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- 2. ESCUELA DE COMUNICACIONES DEL EJERCITO CURSO DE OPERADORES HARRIS VIEW AÑO 2012
- 3. LINEAS DE TRANSMISION Y ANTENAS
- 4. TEMAS DE CLASE Líneas de transmisión. Introducción.- Ondas eléctricas transversales Características de las ondas electromagnéticas. Tipos de transmisión en líneas de transmisión Tipos de líneas de transmisión Características de una línea de transmisión. Constantes eléctricas primarias Características secundarias Propagación de una onda Ejercicios
- 5. LINEAS DE TRANSMISION INTRODUCCION.- Una línea de transmisión es una estructura material utilizada para dirigir la transmisión de energía en forma de ondas electromagnéticas, comprendiendo el todo o una parte de la distancia entre dos lugares que se comunican. Las líneas de transmisión exclusivamente son aquellos medios de transmisión con soporte físico, susceptibles de guiar ondas electromagnéticas en modo TEM (modo transversal electromagnético).
- 6. LINEAS DE TRANSMISION Un modo TEM se caracteriza por el hecho de que tanto el campo eléctrico, como el campo magnético que forman la onda son perpendiculares a la dirección en que se propaga la energía; sin existir, por tanto componente de los campos en la dirección axial (dirección en que se propaga la energía). Para que existan propagación energética en modo TEM, es necesario que existan al menos dos conductores eléctricos y un medio dieléctrico entre ambos (que puede incluso ser aire o vacío). Ejemplos de líneas de transmisión son el cable bifilar, el cable coaxial, y líneas planares.
- 7. LINEAS DE TRANSMISION Cuando el modo de propagación es TEM, se pueden definir, sin ambigüedad, tensiones y corrientes, y el análisis electromagnético de la estructura (estudio de campos) no se hace imprescindible, siendo posible una representación circuital con parámetros distribuidos. Así podemos decir que el modelo circuital equivalente de un tramo de línea de transmisión ideal de longitud infinitesimal dz está compuesto por una bobina serie que representa la autoinducción L de la línea de transmisión por unidad de longitud (medida en H/m), y un condensador en paralelo para modelar la capacidad por unidad de longitud C de dimensiones F/m.
- 8. Cuando la línea de transmisión introduce pérdidas, deja de tener un carácter ideal y es necesario ampliar el equivalente circuital anterior añadiendo dos nuevos elementos: una resistencia serie R, que caracteriza las pérdidas óhmicas por unidad de longitud generadas por la conductividad finita de los conductores, y que se mide en Ω/m, y una conductancia en paralelo G, con dimensiones de S/m (o Ω-1m-1).
- 9. ONDAS ELECTRICAS TRANSVERSALES 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.
- 10. Para una onda transversal, la dirección de desplazamiento es perpendicular a la dirección de propagación. Una onda en donde el desplazamiento está en la dirección de propagación se llama onda longitudinal. Las ondas de sonido son 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 (H), en la región de espacio colindante. Puede verse que los campos de E y H son perpendiculares, el uno al otro (en ángulos de 90), en todos los puntos.
- 12. 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 Aquellas que viajan desde la carga nuevamente hacia la fuente se llaman ondas reflejadas.
- 13. 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.
- 14. 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 m/Sg. 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 línea de transmisión.
- 15. FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA Las oscilaciones de una onda electromagnética son periódicas y repetitivas . Por lo tanto, se caracterizan por una 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 (1) Si el tiempo para un ciclo se sustituye en la ecuación (1), obtenemos la longitud de un ciclo, que se llama longitud de onda y cuyo símbolo es la letra minúscula griega lambda λ
- 16. λ = velocidad x periodo λ= V x T Ya que T = 1/ f Tenemos que: λ= V/f para la propagación en el espacio libre V = C, por lo tanto la longitud de un ciclo es
- 17. La figura 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.
- 18. 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 línea, el voltaje medido fluctuará de 0 a máximo positivo, nuevamente a cero, a máximo negativo, nuevamente a cero, y luego se repite el ciclo.
- 19. TIPOS DE TRANSMISION EN LINEAS DE TRANSMISION Las líneas de transmisión pueden clasificarse generalmente como: Balanceadas o desbalanceadas. Con líneas balanceadas de dos cables, los dos conductores llevan una corriente; uno 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
- 20. . La figura muestra un sistema de transmisión balanceada.
