Características de las ondas electromagnéticas
Velocidad de la onda.

Las ondas viajan a diversas velocidades que dependen del tipo de onda y de las características del medio de propagación. Las ondas sonoras viajan, aproximadamente, a 335 m/s, en la atmósfera normal. Las ondas electromagnéticas (TEM) viajan mucho más rápido. En el espacio libre (es decir, en el vacío), viajan a la velocidad de la luz: c=299.793.000 m/s. (que se redondea a 3 X 10 a la 8 m/s). Sin embargo, en el aire de la atmósfera terrestre, viajan un poco más despacio, y por una línea de transmisión viajan a una velocidad bastante menor.

Frecuencia y longitud de onda

Las oscilaciones de una onda electromagnética son periódicas y repetitivas. Por consiguiente, se caracterizan por su frecuencia. La rapidez con que se repite la onda periódica es su frecuencia. La distancia de un ciclo en el espacio se llama longitud de onda y se calcula con la siguiente ecuación: distancia=velocidad x tiempo.
Si se sustituye el tiempo de un ciclo (un periodo) en la ecuación anterior se obtiene la longitud de un ciclo, que se llama longitud de onda.

Tipos de líneas de transmisión

En general, las líneas de transmisión se pueden clasificar en balanceadas y desbalanceadas. En las líneas balanceadas de dos alambres ambos conductores llevan corriente; uno lleva la señal y el otro es el retorno. Este tipo de transmisión se llama transmisión diferencial (o balanceada) de señal.

En una línea de transmisión desbalanceada, un alambre está al potencial de tierra, mientras que el otro tiene el potencial de la señal. A este tipo de transmisión se le llama transmisión desbalanceada o asimétrica. En la transmisión desbalanceada, el alambre de tierra puede ser también la referencia para otros conductores portadores de señal. Si ese es el caso, el alambre de tierra debe ir donde vaya cualquiera de los conductores de señal. A veces esto origina problemas, porque un tramo de alambre tiene resistencia, inductancia y capacitancia y, en consecuencia, puede existir una pequeña diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera en el conductor de tierra. En consecuencia, ese conductor no es un punto de referencia perfecto, y puede tener ruido inducido en él. Un cable coaxial normal de dos conductores es una línea desbalanceada. El segundo conductor es el blindaje; que casi siempre se conecta a tierra

Balunes

Balun es un dispositivo que se usa para conectar una línea de transmisión balanceada con una carga desbalanceada (balanced to unbalanced, balanceado/desbalanceado). También, lo que es más común, una línea de transmisión desbalanceada, como un cable coaxial, se puede conectar con una carga balanceada, como una antena, mediante un transformador especial con primario desbalanceado y secundario devanado con toma central. El conductor externo (blindaje) de una línea de transmisión desbalanceada se suele conectar a tierra. A frecuencias relativamente bajas se puede usar un transformador ordinario para aislar la tierra de la carga, como se ve en la Fig. 7. El balún debe tener un blindaje electrostático conectado a tierra física, para reducir al mínimo los efectos de las capacitancias parásitas

Tipos de líneas de transmisión.
Líneas de transmisión de conductores paralelos.
Línea de transmisión de alambre desnudo.

Es una línea de dos alambres paralelos (a corta distancia) separados por aire. Se colocan espaciadores no conductores a intervalos periódicos, para sostenerlos y mantener constante la distancia entre ellos.
La distancia entre los dos conductores en general es entre 2 y 6 pulgadas. El dieléctrico no es más que el aire entre y en torno a los dos conductores en los que se propaga la EMT. La única ventaja real de este tipo de línea de transmisión es su construcción sencilla. Como no tiene blindaje, las pérdidas por radiación son altas y es susceptible de captar ruido, éstas son las principales desventajas. Por consiguiente, estas líneas se trabajan con normalmente en el modo balanceado.

Conductores gemelos

Los conductores gemelos son otra forma de línea de línea de transmisión de dos alambres paralelos. Los conductores gemelos son, en esencia, lo mismo que la línea de transmisión de conductores desnudos, pero los separadores entre los dos conductores se reemplazan por un dieléctrico macizo continuo. Así se asegura la distancia uniforme a lo largo de todo el cable. Los dieléctricos más frecuentes son el teflón y el polietileno.

Cable de par trenzado

Un cable de par trenzado se forma torciendo entre sí dos conductores aislados. Frecuentemente, los pares se trenzan en unidades y las unidades, a su vez, están cableadas en núcleos que se cubren con varios tipos de cubiertas, dependiendo de la aplicación. Los pares vecinos se trenzan con distintos pasos (longitud de torcimiento) para reducir la interferencia debida a la inducción mutua entre los pares. Las constantes primarias del cable de par trenzado son sus parámetros eléctricos: resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia, que están sujetas a variaciones de acuerdo a las condiciones del ambiente, como temperatura, humedad y esfuerzos mecánicos, y dependen de los procesos de fabricación.

