Líneas de transmisión: Ondas

Electrónica. Antenas. Feeders. Tipos. Cables. Circuitos. Pérdidas

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ONDAS ELECTROMAGNETICAS TRANSVERSALES

Líneas de transmisión: Ondas
La propagación de energía eléctrica a lo largo de la línea de transmisión ocurre en forma de ondas electromagnéticas transversales (TEM). Una onda es un movimiento oscilatorio. La vibración de una partícula produce vibraciones similares en las partículas cercanas. Una onda TEM se propaga principalmente en un no conductor (dieléctrico) que separa los dos conductores de una línea de transmisión. Por lo tanto, una onda viaja o se propaga a través de un medio. Para una onda transversal, la dirección de desplazamiento es perpendicular a la dirección de propagación. Una onda superficial de agua es una onda longitudinal. Una onda en donde el desplazamiento está en la dirección de propagación se llama onda longitudinal. Las ondas de sonido sen longitudinales. Una onda electromagnética (EM), se produce por la aceleración de una carga eléctrica. En un conductor, la corriente y el voltaje siempre están acompañados por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (II), en la región de espacio colindante. La figura 8-1b muestra las relaciones espaciales entre los campos E y H de una onda electromagnética. La figura 8-lb muestra una vista transversal de los campos E y H que rodea una línea coaxial y de dos cables paralelos. Puede verse que los campos de E y H son perpendiculares, el uno al otro (en ángulos de 900), en todos los puntos. A esto se le conoce como cuadratura de espacio. Las ondas electromagnéticas que viajan a lo largo de una línea de transmisión, desde la fuente a la carga, se llaman ondas incidentes, y aquellas que viajan desde la carga nuevamente hacia la fuente se llaman ondas reflejadas. Características de las ondas electromagnéticas.

Velocidad de onda. Las ondas viajan a distintas velocidades, dependiendo del tipo de onda y de las características del medio de propagación. Las ondas de sonido viajan aproximadamente a 1100 pies/s en la atmósfera normal. Las ondas electromagnéticas viajan mucho más rápido. En el espacio libre (un vacio), las ondas TEM viajan a la

velocidad de la luz, c = 186,283 mi/s o 299,793,000 mIs, redondeado a 186,000 mi/s y 3 x 10 mis. Sin embargo, en el aire (como en la atmósfera de la Tierra), las ondas TEM viajan ligeramente más despacio, y las ondas electromagnéticas viajan considerable mente más lentas a lo largo de una linea de transmisión.

Frecuencia y longitud de onda. Las oscilaciones de una onda electromagnética son periódicas y repetitivas. Por lo tanto, se caracterizan por una frecuencia. La proporción en la que la onda periódica se repite es su frecuencia. La distancia de un ciclo ocurriendo en el espacio se llama la longitud de onda y se determina por la siguiente ecuación fundamental:

distancia = velocidad X tiempo (8-1)

Si el tiempo para un ciclo se sustituye en la ecuación 8-1, obtenemos la longitud de un ciclo, que se llama longitud de onda y cuyo símbolo es la letra mini griega lambda (2)

ð= velocidad x periodo

ðð v X T

Para la propagación en el espacio libre, v = c; por lo tanto, la longitud de un ciclo es

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La figura 8-2 muestra una gráfica del desplazamiento y velocidad de una onda transversal, conforme se propaga a lo largo de una línea de transmisión, desde una fuente a una carga. El eje horizontal (x) es la distancia y el eje vertical (y) es el desplazamiento. Una longitud de onda es la distancia cubierta por un ciclo de la onda. Puede verse que la onda se mueve a la derecha o se propaga a lo largo de la línea con el tiempo. Si se coloca un voltímetro en cualquier punto estacionario de la linea, el voltaje medido fluctuará de 0 a máximo positivo, nuevamente a cero, a máximo negativo, nuevamente a cero, y luego se repite el ciclo.

TIPOS DE LINEAS DE TRANSMISION

Las líneas de transmisión pueden clasificarse generalmente como balanceadas o desbalanceadas. Con líneas balanceadas de dos cables, ambos conductores llevan una corriente; un conductor lleva la señal y el otro es el regreso. Este tipo de transmisión se llama transmisión de señal diferencial o balanceada. La señal que se propaga a lo largo del cable se mide como la diferencia potencial entre los dos cables. La figura 8-3 muestra un sistema de transmisión balanceada. Ambos conductores, en una línea balanceada. llevan la corriente de la señal, y las corrientes son iguales en magnitud con respecto a la tierra eléctrica pero viajan en direcciones opuestas. Las corrientes que fluyen en direcciones opuestas por un par de cables balanceados se les llaman corrientes de circuito metálico. Las corrientes que fluyen en las mismas direcciones se llaman corrientes longitudinales. Un par de cables balanceado tienen la ventaja que la mayoría de la interferencia por ruido (a veces llamada el voltaje de modo común) se induce igualmente en ambos cables, produciendo corrientes longitudinales que se cancelan en la carga. Cualquier par de cables puede operar en el modo balanceado siempre y cuando ninguno de los cables esté con el potencial a tierra. Esto incluye el cable coaxial que tiene dos conductores centrales y una cubierta metálica generalmente se conecta a tierra para evitar interferencia estática al penetrar a los conductores centrales.