- 21. En una línea balanceada Ambos conductores 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.
- 22. 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.
- 23. 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 A1 y A2 muestran el resultado de las corrientes metálicas y longitudinales en una línea de transmisión balanceada. Fig. A1 Corrientes metálicas debido a voltajes de señal en una línea de transmisión balanceada.
- 24. Fig. A2 Corrientes longitudinales debido a los voltajes de ruido, en una línea de transmisión balanceada. 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
- 25. La figura B muestra dos sistemas de transmisión desbalanceada. Fig. B.- Sistema de transmisión desbalanceada o de transmisión sencilla
- 26. 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. BALUM Sirve para adaptar el cable o línea coaxial asimétrica Un- balanced que va desde nuestro transmisor (TX), a la antena, y que en la mayoría de los casos y por su concepción simétrica, es balanced . El término inglés Balun viene del vocablo BALanced- UNbalanced
- 27. BALUM La ventaja del tener instalado un Balum, es la de adaptar la impedancia entre el equipo transmisor y la antena y por consiguiente evitar las desadaptaciones y con ello mejorar el ROE y el que sus SWR se aproximen lo más posible al (1), y con ello evitar radiaciones no deseadas, no provocar Interferencias en TV, etc., y con ello mejorar el rendimiento de una instalación.
- 28. BALUM
- 29. BALUM
- 30. TIPOS DE LINEAS DE TRANSMISION TIPOS DE LINEAS DE TRANSMISION LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE CONDUCTOR PARALELO Línea de transmisión de cable abierto. Es un conductor paralelo de dos cables, como el que se muestra en la figura. Consiste de dos cables paralelos, espaciados muy cerca y solo separados por aire.
- 31. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE CONDUCTOR PARALELO Los espaciadores no conductivos se colocan a intervalos periódicos para apoyarse y mantener la distancia, entre 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.
- 32. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE CONDUCTOR PARALELO 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.
- 34. 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.
- 35. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN COAXIAL O CONCÉNTRICA 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, lo que limita su uso a las aplicaciones desbalanceadas.
- 36. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN COAXIAL O CONCÉNTRICA 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.
- 37. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN COAXIAL O CONCÉNTRICA 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 tiene 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 más 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.
- 38. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN COAXIAL O CONCÉNTRICA
- 39. CARACTERISTICAS DE UNA LINEA DE TRANSMISION. Las características de una línea de transmisión se determinan por sus propiedades eléctricas, como la conductancia de los cables la constante dieléctrica del aislante y sus propiedades físicas, como , el diámetro del cable y los espacios del conductor, estas propiedades, a su vez, determinan las constantes eléctricas primarias.
- 40. CONSTANTES ELECTRICAS PRIMARIAS •La resistencia distribuida en el conductor (expresada en ohmios por unidad de longitud) se representa por un solo resistor en serie R. •Este parámetro modela la disipación de potencia debido a la no idealidad de los conductores (pérdidas óhmicas).
- 41. CONSTANTES ELECTRICAS PRIMARIAS •La inductancia distribuida (expresada en henrios por unidad de longitud) debido al campo magnético alrededor conductor, se representa como una sola bobina en serie L. • El parámetro L modela el proceso de almacenamiento energético en forma de campo magnético que se produce en la línea. •El comportamiento capacitivo distribuido (expresado en faradios por unidad de longitud) debido al campo eléctrico existente en el dieléctrico entre los conductores de la línea, se representa por un solo condensador en paralelo C, colocado entre "el conductor de ida" y "el conductor de retorno". El parámetro C modela el proceso de almacenamiento energético en forma de campo eléctrico que se produce en la línea.
- 42. CONSTANTES ELECTRICAS PRIMARIAS •La conductancia distribuida (expresada en mhos por unidad de longitud o siemens por unidad de longitud) se representa por una conductancia en paralelo G, colocada entre "el conductor de ida" y "el conductor de retorno". •El parámetro G modela la disipación de potencia que se produce por la no idealidad del medio dieléctrico (pérdidas dieléctricas).
