado
son sus parámetros eléctricos (resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia). Que están sujetas a
variaciones con el ambiente físico como temperatura, humedad y tensión mecánica, y que dependen de las variaciones en la fabricación. En la figura 8 se
muestra un cable de par trenzado.
Par de cables protegido con armadura. Para reducir las pérdidas por radiación e
interferencia, frecuentemente se encierran las líneas de transmisión de dos
cables paralelos en una malla metálica conductiva. La malla se conecta a tierra y actúa como una protección. La malla también evita que
las señales se difundan más allá de sus límites y evita que la interferencia electromagnética llegue a
los conductores de señales. En la figura 8-6d Se muestra un par de cables
paralelos protegido. Consiste de dos conductores de cable paralelos separados
por un material dieléctrico sólido. Toda la estructura está encerrada en un tubo trenzado conductivo y luego
cubierto con una capa protectora de plástico.
Líneas de transmisión coaxial o concéntrica
Las líneas de transmisión de conductores
paralelos son apropiadas para las aplicaciones de baja frecuencia. Sin embargo,
en las frecuencias altas, sus pérdidas por radiación y pérdidas dieléctricas,
así como su susceptibilidad a la interferencia externa son excesivas. Por lo
tanto, los conductores coaxiales se utilizan extensamente, para aplicaciones de
alta frecuencia, para reducir las pérdidas y para aislar las trayectorias de
transmisión. El cable coaxial básico consiste de un conductor central rodeado por un
conductor exterior concéntrico (distancia uniforme del centro). A frecuencias
de operación relativamente altas, el conductor coaxial externo proporciona una
excelente protección contra la interferencia externa. Sin embargo, a
frecuencias de operación más bajas, el uso de la protección no es costeable.
Además, el conductor externo de un cable coaxial general mente está unido a
tierra, todo que limita su uso a las aplicaciones desbalanceadas.
Esencialmente, hay dos tipos de cables
coaxiales: líneas rígidas llenas de aire Y líneas sólidas flexibles. El
material aislante es un material de polietileno sólido no conductivo que
proporciona soporte, así como aislamiento eléctrico entre el conductor interno
y el externo. El conductor interno es un cable de cobre flexible que puede ser sólido o hueco.
Los cables coaxiales rígidos llenos de aire
son relativamente caros de fabricar, y el aislante de aire tiene que estar
relativamente libre de humedad para minimizar las pérdidas Los cables coaxiales
sólidos tienen pérdidas menores y son más fáciles de construir, de instalar, y
de dar mantenimiento. Ambos tipos de cables coaxiales son relativamente inmunes a la radiación
externa, ellos en si irradian muy poca, y pueden operar a frecuencias mas altas
que sus contrapartes de cables paralelos. Las desventajas básicas de las líneas
de transmisión coaxial es que son caras y tienen que utilizarse en el modo
desbalanceado.
Balunes. Un dispositivo de circuitos que se utiliza para conectar una línea de transmisión
balanceada a una carga desbalanceada se llama balun (balanceado a
desbalanceado). 0 más comúnmente, una línea de transmisión desbalanceada, como
un cable coaxial, se puede conectar a una carga balanceada, como una antena,
utilizando Un transformador especial con un primario desbalanceado y un
bobinado secundario con conexión central.
El conductor externo (protector) de una
línea de transmisión coaxial desbalanceada generalmente se conecta a tierra. A
frecuencias relativamente bajas, pile de utilizarse un transformador ordinario
para aislar la tierra de la carga, como se muestra en la figura 8a. El balun
debe tener una protección electrostática conectada a tierra física para
minimizar los efectos de capacitancias dispersas.
Para las frecuencias relativamente altas,
existen varios tipos diferentes de balunes para las líneas de transmisión.
El tipo más común es un balun de banda
angosta, llamados a veces balun choque, camisa o balun de bazuca, como se
muestra en ha figura 88b. Se coloca alrededor una camisa de un cuarto de
longitud de onda y se conecta al conductor externo de un cable coaxial. En
consecuencia, la impedancia que se ye, desde la línea de transmisión, está
formada por una camisa y el conductor externo y es igual a infinito (o sea, que
el conductor externo ya no tiene una impedancia de cero a tierra). Así que, uno
de los cables del par balanceado se puede conectar a la camisa sin hacer un
cortocircuito a la señal. El segundo conductor se conecta al conductor interno
del cable coaxial.