La figura 8-4 muestra el resultado de las corrientes metálicas y longitudinales en una linea de transmisión balanceada. Puede verse que las corrientes longitudinales (frecuentemente producidas por la interferencia estática) se cancelan en la carga.

Con una Línea de transmisión desbalanceada, un cable se encuentra en el potencial de tierra, mientras que el otro cable se encuentra en el potencial de la señal. Este tipo de transmisión se llama transmisión de señal desbalanceada o de terminación sencilla. Con la transmisión de señal desbalanceada, el cable de tierra también puede ser la referencia a otros cables que llevan señales. Si éste es el caso, el cable a tierra debe ir en donde va

cualquiera de los cables de señal. A veces esto crea un problema porque una longitud de cable tiene resistencia, inductancia, y capacitancía, por lo tanto, puede existir una pequeña diferencia de potencial, entre cualquiera de los dos puntos, en el cable de tierra. En consecuencia, el cable de tierra no es un punto de referencia perfecto y es capaz de inducir un ruido en él. Un cable coaxial estándar de dos conductores es una línea desbalanceada. El segundo cable es la cubierta, que generalmente se conecta a tierra.

La figura 8-5 muestra dos sistemas de transmisión desbalanceada. La diferencia de potencial en cada cable de señal se mide, desde ese cable de tierra. Las líneas de transmisión balanceadas pueden conectarse a líneas desbalanceadas, y viceversa, por medio de transformadores especiales llamados balunes* que se discuten posteriormente en este capitulo.

Líneas de transmisión de conductor paraleloLíneas de transmisión: Ondas
Linea de transmisión de cable abierto. Una linea 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 linea 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 linea de transmisión de cable abierto, excepto que los espaciadores que están entre los dos conductores se reemplazan 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 coestable. Además, el conductor externo de un cable coaxial general mente está unido a tierra, to que limita su uso a las aplicaciones desbalanceadas.

Esencialmente, hay dos tipos de cables coaxiales: líneas rígidas llenas de aire Y lineas sólidas flexibles. La figura 8.7a muestra una Línea coaxial rígida de aire. Puede verse que el conductor central está rodeado en forma coaxial por un conductor externo tubular y el material aislante es el aire. El conductor externo físicamente está aislado y separado del conductor central por un espaciador, que generalmente está hecho de Pirex poliestireno, o algún otro material no conductivo. La figura 8-7b muestra un cable coaxial sólido flexible. El conductor externo está trenzado, es flexible y coaxial a! conductor central. 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 linea 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 capacitan cías 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.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA L DE TRANSMISION

Lineas distribuidas uniformemente

Las características de una linea de transmisión se determinan por sus propiedades eléctricas, como la conductancia de los cables y la constante dieléctrica del aislante. y sus propiedades físicas, como el diámetro del cable y los espacios del conductor. Estas pro piedades, a su vez, determinan las constantes eléctricas primarias: resistencia de cd en serie (R) inductancia en serie (L), capacitancia de derivación (C), y conductancia de derivación (G). La resistencia y la inductancia ocurre a lo largo de la línea, mientras que entre los dos conductores ocurren la capacitancia y conductancia. Las constantes primarias se distribuyen de manera uniforme a lo largo de la línea y, por lo tanto, se les llama comúnmente parámetros distribuidos. Para simplificar el análisis, los parámetros distribuidos comúnmente se agrupan, por una longitud unitaria dada, para formar un modelo eléctrico artificial de la línea. Por ejemplo, la resistencia en serie generalmente se da en ohms, por milla o kilómetro.

La figura 8-9 muestra el circuito equivalente eléctrico para una línea de transmisión, de dos cables, metálica, indicando el lugar relativo de los distintos parámetros agrupados. La conductancia entre los dos cables se muestra en una forma reciproca y se indica como una resistencia de derivación dispersa (Rs).

Características de la transmisión

Las características de una linea 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 ha línea. La impedancia característica (Z 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 ye desde una línea infinitamente larga o la impedancia que se ye desde el largo finito de una línea que se termina en una carga totalmente resistiva igual a la impedancia característica de ha 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 ha 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 ha carga (esto supone una línea totalmente sin pérdidas).