- 43. CONSTANTES ELECTRICAS PRIMARIAS Las constantes primarias se distribuyen uniformemente a lo largo de la línea de transmisión , y por lo tanto generalmente se le llama parámetros distribuidos
- 44. CARACTERISTICAS SECUNDARIAS DE UNA LINEA DE TRANSMISION Se denominan características secundarias constantes secundarias, y se determinan con las cuatro constantes primarias. De Las constantes secundarias más importantes tenemos: Impedancia característica y La constante de propagación.
- 45. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA Para una máxima transferencia de potencia, desde la fuente a la carga (o sea, sin energía reflejada), una línea de transmisión debe terminarse 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.
- 46. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA 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.
- 47. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA 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 la línea desde la fuente se disipa en la carga (esto supone una línea totalmente sin pérdidas).
- 48. CÁLCULO DE IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA (Z0) Su forma general y simplificación 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
- 49. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA 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 a la impedancia característica.
- 51. Siendo D mucho mayor que r ( D>>>r) IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA La impedancia característica de una línea de transmisión de dos cables paralelos con un dieléctrico de aire puede determinarse de sus dimensiones físicas mediante la expresión matemática: Siendo D mucho mayor que r ( D>>>r)
- 52. La impedancia característica de un cable coaxial concéntrico también se puede determinar por sus dimensiones físicas mediante la expresión matemática
- 53. Ejercicio 1.- Determine la Impedancia característica de una línea de transmisión de dos cables paralelos con un dieléctrico de aire con una relación D/r = 12.22 Solución.- Reemplazando en la expresión Zo = 276 log D/r (Ohm) Tenemos: Zo=276 log. 12.22 Zo= 276x 1,087= 300 ohm
- 54. Ejercicio 2.- Determine la impedancia característica para un cable coaxial RG 59ª con las siguientes especificaciones: L= 0.118 uH/pies, C= 21pF/pies,d=0,025plg., D=0,15 y =2.23. Solución. Reemplazando los valores en la expresión: Tenemos:
- 56. PROPAGACION DE UNA ONDA EN UNA LINEA DE TRANSMISION Las ondas electromagnéticas viajan a aproximadamente la velocidad de la luz, al propagarse por el aire sin embargo en la líneas de transmisión metálicas, donde el conductor generalmente es el cobre y los materiales dieléctricos varían considerablemente, con el tipo de cable, una onda electromagnética viaja mucho mas lenta.
- 57. FACTOR DE VELOCIDAD. 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. Vf = VP / C Donde: Vf es el Factor de Velocidad, Vp es el valor real de velocidad de propagación en el medio de estudio y C es la velocidad de propagación en el espacio libre:C = 3 * 108m / s
- 58. 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 fórmula: en donde: es la constante dieléctrica de un material determinado (permitividad del material relativo a la permitividad del vació, la relación
- 59. 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 varía de 1.2 a 2.8, dando factores de velocidad desde 0.6 a 0.9. Los factores de velocidad se muestran en la siguiente tabla donde aparecen las varias configuraciones comunes de las líneas de transmisión.
- 60. La constante dieléctrica depende del tipo de material que se utilice. Las bobinas almacenan energía magnética y los condensadores almacenan energía eléctrica. Se necesita una cantidad finita de tiempo para que una bobina o condensador tome o dé energía. Material Factor de Velocidad Aire 0.95 - 0.975 Hule 0.5 - 0.65 Polietileno 0.66 Teflón 0.70 Espuma de Teflón 0.82 Pins de Teflón 0.81 Espiral de Teflón 0.81
- 61. VELOCIDAD DE PROPAGACION.- 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 demostrar que el tiempo es igual a velocidad por longitud. Por lo tanto, la inductancia, la capacitancia, y la velocidad de propagación están relacionadas matemáticamente por la fórmula del Movimiento rectilíneo uniforme. Por lo tanto, Substituyendo por el tiempo nos lleva a:
- 62. Si la distancia se normaliza a 1 m, la velocidad de propagación para una línea sin perdidas es: Ejercicio.- Para una longitud determinada de cable coaxial RG8A/U, con una capacitancia distribuida C=96,6 pF/m, una inductancia distribuida L=241.56 nH/m, y una constante dieléctrica igual a 2.3, determine: a.- la velocidad de propagación y b.- el factor de velocidad.
- 63. Solución.- • La velocidad de propagación obtenemos reemplazando los valores en la ecuación
- 64. El factor de velocidad, obtenemos reemplazando en la ecuación:
- 65. GRACIAS POR SU ATENCION