DEFINICIÓN
DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN
·
Es cualquier sistema de conductores, semiconductores, o la combinación de ambos,
que puede emplearse para transmitir información, en la forma de energía eléctrica o electromagnética
entre dos puntos.
·
Son circuitos en
frecuencias muy altas donde las longitudes de onda son cortas, estas actúan
como circuitos resonantes y aun como componentes reactivos en VHF y UHF y
frecuencias microondas.
Cada autor maneja su definición de línea de
transmisión, en esencia es lo mismo asi que yo lo defino como:
"ES UN MEDIO O DISPOSITIVO POR
DONDE SE PROPAGA O TRANSMITE INFORMACIÓN (ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS) A ALTAS
FRECUENCIAS."
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA LÍNEA DE
TRANSMISIÓN
R.- Resistencia total en Serie de la línea por
unidad de longitud, incluyendo ambos conductores. Unidades: Ohms/metro.
L.- Inductancia total en Serie de la línea por
unidad de longitud, incluyendo la inductancia debida al flujo magnético interno
y externo a los conductores de la línea. Henrios/metro.
G.- Conductancia en paralelo de la línea por unidad
de longitud. Es una representación de las pérdidas que son proporcionales al
cuadrado de la tensión entre los conductores o al cuadrado del campo eléctrico
en el medio. Generalmente G representa una pérdida interna molecular de los
materiales aislantes dieléctricos. Siemens/metro.
C.- Capacidad en paralelo de la línea por unidad de
longitud. Farads/metro.
Nota.- Los símbolos definidos tienen diferentes
significados y dimensiones que los empleados en el análisis de circuitos eléctricos. En el caso de las líneas
de tx, tratadas como redes de
dos puertos con longitudes no despreciables, dichos símbolos representan
resistencia, inductancia, etc, por unidad de longitud.
Las corrientes en la línea están acompañadas de
un campo magnético. La inductancia distribuida de
la línea es una medida de la energía almacenada en este campo magnético en una
unidad de longitud de línea y por unidad de corriente.
Existe pérdida de potencia a medida que las corrientes de
línea fluyen por los conductores. La resistencia distribuida de la línea es una
medida de la pérdida de potencia en la unidad de longitud de la línea y por
unidad de corriente.
La diferencia de potencial de la línea está asociada
a un campo eléctrico. La capacitancia distribuida
es una medida de la energía almacenada en este campo, en la unidad de longitud
de la línea por unidad de diferencia de potencial.
Existe pérdida de potencia en el espacio entre los
conductores. La conductancia distribuida de la línea es una medida de esta
pérdida, en la unidad de longitud de la línea por unidad de tensión.
La existencia de coeficientes de circuito distribuido en
paralelo sugiere la posibilidad de que las corrientes del conductor
pueden ser diferentes en distintas secciones transversales de la línea.
Corrientes de conducción o corrientes de desplazamiento fluirán entre los
conductores en función de la tensión entre ellos o de su
tasa de cambio con el tiempo, respectivamente. Las corrientes en la
línea en dos secciones transversales separadas, difieren en una cantidad de
corriente transversal en la parte de línea tratada.
Las características de una línea de transmisión se
llaman constantes secundarias y se determinan con las cuatro constantes
primarias. Las constantes secundarias son impedancia característica y constante
de propagación.
Impedancia característica. Para una máxima transferencia de potencia, desde
la fuente a la carga (o sea, sin energía reflejada), una línea de transmisión
debe terminar se en una carga puramente resistiva igual a la impedancia
característica de la línea. La impedancia característica (Z0 de
una línea de transmisión es una cantidad compleja que se expresa en ohms, que
idealmente es independiente de la longitud de la línea, y que no puede medirse.
La impedancia característica (que a veces se llama resistencia a descarga) se
define como la impedancia que se ve desde una línea infinitamente larga o la
impedancia que se ve desde el largo finito de una línea que se termina en una
carga totalmente resistiva igual a la impedancia característica de la línea.
Una línea de transmisión almacena energía en su inductancia y capacitancia
distribuida. Si la línea es infinitamente larga, puede almacenar energía
indefinidamente; está entrando energía a la línea desde la fuente y ninguna se
regresa. Por lo tanto, la línea actúa como un resistor que disipa toda la
energía. Se puede simular línea infinita si se termina una línea finita con una
carga puramente resistiva igual a Z toda la energía que entra a ha línea desde
la fuente se disipa en la carga (esto supone una línea totalmente sin
pérdidas).