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La figura 8-10 muestra una sola sección de una linea de transmisión terminada en una carga ZL que es igual a Z La impedancia que ye desde una linea de n secciones sucesivas se determina de la siguiente expresión:

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en donde n es el número de secciones. Para un n6mero infinito de secciones ZL/n se acerca a 0 Si

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Entonces

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Donde

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Por lo tanto,

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o

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Para frecuencias e bajas, dominan las resistencias y la ecuación 8-5 se simplifica a

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Para frecuencias extremadamente altas, la inductancia y la capacitancia dominan y la

ecuación 8-5 se simplifica a

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Puede verse de la ecuación 8-7 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, se ye 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.

Esto se muestra en la figura 8-11. Nueva mente, para mantener la simplicidad, solamente se consideran la resistencia en serie R y la resistencia de derivación RSh. Matemáticamente, Z es:

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Agregando una segunda sección, Z nos da

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y una tercera sección, Z es

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Constante de propagación. 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 ye 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

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en donde y constante de propagación

a = coeficiente de atenuación (nepers por unidad de longitud)

/3 = coeficiente de desplazamiento de fase (radianes por unidad de longitud)

La constante de propagación es una cantidad compleja definida por

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Ya que un desplazamiento de fase de 2 rad ocurre sobre una distancia de una longitud de onda

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A frecuencias de radio e intermedias wL> R y wC> G por lo tanto

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y

La distribución de la corriente y el voltaje a lo largo de la línea de transmisión que se termina en una carga igual a su impedancia característica (una línea acoplada) se determinan con las formulas

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en donde

I. = corriente en el extremo de la fuente de la linea

Vs= voltaje en el extremo de la fuente de la linea y constante de propagación

1 = distancia de la fuente en donde se determina la corriente o el voltaje

Para una carga acoplada ZL = Z y para una longitud determinada de cable 1, la pérdida en el voltaje o corriente de la señal es la parte real de y 1, y el desplazamiento de fase es ha parte imaginaria.

Como se indicó anteriormente, las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz, al propagarse a través de un vació, y casi a la velocidad de la luz, cuando se propagan por el aire. Sin embargo, en las lineas de transmisión metálica, donde el Conductor generalmente es de cobre y los materiales dieléctricos varían, considerablemente, de acuerdo con el tipo de cable, una onda electromagnética viaja mucho más lenta.

Factor de velocidad

El factor de velocidad (a veces llamado constante de velocidad) se define simplemente como la relación de la velocidad real de propagación, a través de un medio determinado a la velocidad de propagación a través del espacio libre. Matemáticamente, el factor de velocidad es

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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

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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 lineas 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 lineas 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,

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Substituyendo por el tiempo da

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Si la distancia se normaliza a 1 m, la velocidad de propagación para una linea sin perdidas es:

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Longitud eléctrica de una linea de transmisión

La longitud de una linea de transmisión relativa a la longitud de onda que se propaga hacia abajo es una consideración importante, cuando se analiza el comportamiento de una linea 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 lineas de transrnisión se aplican a las lineas 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 linea en 6 GHz es larga (A = 5 cm; la línea es de 200 longitudes de onda de longitud).

PERDIDAS EN LA LINEA DE TRANSMISIÔN

Para propósitos de análisis, las lineas de transmisión frecuentemente se consideran total mente sin pérdidas, Sin embargo, en realidad, hay varias formas en que la potencia Se pierde en la línea de transmisión. Son pérdida del conductor, pérdida por radiación, pérdida por el calentamiento del dieléctrico, pérdida por acoplamiento, y descarga luminosa (corona).

Pérdida del conductor

Debido a que la corriente fluye, a través de una línea de transmisión, y la línea de transmisión tiene una resistencia finita, hay una pérdida de potencia inherente e inevitable. Esto a veces se llama pérdida del conductor o pérdida por calentamiento del conductor y es, simplemente, una pérdida de FR. Debido a que la resistencia se distribuye a lo largo de la línea de transmisión, la pérdida del conductor es directamente proporcional al cuadrado de la longitud de línea. Además, porque la disipación de potencia es directamente proporcional al cuadrado de la corriente, la pérdida del conductor es inversamente proporcional a la impedancia característica. Para reducir las pérdidas del conductor, simplemente debe acortarse la línea de transmisión, o utilizar un cable de diámetro más grande (deberá mantenerse en mente que cambiar el diámetro del cable, también cambia la impedancia característica y, en consecuencia, la corriente).

