Línea de transmisión
Una línea de transmisión es un conjunto de dos conductores que llevan juntos una señal eléctrica , desde una fuente (o transmisor) a una carga (o receptor). Un par de conductores debe considerarse como una línea de transmisión siempre que su longitud sea del mismo orden de magnitud , o más, que la longitud de onda de la frecuencia más alta de la señal que se va a transmitir.
Al estar la carga conectada al final de la línea, la línea permite encontrar, en su entrada, en su otro extremo, la misma resistencia que la carga, sea cual sea la longitud de la línea. Esta es la condición de funcionamiento ideal, que se logra si la resistencia de la carga es igual a la impedancia característica de la línea. Podemos decir que la línea permite transportar ficticiamente la carga cerca de la fuente de las señales.
Las líneas de transmisión más comunes son los cables coaxiales , las líneas de cable del par trenzado y las "pistas" de las tarjetas electrónicas rápidas.
Una línea de transmisión se caracteriza por su impedancia característica , su constante de atenuación que especifica las pérdidas en la línea y la velocidad de propagación de la señal, que depende del dieléctrico utilizado para fabricar la línea.
Solicitud
En la práctica, se utiliza una línea de transmisión, por ejemplo, para transportar la señal desde un transmisor a una antena; o viceversa para transportar la señal desde una antena a un receptor. En estos dos casos, la impedancia característica del cable coaxial es generalmente de 50 ohmios . Las señales de video y las de antenas de televisión normalmente pasan por líneas de transmisión de cable coaxial con una impedancia característica de 75 Ω .
Una línea de transmisión también se utiliza para transportar señales telefónicas, digitales o analógicas, en forma de par trenzado de impedancia característica 110 Ω , o anteriormente 600 Ω en conductores aéreos.
También hay líneas de transmisión de computadoras . Con frecuencias de reloj altas, la longitud de onda de la señal es de solo unos pocos decímetros, comparable a las distancias que se deben recorrer entre una unidad central y los periféricos. La transmisión en serie se realiza a menudo en líneas de transmisión de longitud comparable. En tarjetas digitales muy rápidas, la línea consta de una pista de ancho dado, para obtener la impedancia característica deseada y no distorsionar las señales transmitidas entre dos circuitos integrados .
Transmisión de energía eléctrica
No se busca la coincidencia de impedancia. En particular, en la red de transmisión de energía eléctrica , la fuente debe mantener una impedancia baja con respecto a la carga: la tensión de la red debe caer lo menos posible cuando se utiliza energía.
La falta de adaptación carece además de consecuencias notables: la frecuencia de la corriente alterna distribuida es de 50 Hz o 60 Hz según las regiones del mundo; se necesitaría una línea de varias decenas de miles de kilómetros antes de que se manifestaran los efectos adversos. En el transporte de energía a largas distancias, las pérdidas resistivas son mayores.
Cálculo de líneas
Modos de propagación
Se trata aquí de líneas formadas por dos conductores; para estas líneas, los campos eléctrico (E) y magnético (H) son perpendiculares a la dirección de la línea: este es el modo TEM. Existen otros modos de propagación, utilizados en frecuencias de microondas: Ver guía de ondas .
Impedancia de entrada
La impedancia característica de una línea de transmisión es la relación de las amplitudes entre una onda de un voltio y su onda de corriente.
Dado que la mayoría de las líneas tienen ondas reflejadas, la impedancia característica no suele ser la impedancia medida en la línea. Para una línea de transmisión de longitud d , podemos mostrar que en la posición l de la carga, la impedancia medida para una impedancia de carga viene dada por:
donde se llama exponente de propagación ( )
Para una línea de transmisión sin pérdidas (equivalente a ), la impedancia de entrada viene dada por:
Estas fórmulas muestran que si la línea está cargada por su impedancia característica, encontramos esta impedancia en el otro extremo, sea cual sea L y sea cual sea λ. Decimos que la línea funciona en onda viajera. Esta es normalmente la condición ideal que debe buscarse.
Al igual que las fórmulas anteriores, el gráfico de Smith permite encontrar la impedancia al final de la línea, si el otro extremo no está cargado por la impedancia característica. Esta impedancia depende entonces de la longitud de la línea y de λ. La línea es entonces el asiento de las ondas estacionarias , debido a los reflejos en las roturas de impedancia. La proporción de onda reflejada es proporcional al cociente de la diferencia por la suma de las impedancias antes y después de la ruptura.
Adaptación de impedancia
La adaptación de impedancias consiste en buscar presentar en la fuente una resistencia igual a su resistencia interna. La línea permite esta adaptación de impedancia, incluso si la fuente y la carga están distantes.
Longitud eléctrica de una línea
La velocidad de propagación de señales en una línea no es la misma que la de una onda en el vacío. Para un cable coaxial, la velocidad se divide por la raíz cuadrada de la constante dieléctrica del aislante. Este parámetro es importante si se desea construir líneas equivalentes a una fracción de longitud de onda.
Ejemplo: cable coaxial RG58:El dieléctrico de polietileno del cable RG58 tiene una constante dieléctrica de 2,3.
La velocidad de propagación en una línea construida con este cable es igual a
La longitud de onda λ en el cable para una frecuencia f es
Una línea llamada "cuarto de onda" con un coaxial RG58 debería medir 0,66 veces el cuarto de onda en el vacío.
| Material | Coeficiente de velocidad |
|---|---|
| coaxial de polietileno completo | 0,66 |
| polietileno ventilado coaxial | Aproximadamente 0.82 |
| teflón coaxial | 0,70 |
| circuito impreso epoxi | Aproximadamente 0.55 |
| guía de ondas | mayor que 1 (ver velocidad de fase en las guías) |
La velocidad de propagación puede variar según la frecuencia, si la propagación no se realiza en modo transversal eléctrico y magnético (modo TEM). En cables coaxiales, líneas de dos hilos, líneas de microcinta, etc., el modo TEM es el modo principal, y podemos considerar que la velocidad de propagación es idéntica para todas las frecuencias.
Sin embargo, para otros modos de propagación, que se encuentran en el dominio de microondas , la velocidad de propagación depende de la frecuencia. Luego decimos que la línea es dispersiva. Esto puede ser un problema para la transmisión de señales de banda ancha; de hecho, si los diferentes componentes del espectro no tienen la misma velocidad, no se recibirán al mismo tiempo, habrá distorsión.
Línea resonante
Si una línea está cargada con impedancia cero o infinita, vemos que la impedancia en su otro extremo depende en gran medida de la longitud. En particular, si una línea de un cuarto de longitud de onda está en cortocircuito, hay una impedancia infinita en su otro extremo. Estas propiedades se utilizan para producir resonadores, en lugar de circuitos LC. Por tanto, hay resonadores de cuarto de onda, media onda, etc.
Los "resonadores TEM" de cuarto de onda o media onda se encuentran hoy en día formados por una línea con un aislante cerámico con una constante dieléctrica muy alta (36 a 90) que permite producir resonadores de pequeñas dimensiones.
Notas y referencias
- Comisión Electrotécnica Internacional : Electropedia 131-12-86 .
- Comisión Electrotécnica Internacional , Electropedia 726-03-08
- Estos modos también se encuentran en fibras ópticas , que pueden combinarse con líneas de transmisión en un sistema.
- Jean-Philippe Muller, “ Propagation guidée sur les lines ” (consultado el 11 de noviembre de 2016 ) .