CÁLCULO DE IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA (Z0)
Nota. Las formulas siguientes llevan todo un proceso que no describiré, me limitare
solo a su forma general y simplificación. Solo manejare para altas frecuencias,
ya que considero más práctico y comprensible.
Para frecuencias extremadamente
altas, la inductancia y la capacitancia dominan
Puede verse de la ecuación anterior que para
frecuencias altas, la impedancia característica en una línea de transmisión se
acerca a una constante, es independiente de la frecuencia y longitud, y se
determina solo por la inductancia y capacitancia. También puede verse que el
ángulo de fase es de 0°. Por lo tanto, Z, es totalmente resistiva y toda la
energía incidente se absorberá por la línea.
Desde un enfoque puramente resistivo, puede
deducirse fácilmente que la impedancia vista, desde la línea de transmisión,
hecha de un número infinito de secciones se acerca ala impedancia
característica.
La constante de propagación (a veces llamada el
coeficiente de propagación) se utiliza para expresar la atenuación (pérdida de
la señal) y el desplazamiento de fase por unidad de longitud de una línea de
transmisión. Conforme se propaga una onda, a lo largo de la línea de
transmisión, su amplitud se reduce con la distancia viajada. La constante de
propagación se utiliza para determinar la reducción en voltaje o corriente en
la distancia conforme una onda TEM se propaga a lo largo de la línea de
transmisión.
Para una línea infinitamente larga, toda la
potencia incidente se disipa en la resistencia del cable, conforme la onda se
propague a lo largo de la línea. Por lo tanto, con una línea infinitamente
larga o una línea que se ve como infinitamente larga, como una línea finita se
termina en un carga acoplada (Z = ZL), no se refleja ni se regresa energía
nuevamente a la fuente. Matemáticamente, la constante de propagación es
La constante de propagación es una cantidad
compleja definida por
Ya que un desplazamiento de fase de 2 rad ocurre
sobre una distancia de una longitud de onda
A frecuencias de radio e intermedias wL> R y wC> G
por lo tanto
Una consideración importante en aplicaciones de
líneas de transmisión es que la velocidad de la señal en la línea de
transmisión es más lenta que la velocidad de una señal en el espacio libre. La
velocidad de propagación de una señal en un cable es menor que la velocidad de
propagación de la luz en el espacio libre, por una fracción
llamada factor de velocidad.
La velocidad a la que viaja una onda
electromagnética, en una línea de transmisión, depende de la constante
dieléctrica del material aislante que separa los dos conductores. El factor de
velocidad se puede obtener, aproximadamente, con la formula
en donde Er es la constante dieléctrica de un
material determinado (permeabilidad del material relativo a la permeabilidad
del vació, la relación E/Er,).
La constante dieléctrica es simplemente la
permeabilidad relativa del material. La constante dieléctrica relativa del aire
es 1.0006. Sin embargo, la constante dieléctrica de los materiales comúnmente
utilizados en las líneas de transmisión varían de 1.2 a 2.8, dando factores de
velocidad desde 0.6 a 0.9. Los factores de velocidad para varias
configuraciones comunes para líneas de transmisión se indican en la tabla 8-1 y
las constantes dieléctricas para varios materiales se listan en la tabla 8-2.
La constante dieléctrica depende del tipo de
material que se utilice. Los inductores almacenan energía magnética y los
capacitadores almacenan energía eléctrica. Se necesita una cantidad finita de
tiempo para que un inductor o capacitor tome o dé energía. Por lo tanto, la
velocidad a la cual una onda electromagnética se propaga a lo largo de una
línea de transmisión varia con la inductancia y la capacitancia del cable. Se
puede mostrar que el tiempo T= vL Por lo tanto, la inductancia, la
capacitancia, y la velocidad de propagación están relacionadas matemáticamente
por la formula.
Velocidad X tiempo = distancia
Por lo tanto,
Substituyendo por el tiempo da
Si la distancia se normaliza a 1 m, la velocidad de
propagación para una línea sin perdidas es:
La longitud de una línea de transmisión relativa a
la longitud de onda que se propaga hacia abajo es una consideración importante,
cuando se analiza elcomportamiento de una línea de
transmisión. A frecuencias bajas (longitudes de onda grandes), el voltaje a lo
largo de la línea permanece relativamente constante. Sin embargo, para
frecuencias altas varias longitudes de onda de la señal pueden estar presentes
en la línea al mismo tiempo Por lo tanto, el voltaje a lo largo de la línea
puede variar de manera apreciable. En consecuencia, la longitud de una línea de
transmisión frecuentemente se da en longitudes de onda, en lugar de dimensiones
lineales.
