Cable de ondas

Teoria electromagnética. Medios de transmisión. Canales. Propagación. Materiales. Fibras

  • Enviado por: Pepe
  • Idioma: castellano
  • País: México México
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GUÍAS DE ONDAS

El mundo de las comunicaciones está basado en la transmisión de información mediante ondas electromagnéticas (OEM) entre un emisor y un receptor. Fundamentalmente podemos dividir esta transmisión en dos tipos fundamentales:

 

  • A través de un cable o guía de ondas (GdO).

  • Radiación de OEM a través del aire, el espacio libre o de un medio dieléctrico.

 

La búsqueda de canales con baja atenuación y la necesidad de enviar señales con un ancho de banda cada vez mayor ha hecho que las GdO, que son el objeto de estudio de este proyecto, jueguen un papel cada vez más importante en del conjunto de medios físicos para la comunicación. La televisión por cable, la telefonía, Internet, etc. obligan a un uso cada vez mayor de GdO, en particular de fibras ópticas.

Se llama GdO a cualquier estructura, o parte de una estructura, que hace que una OEM se propague en una dirección determinada, con algún grado de confinamiento en el plano transversal a la dirección de propagación. El guiado de las ondas se consigue debido a la conexión entre los campos y las cargas o corrientes en los contornos o bien por condiciones de reflexión en los límites. Su origen se sitúa en los años 30 cuando se empezaron a utilizar en radares y emisoras de radio de frecuencias de microondas.

La estructura y el material de construcción de les GdO depende de la frecuencia de les ondas que deben transportar. Para frecuencias del orden de las microondas son habitualmente sistemas abiertos o cerrados de conductores metálicos. A frecuencias ópticas se utilizan GdO dieléctricas.

Todas ellas presentan la característica común de que, si la frecuencia es suficientemente alta, diversas configuraciones de los campos eléctrico y magnético (los llamados modos) se pueden propagar en la misma guía simultáneamente, aunque con diferentes velocidades. La estructura de estos modos es a menudo bastante complicada y difícil de visualizar debido a su estructura tridimensional.

El objetivo de este proyecto es precisamente la visualización gráfica de estos modos para una guía de ondas rectangular de paredes conductoras.

Es necesario comentar también que todas las GdO tienen una frecuencia de corte por debajo de la cual la transmisión es imposible. Esta frecuencia es inversamente proporcional a la dimensión transversal de la guía. Esto produce que sean factibles para la transmisión de señales de frecuencias a partir de 1GHz (microondas) ya que a frecuencias menores requerirían unas dimensiones demasiado grandes.

 

Guía de ondas rectangular

 

La GdO rectangular de paredes conductoras es la más importante de les GdO en forma de tubo. Consideramos una región dieléctrica de ancho a y altura b que se estiende indefinidamente en la dirección axial (z) y que está totalmente cerrada por paredes conductoras.

 

Cable de ondas

 

Con el objetivo de encontrar los modos de la GdO se tiene que encontrar la solución de las ecuaciones de Maxwell bajo las condiciones de contorno impuestas por las características de la guía. Se supone que la región dieléctrica limitada por los conductores no tiene pérdidas y por tanto la densidad de corriente eléctrico en el su interior es nula, Cable de ondas
. La dependencia en la posición y el tiempo de los campos que consideramos es:

 

Cable de ondas

Cable de ondas

 

donde usamos la habitual notación compleja y el superíndice + (-) indica una OEM que se propaga en el sentido positivo (negativo) del eje z.

Las ecuaciones de Maxwell que gobernaran el comportamiento de las ondas son:

 

Cable de ondas

Cable de ondas

 

donde Cable de ondas
son respectivamente el campo eléctrico, el vector de inducción magnética, el campo magnético y el desplazamiento eléctrico. A partir de estas ecuaciones se llega a las ecuaciones de onda vectoriales:

 

Cable de ondas

Cable de ondas

 

donde Cable de ondas
son la permisividad eléctrica y la permeabilidad magnética del medio dieléctrico, respectivamente.

Las soluciones de estas ecuaciones se pueden descomponer en clases que reciben el nombre de modos y que pueden ser, en general, de los siguientes tipos:

 

  • Modos transversales magnéticos (TM) en los cuales Cable de ondas
    .

  • Modos transversales eléctricos (TE) en los cuales Cable de ondas
    .

  • Modos transversales electromagnéticos (TEM) en las que tanto Cable de ondas
    como Cable de ondas
    .

 

En las GdO vacías como las que estudiaremos aquí se puede demostrar que no existen los modos TEM, que per otra parte son los dominantes en los sistemas de dos conductores, como los cables coaxiales.

Fibra optica

La Historia de la comunicación por la fibra óptica es relativamente corta. En 1977, se instaló un sistema de prueba en Inglaterra; dos años después, se producían ya cantidades importantes de pedidos de este material.

Antes, en 1959, como derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin de que los mensajes se transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura.

Sin embargo esta utilización del láser era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales adecuados para hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en la fuente denominada láser.