La pérdida del conductor depende en parte de la frecuencia. Esto se debe a una acción llamada efecto piel. Cuando fluye una corriente a lo largo de un cable redondo aislado, el flujo magnético asociado con él está en la forma de círculos concéntricos. Esto se muestra en la figura 8-13. Puede verse que la densidad de flujo, cerca del centro del conductor, es mayor que cerca de la superficie. En consecuencia, las lineas de flujo. cerca del centro del conductor, rodean la corriente y reducen la movilidad de los electrones rodeados. Esta es una forma de auto inductancia (inductancia propia) y hace que la inductancia cerca del centro del conductor sea mayor que en la superficie. Por lo tanto. en radiofrecuencias, la mayoría de la corriente fluye a lo largo de la superficie (pie! externa), en lugar de cerca del centro del conductor. Esto es equivalente a reducir el área transversal del conductor e incrementar la oposición del flujo de corriente (o sea, resistencia). La oposición adicional tiene un ángulo de fase de 00 y, por lo tanto, es una resistencia y no una reactancia. Por lo tanto, la resistencia ca del conductor es proporcional.

a la raíz cuadrada de la frecuencia. La relación de la resistencia en ca con la resistencia en cd de un conductor se llama la relación de resistencia. Arriba de aproximadamente 100 MHz, el centro de un conductor puede quitarse completamente y no tener absolutamente ningún efecto en ci total de la pérdida del conductor o propagación de onda EM. La pérdida del conductor, en las lineas de transmisión, varía desde una fracción de un decibel por 100 m para cable coaxial con dieléctrico rígido de aire, hasta 200 dB p

100 m para una linea flexible con dieléctrico sólido.

Pérdida por radiación

Si la separación, entre los conductores en una linea 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. La cantidad de energía difundida depende del material dieléctrico, los espacios del conductor, y la longitud de la línea. Las pérdidas por radiación se reducen protegiendo adecuadamente del cable. Por lo tanto, los cables coaxiales tienen menos pérdidas por radiación que las lineas de dos cables paralelos. La pérdida por radiación, también es directamente proporcional a la frecuencia.

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 lineas dieléctricas de aire, la pérdida de calor es despreciable. Sin embargo, para lineas 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 `iflea 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.

ONDAS INCIDENTES Y REFLEJADAS

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.

Lineas 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 inciden te 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 IInea de transmisión, y una carga con sus ondas incidentes y reflejadas correspondientes.

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

Líneas de transmisión: Ondas

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ONDAS ESTACIONARIAS

Cuando Z0 = ZL, la carga absorbe toda la potencia incidente. Esto se llama línea acoplada. Cuando 4  ZL, parte de la potencia incidente es absorbida por la carga y parte se regresa (refleja) a la fuente. Esto se llama la línea sin acoplar o desacoplada. Con una línea desacoplada, hay dos ondas electromagnéticas que viajan en direcciones opuestas y están presentes en la línea todo el tiempo (estas ondas, de hecho, se llaman ondas viajeras). Las dos ondas viajeras establecen un patrón de interferencia conocido como onda estacionaria. Esto se muestra en la figura 8-15. Conforme las ondas incidentes Y reflejadas se cruzan entre si, se producen en la línea patrones estacionarios de voltaje y de corriente. A estas ondas se les llama ondas estacionarias, porque parece que permanecen en una posición fija en la línea, variando solamente en amplitud. La onda estacionara tiene un mínimo (nodos) separado por la mitad de una longitud de onda de las ondas viajeras y un máximo (antinodos), también separado por la mitad de una longitud de 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.

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Ondas estacionarias en una linea 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 linea 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:

  • La onda estacionaria de voltaje se refleja hacia atrás 180 invertidos de como

  • habría continuado.

  • La onda estacionaria de corriente Se refleja, hacia atrás, como si hubiera continuado.

  • La suma de las formas de ondas incidentes y reflejadas es máxima en el corto.

  • La suma de las formas de ondas incidentes y reflejadas es cero en el corto.

  • Para una linea 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).

    IMPEDANCIA DE ENTRADA DE LA LINEA DE TRANSMISION

    En la sección anterior se mostró que, cuando una linea de transmisión se termina en corto circuito o circuito abierto, hay una inversión de impedancia, cada cuarto de longitud de onda. Para una linea sin pérdidas, la impedancia varia de infinito a cero. Sin embargo, en una situación más real, donde ocurren pérdidas de potencia, la amplitud de la onda reflejada es siempre menor que el de la onda incidente, excepto en la terminación. Por lo tanto, la impedancia varia de algún valor máximo a algún valor mínimo, o viceversa, dependiendo de si la línea se termina en un corto o un circuito abierto. La impedancia de entrada para una línea sin pérdidas, vista desde una línea de transmisión que está terminada en un corto o Un circuito abierto puede ser resistiva, inductiva, o capacitiva, dependiendo de la distancia que exista desde la terminación.

    Los diagramas fasoriales se utilizan generalmente para analizar la impedancia de entrada de una línea de transmisión porque son relativamente simples y dan una representación gráfica de las relaciones entre las fases de voltaje y corriente. Las relaciones entre la fase de voltaje y corriente se refieren a las variaciones en tiempo.