Los fenómenos de las líneas de transmisión se
aplican a las líneas largas. Generalmente, una línea de transmisión se define
como larga si su longitud excede una dieciseisava parte de una longitud de
onda; de no ser así, se considera corta. Una longitud determinada, de línea de
transmisión, puede aparecer corta en una frecuencia y larga en otra frecuencia.
Por ejemplo, un tramo de 10 m de línea de
transmisión a 1000 Hz es corta = 300,000 m; 10 m es solamente una pequeña
fracción de una longitud de onda). Sin embargo, la misma línea en 6 GHz es
larga (A = 5 cm; la línea es de 200 longitudes de onda de longitud).
Para propósitos de análisis se consideran las
líneas sin perdidas o ideales, como todo en la electrónica se considera ideal, pero no
lo son. En las líneas existen ciertos tipos de perdidas a continuación haré una
breve descripción de ellas.
PÉRDIDA DEL CONDUCTOR:
Como todos los materiales semiconductores tienen
cierta resistencia finita, hay una perdida de potencia inherente e inevitable.
PÉRDIDA POR RADIACIÓN:
Si la separación, entre los conductores en una
línea de transmisión, es una fracción apreciable de una longitud de onda, los
campos electroestáticos y electromagnéticos que rodean al conductor hacen que
la línea actúe como antena y transfiera energía a cualquier material conductor
cercano.
PÉRDIDA POR CALENTAMIENTO DEL DIELÉCTRICO:
Una diferencia de potencial, entre dos conductores
de una línea de transmisión causa la pérdida por calentamiento del dieléctrico.
El calor es una forma de energía y tiene que
tomarse de la energía que se propaga a lo largo de la línea. Para líneas
dieléctricas de aire, la pérdida de calor es despreciable. Sin embargo, para
líneas sólidas, se incrementa la pérdida por calentamiento del dieléctrico con
la frecuencia.
PÉRDIDA POR ACOPLAMIENTO:
La pérdida por acoplamiento ocurre cada vez que una
conexión se hace de o hacia una línea de transmisión o cuando se conectan dos
partes separadas de una línea de transmisión. Las conexiones mecánicas son
discontinuas (lugares donde se encuentran materiales diferentes). Las
discontinuidades tienden a calentarse, a radiar energía, y a disipar potencia
CORONA (DESCARGAS LUMINOSAS)
La corona es una descarga luminosa que ocurre entre
los dos conductores de una ‘línea de transmisión, cuando la diferencia de
potencial, entre ellos, excede el voltaje de ruptura del aislante dieléctrico.
Generalmente, una vez que ocurre una corona, se puede destruir la línea de
transmisión.
Una línea de transmisión ordinaria es
bidireccional; la potencia puede propagarse, igualmente bien, en ambas
direcciones. El voltaje que se propaga, desde la fuente hacia la carga, se
llama voltaje incidente, y el voltaje que se propaga, desde la carga hacia la
fuente se llama voltaje reflejado. En forma similar, hay corrientes incidentes
y reflejadas. En consecuencia, la potencia incidente se propaga hacia la carga
y la potencia reflejada se propaga hacia la fuente. El voltaje y la corriente
incidentes, siempre están en fase para una impedancia característica resistiva.
Para una línea infinitamente larga, toda la potencia incidente se almacena por
la línea y no hay potencia reflejada. Además, si la línea se termina en una
carga totalmente resistiva, igual a la impedancia característica de la línea,
la carga absorbe toda la potencia incidente (esto supone una línea sin
pérdidas). Para una definición más práctica, la potencia reflejada es la
porción de la potencia incidente que no fue absorbida por la carga. Por lo
tanto, la potencia reflejada nunca puede exceder la potencia
incidente.
Líneas resonantes y no resonantes
Una línea sin potencia reflejada se llama línea no
resonante o plana. En una línea plana, el voltaje y la corriente son
constantes, a través de su longitud, suponiendo que no hay pérdidas. Cuando la
carga es un cortocircuito o circuito abierto, toda la potencia incidente se
refleja nuevamente hacia la fuente. Si la fuente se reemplazara con un circuito
abierto o cortocircuito y la línea no tuviera pérdidas, la energía que está
presente en la línea se reflejaría de un lado a otro (oscilara), entre las
terminaciones de la carga y la fuente, en forma similar a la potencia en un
circuito tanque. Esto se llama línea resonante. En una línea resonante, la
energía se transfiere en forma alternada entre los campos magnéticos y
eléctricos de la inductancia y la capacitancia distribuidas. La figura 8-14
muestra una fuente, una línea de transmisión, y una carga con sus ondas
incidentes y reflejadas correspondientes.