Par blindado

Para reducir las pérdidas por radiación y las interferencias electromagnéticas frecuentemente las líneas de transmisión de dos conductores paralelos se encierran con una malla metálica conductora. La malla se conecta a tierra y actúa como protección. Los conductores están separados por un material dieléctrico sólido. Toda la estructura está recubierta con una capa protectora plástica. Ver Fig. 8 (d).

Líneas de transmisión coaxial o concéntrica

Las líneas de transmisión de conductores paralelos son adecuadas para aplicaciones en baja frecuencia. Sin embargo, en altas frecuencias aumentan demasiado sus pérdidas por radiación y por dieléctrico, así como su susceptibilidad a la interferencia externa. Por lo anterior, se utilizan mucho los conductores coaxiales en aplicaciones de alta frecuencia. El cable coaxial básico consiste de un conductor central rodeado por un conductor externo concéntrico. A frecuencias de operación relativamente altas el conductor externo proporciona una excelente protección contra la interferencia externa.
Esencialmente existen dos tipos de líneas coaxiales: las rígidas y las flexibles.

En las líneas rígidas el conductor central está rodeado en forma coaxial por el conductor externo tubular y el material aislante es aire. La separación entre los conductores se realiza por medio de un espaciador, que generalmente está hecho de Pírex, polietileno o algún otro material no conductor. En las líneas de transmisión flexibles, el conductor externo está trenzado, es flexible y coaxial al conductor central. El material aislante es polietileno sólido no conductivo, que proporciona aislación entre ambos y además soporte mecánico. El conductor central es de cobre y puede ser sólido o hueco. Los coaxiales rígidos con aire, son de fabricación costosa y el aislante de aire debe estar libre de humedad para minimizar las pérdidas. Los flexibles son de construcción más sencilla, tiene menos pérdidas y son de instalación y mantenimiento sencillo.
Ambos son relativamente inmunes a la radiación externa, irradian muy poco y pueden operar en un rango de frecuencias más elevadas que las líneas de conductores paralelos. Sus desventajas son mayores costos y se deben utilizar en el modo desbalanceado.

Características de transmisión

Las características de transmisión de una línea se llaman características secundarias y son: impedancia característica y constante de propagación.

Impedancia característica

Para que exista máxima transferencia de energía de la fuente a la carga, es decir, que no haya energía reflejada, una línea de transmisión debe terminar en una carga puramente resistiva, igual a la impedancia característica de ella. La impedancia característica (Zo) , de una línea de transmisión es una magnitud compleja que se expresa en ohms, y que en el caso ideal es independiente de la longitud de la línea y no se puede medir.

Constante de propagación

La constante de propagación, a veces también denominada coeficiente de propagación, se usa para expresar la atenuación (pérdida de señal) y el desplazamiento de fase por unidad de longitud de una línea de transmisión. Cuando una onda se propaga por una línea de transmisión disminuye su amplitud con la distancia recorrida. Se usa la constante de propagación para determinar la reducción de voltaje o de corriente con la distancia, cuando una onda EMT se propaga por una línea de transmisión.

Propagación de las ondas en una línea de transmisión

Las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz cuando se propagan en el vacío, y casi la velocidad de la luz cuando lo hacen a través del aire libre. Sin embargo, en las líneas metálicas de transmisión, donde el conductor suele ser cobre, y en los materiales dieléctricos, la velocidad varía mucho según el tipo de cable, y una onda electromagnética viaja con mucha mayor lentitud.

Factor de velocidad

El factor de velocidad (también conocido como constante de velocidad) se define como la relación entre la velocidad real de propagación a través de un medio determinado y la velocidad de propagación a través del espacio vacío.

Pérdidas en líneas de transmisión

Para fines de análisis, las líneas de transmisión se consideran, con frecuencia, sin pérdidas. Sin embargo, en realidad hay varias formas en las que se pierde la energía en una línea de transmisión.
Por ejemplo, las pérdidas en el conductor, pérdidas por radiación, pérdidas por calentamiento del dieléctrico, pérdidas por acoplamiento y efecto de corona.

Pérdidas en el conductor

Como la corriente circula por una línea de transmisión, y ésta tiene una resistencia finita, hay una pérdida inherente e inevitable de potencia. A veces, a esto se le llama pérdida en el conductor o pérdidas por calentamiento del conductor . Como la resistencia está distribuida en una línea de transmisión, la pérdida en el conductor es directamente proporcional a la longitud de la línea.
La pérdida en el conductor depende algo de la frecuencia, debido a una acción llamada efecto de superficie.

Pérdidas por calentamiento del dieléctrico

Una diferencia de potencial entre los dos conductores de una línea de transmisión causa el calentamiento del dieléctrico. El calor es una forma de energía que se debe tener en cuenta cuando se propaga energía por la línea. Para las líneas con dieléctrico de aire, la pérdida por calentamiento es despreciable. Sin embargo, en las líneas rígidas el calentamiento del dieléctrico aumenta con la frecuencia.