Fue entonces cuando los científicos y técnicos especializados en óptica dirigieron sus esfuerzos a la producción de un ducto o canal, conocido hoy como la fibra óptica. En 1966 surgió la propuesta de utilizar una guía óptica para la comunicación.

Esta forma de usar la luz como portadora de información se puede explicar de la siguiente manera: Se trata en realidad de una onda electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, con la única diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrómetros en lugar de metros o centímetros.

COMO PORTADORA DE INFORMACION En poco más de 10 años la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica.

Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos: El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia. Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son ideales para incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión.

Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos Tienen un gran ancho de banda, que puede ser utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo por canal; De esta forma es considerable el ahorro en volumen en relación con los cables de cobre.

Con un cable de seis fibras se puede transportar la señal de más de cinco mil canales o líneas principales, mientras que se requiere de 10,000 pares de cable de cobre convencional para brindar servicio a ese mismo número de usuarios, con la desventaja que este último medio ocupa un gran espacio en los ductos y requiere de grandes volúmenes de material, lo que también eleva los costos.

Comparado con el sistema convencional de cables de cobre donde la atenuación de sus señas, ( decremento o reducción de la onda o frecuencia ) es de tal magnitud que requieren de repetidores cada dos kilómetros para regenerar la transmisión, en el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km. Sin que halla necesidad de recurrir a repetidores lo que también hace más económico y de fácil mantenimiento este material.

Originalmente, la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su enorme ancho de banda; sin embargo, con el tiempo se ha planteado para un amplio rango de aplicaciones además de la telefonía, automatización industrial, computación, sistemas de televisión por cable y transmisión de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros.

CONCEPTO DE TRANSMISION En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original. El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo ), empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida.

En resumen, se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra óptica funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED'S (diodos emisores de luz ) y lasers.

Los diodos emisores de luz y los diodos lasers son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para manejarlos son características atractivas.

TIPOS DE FIBRA

La fibra óptica está considerada aún como una tecnología relativamente nueva con respecto a los otros soportes. Su ya extendida utilización, se encuentra en plena evolución. Se utiliza un haz de luz modulado. Una guía cilíndrica de diámetro muy pequeño (de 10 a 300 m m), recubierta por un aislante, transporta la señal luminosa. El haz de luz se propaga, por el núcleo de la fibra. El diámetro exterior varía entre 100 y 500 m m
Hubo que esperar hasta los años 60 y a la invención del láser para que este tipo de transmisión se desarrollase. Existen tres tipos de fibras, diferenciándose por el índice de refracción de los materiales que la constituyen y el diámetro de su núcleo:

COMPONENTES DE LA FIBRA

El Núcleo - En sílice, cuarzo fundido o plastico - en el cual se propagan las ondas ópticas. Diametro: 50 o 62,5 um para la fibra multimodo y 9um para la fibra monomodo.

La Funda Óptica - Generalmente de los mismos materiales que el núcleo pero con aditivos que confinan las ondas ópticas en el nucleo.

El revestimiento de protección - por lo general esta fabricado en plástico y asegura la protección mecánica de la fibra.

Principales Características

  • Alta Velocidad de propagación

  • Atenuación Debil, transporte a largas distancias.

  • Sin problemas de toma de tierra

  • Inmunidad contra las perturbaciones electromagnéticas.

  • Sin Diafonía

  • Instalación en medio explosivo

  • Discreción e inviolavilidad de la conexión

  • Resistencia a la corrosión

FIBRA MONOMODO

Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. El dibujo muestra que sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único ). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 m m. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión que aún se dominan mal.

Cable de ondas

FIBRA MULTIMODO DE INDICE GRADIANTE GRADUAL

Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se puede ver en el dibujo. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra.
La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 m (diámetro del núcleo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras:
.multimodo de índice escalonado 100/140mm;
. multimodo de índice de gradiente gradual 50/125 mm;

FIBRA MULTIMODO DE INDICE ESCALONADO

Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado

FIBRA MULTIMODO DE INDICE ESCALONADO

TABLA DE COMPARACIÓN DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

Características

Fibras Multimodo

Fibras monomodo

índice escalonado

índice de gradiante gradual

Diámetro del núcleo

100µm<Ø<600µm

50µm<Ø<100µm

8µm<Ø<10µm

Diámetro de cubierta

140µm<Ø<1000µm

25µm<Ø<150µm

125µm

Índice del cucleo

constante

carece del centro a la periferia

creciente o decreciente

Apertura numérica

0.30

0.20 a 0.27

muy pequeña I=0

Banda de Paso

20 a 10 Mhz/Km

200 a 1200 Mhz/km

>10Ghz/Km,
no significativa

Atenuación según las ventanas

 

 

 

0,85µm

8 a 20 dB/Km

 

 

1,3µm

 

2,5 a 4 dB/Km

0,3 a 0,5 dB/Km

1,55µm

 

0,6 a 1,5 dB/Km

0,150 a 0,3dB/KM

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