8.14
COEFICIENTE DE REFLEXIÓN
El coeficiente de reflexión (a veces llamado el
coeficiente de la reflexión), es una cantidad vectorial que representa a la
relación del voltaje reflejado al voltaje incidente 0 corriente reflejada a la
corriente incidente. Matemáticamente, el coeficiente de reflexión es gamma, f,
definido por
o también:
La relación de onda estacionaria (SWR), se define
como la relación del voltaje máximo con el voltaje mínimo, o de la corriente
máxima con la corriente mínima de una onda.
Relación de onda estacionaria
La relación de onda estacionaria (SWR), se define
como la relación del voltaje máximo con el voltaje mínimo, o de la corriente
máxima con la corriente mínima de una onda. A ello también se llama relación de
voltajes de onda estacionaria. (VSWR). En esencia es una medida de la falta de
compensación entre la impedancia de carga y la impedancia característica de la
línea de transmisión.
La ecuación correspondiente es :
(Adimensional)
Los máximos de voltaje (Vmax) se presentan cuando
las ondas incidentes y reflejadas están en fase ( es decir, sus máximos pasan
por el mismo punto de la línea, con la misma polaridad) y los mínimos de
voltaje(Vmin) se presentan cuando las ondas incidentes y reflejadas están
desfasadas 180º. La ecuación queda:
Ondas estacionarias en una línea abierta
Cuando las ondas incidentes de voltaje y corriente
alcanzan una terminación abierta, nada de la potencia se absorbe; toda se
refleja nuevamente a la fuente. La onda de voltaje incidente se refleja
exactamente, de la misma manera, como si fuera a continuar a lo largo de una
línea infinitamente larga. Sin embargo. La corriente incidente se refleja 180°
invertida de como habría continuado si la línea no estuviera abierta. Conforme
pasen las ondas incidentes y reflejadas, las ondas estacionarias se producen en la
línea. La figura 8-16 muestra las ondas estacionarias de voltaje y de
corriente, en una línea de transmisión que está terminada en un circuito
abierto. Puede verse que la onda estacionaria de voltaje tiene un valor máximo, en la terminación abierta,
y una longitud de onda de un cuarto de valor mínimo en el circuito abierto. La
onda estacionaria de corriente tiene un valor mínimo, en la terminación
abierta, y una longitud de onda de un cuarto de valor máximo en el circuito
abierto. Es lógico suponer que del voltaje máximo ocurre a través de un
circuito abierto y hay una corriente mínima.
Las características de una línea de transmisión
terminada en un circuito abierto pueden resumirse como sigue:
1. La onda incidente de voltaje se refleja de nuevo
exactamente como si fuera a continuar (o sea, sin inversión de fase).
2. La onda incidente de la corriente se refleja
nuevamente 1800 de como habría continuado.
3. La suma de las formas de ondas de corriente
reflejada e incidente es mínima a circuito abierto.
4. La suma de las formas de ondas de corriente
reflejada e incidente es máxima a circuito abierto.
Ondas estacionarias en una línea en cortocircuito
Así como en una línea de circuito abierto nada de
la potencia incidente será adsorbida por la carga, cuando una línea de
transmisión se termina en un cortocircuito. Sin embargo, con una línea en
corto, el voltaje incidente y las ondas de corriente se reflejan, nuevamente de
la manera opuesta La onda de voltaje se refleja 1800 invertidos
de como habría continuado, a lo largo de una línea infinitamente larga, y la
onda de corriente se refleja exactamente de la misma manera como si no hubiera
corto.
Las características de una línea de transmisión
terminada en corto puede resumir como sigue:
1.
La onda estacionaria de voltaje se
refleja hacia atrás 180 invertidos de cómo habría continuado.
2.
La onda estacionaria de corriente Se
refleja, hacia atrás, como si hubiera continuado.
3.
La suma de las formas de ondas
incidentes y reflejadas es máxima en el corto.
4.
La suma de las formas de ondas
incidentes y reflejadas es cero en el corto.
Para una línea de transmisión terminada en un
cortocircuito o circuito abierto, el coeficiente de reflexión es 1 (el peor
caso) y la SWR es infinita (también la condición de peor caso).
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