Pérdida por radiación

Si la separación entre los conductores de una línea de transmisión es una fracción apreciable de una longitud de onda, los campos electrostático y electromagnético que rodean al conductor hacen que la línea funcione como si fuera una antena, y transfiere energía a cualquier material conductor cercano. La cantidad de energía irradiada depende del material dieléctrico, la distancia entre conductores y la longitud de la línea. Las pérdidas por radiación se reducen blindando el cable en forma adecuada. Así los cables coaxiales tienen menores pérdidas por radiación que las líneas de dos alambres paralelos. Las pérdidas por radiación también son proporcionales a la frecuencia.

Pérdida por acoplamiento

La pérdida por acoplamiento se presenta siempre que se hace una conexión con o de una línea de transmisión, o cuando se conectan dos tramos separados de línea de transmisión. Las conexiones mecánicas son discontinuidades, es decir, lugares donde se unen materiales distintos. Las discontinuidades se tienden a calentar, irradian energía y disipan potencia.

Efecto corona

Es una descarga luminosa que se produce entre dos conductores de una línea de transmisión, cuando la diferencia de potencial entre ellos excede la tensión de ruptura del dieléctrico aislante. En general, una vez que se produce el efecto corona, la línea de transmisión se destruye.

Ondas Incidentes y Reflejadas

Una línea de transmisión ordinaria es bidireccional, la energía se puede propagar por igual en ambas direcciones. El voltaje que se propaga desde la fuente hacia la carga se denomina onda incidente y el que se propaga de la carga hacia la fuente se llama, onda reflejada. De igual manera hay corrientes incidente y reflejada. En consecuencia, la potencia incidente se propaga hacia la carga, y la potencia reflejada se propaga hacia la fuente.

Líneas de transmisión resonantes y no resonantes

Una línea de transmisión sin potencia reflejada, se llama línea plana o no resonante. En una línea plana, el voltaje y la corriente son constantes en toda su longitud, si se supone que no tiene pérdidas. Cuando la carga es un corto o un circuito abierto toda la potencia incidente se refleja hacia la fuente. Si la fuente se reemplaza por un cortocircuito o un circuito abierto y la línea no tuviera pérdidas, la energía presente en la línea se reflejaría de un lado a otro (oscilaría), entre la fuente y las terminaciones de carga. Esto se denomina línea resonante. En una línea resonante, la energía es transferida en forma alternativa entre los campos magnéticos y eléctricos de la inductancia y la capacitancia distribuida de la línea.

Adaptación con stub

Cuando una carga es puramente inductiva o puramente capacitiva no absorbe energía. El coeficiente de reflexión es 1, y la relación de onda estacionaría (SWR) es infinita. Cuando la carga es una impedancia compleja, y este suele ser el caso, es necesario eliminar la componente reactiva para adaptar la línea de transmisión a la carga. Para este objetivo se utilizan líneas stub o de acoplamiento. Un stub es una línea transmisión adicional a la línea de transmisión que se acopla a la línea primaria lo más cerca posible de la carga. La susceptancia de la línea stub se usa para sintonizar la susceptancia de la carga. Para la adaptación con línea de acoplamiento se colocan líneas en corto o abiertas. Sin embargo, se prefieren las líneas en corto, porque las líneas abiertas tienen la tendencia a irradiar, en especial a frecuencias más elevadas.

Líneas de transmisión de cinta y microcinta

A frecuencias menores que unos 300 MHz, las características de las líneas de transmisión abiertas y en corto, como las descriptas antes tienen poca importancia. Así, a bajas frecuencias, las líneas de transmisión normales serían demasiado largas para tener aplicación práctica como componentes reactivos o circuitos sintonizados. Sin embargo, para aplicaciones de alta frecuencia, de 300 a 3000 MHz, se han desarrollado líneas especiales de transmisión hechas con pistas de cobre en una tarjeta de circuito impreso, llamadas microcintas y línea de cinta. También, cuando la distancia entre los extremos de la fuente y de la carga en una línea de transmisión, es de unas pocas pulgadas o menor, es impráctico usar líneas de transmisión de cable coaxial normal, simplemente porque los conectores, las terminaciones y los cables mismos son demasiado grandes.
Tanto las microcintas como las líneas de cinta, usan las pistas de cobre sobre la misma tarjeta de circuito impreso. Las pistas se pueden grabar con los mismos procesos que se usan en la fabricación de circuitos impresos, y, por lo tanto, ya no requieren más procesos de manufactura. Si las líneas se graban sólo en la superficie de la tarjeta se llaman líneas de microcinta. Cuando se graban en la capa intermedia de una tarjeta de varias capas se llaman líneas de cinta. Las microcintas y las líneas de cinta se pueden usar como líneas de transmisión, inductores, capacitores, circuitos sintonizados, filtros,desplazadores de fase y dispositivos de acoplamiento de impedancia.

Microcinta

Una microcinta no es más que un conductor plano separado de un plano de tierra con un material dieléctrico aislante

ores de fase y dispositivos de acoplamiento de impedancia.

Línea de cinta

Una línea de cinta no es más que un conductor plano colocado entre dos planos de tierra,