Línea de transmisión

En ingeniería eléctrica , una línea de transmisión es un cable especializado u otra estructura diseñada para conducir ondas electromagnéticas de manera contenida. El término se aplica cuando los conductores son lo suficientemente largos como para tener en cuenta la naturaleza ondulatoria de la transmisión. Esto se aplica especialmente a la ingeniería de radiofrecuencia porque las longitudes de onda cortas significan que los fenómenos ondulatorios surgen en distancias muy cortas (esto puede ser tan corto como milímetros dependiendo de la frecuencia). Sin embargo, la teoría de las líneas de transmisión se desarrolló históricamente para explicar fenómenos en líneas telegráficas muy largas , especialmentecables telegráficos submarinos .

Las líneas de transmisión se utilizan para fines tales como conectar transmisores y receptores de radio con sus antenas (entonces se denominan líneas de alimentación o alimentadores), distribuir señales de televisión por cable , líneas troncales que enrutan llamadas entre centros de conmutación telefónica, conexiones de redes informáticas y buses de datos informáticos de alta velocidad . Los ingenieros de RF suelen utilizar piezas cortas de línea de transmisión, generalmente en forma de líneas de transmisión planas impresas , dispuestas en ciertos patrones para construir circuitos como filtros . Estos circuitos, conocidos como circuitos de elementos distribuidos, son una alternativa a los circuitos tradicionales que utilizan condensadores e inductores discretos .

Los cables eléctricos ordinarios son suficientes para transportar señales de audio y corriente alterna (CA) de baja frecuencia . Sin embargo, no se pueden utilizar para transportar corrientes en el rango de radiofrecuencia por encima de unos 30 kHz, porque la energía tiende a irradiarse del cable en forma de ondas de radio , lo que provoca pérdidas de potencia. Las corrientes de RF también tienden a reflejarse en las discontinuidades del cable, como conectores y empalmes, y viajan de regreso por el cable hacia la fuente. Estos reflejos actúan como cuellos de botella, impidiendo que la potencia de la señal llegue al destino. Las líneas de transmisión utilizan una construcción especializada y adaptación de impedancia, para transportar señales electromagnéticas con mínimas reflexiones y pérdidas de potencia. La característica distintiva de la mayoría de las líneas de transmisión es que tienen dimensiones de sección transversal uniformes a lo largo de su longitud, lo que les da una impedancia uniforme , llamada impedancia característica , para evitar reflejos. Cuanto mayor sea la frecuencia de las ondas electromagnéticas que se mueven a través de un cable o medio determinado, menor será la longitud de onda de las ondas. Las líneas de transmisión se vuelven necesarias cuando la longitud de onda de la frecuencia transmitida es lo suficientemente corta como para que la longitud del cable se convierta en una parte significativa de una longitud de onda.

A frecuencias de microondas y superiores, las pérdidas de energía en las líneas de transmisión se vuelven excesivas y, en su lugar, se utilizan guías de ondas que funcionan como "tuberías" para confinar y guiar las ondas electromagnéticas. A frecuencias aún más altas, en los rangos de terahercios , infrarrojos y visibles , las guías de ondas a su vez se vuelven con pérdidas, y se utilizan métodos ópticos (como lentes y espejos) para guiar las ondas electromagnéticas.

Esquema de una onda que se mueve hacia la derecha por una línea de transmisión de dos hilos sin pérdidas. Los puntos negros representan electrones y las flechas muestran el campo eléctrico .
Uno de los tipos más comunes de línea de transmisión, cable coaxial .
Variaciones del símbolo electrónico esquemático para una línea de transmisión.
Una línea de transmisión se dibuja como dos cables negros. A una distancia x dentro de la línea, hay una corriente I(x) que viaja a través de cada cable y hay una diferencia de voltaje V(x) entre los cables. Si la corriente y el voltaje provienen de una sola onda (sin reflexión), entonces V ( x ) /  I ( x ) =  Z 0 , donde Z 0 es la impedancia característica de la línea.
Representación esquemática del componente elemental de una línea de transmisión.
Mirando hacia una carga a través de una longitud de línea de transmisión sin pérdidas, la impedancia cambia a medida que aumenta, siguiendo el círculo azul en este gráfico Smith de impedancia . (Esta impedancia se caracteriza por su coeficiente de reflexión , que es el voltaje reflejado dividido por el voltaje incidente). El círculo azul, centrado dentro del gráfico, a veces se denomina círculo SWR (abreviatura de relación de onda estacionaria constante ).
Ondas estacionarias en una línea de transmisión con una carga de circuito abierto (arriba) y una carga de cortocircuito (abajo). Los puntos negros representan electrones y las flechas muestran el campo eléctrico.
Un tipo de línea de transmisión llamada línea jaula , utilizada para aplicaciones de alta potencia y baja frecuencia. Funciona de manera similar a un cable coaxial grande. Este ejemplo es la línea de alimentación de antena para un transmisor de radio de onda larga en Polonia , que opera a una frecuencia de 225 kHz y una potencia de 1200 kW.
Un ejemplo simple de línea de transmisión escalonada que consta de tres segmentos.
El círculo de transformación de impedancia a lo largo de una línea de transmisión cuya impedancia característica es menor que la del cable de entrada . Y como resultado, la curva de impedancia está descentrada hacia el eje. Por el contrario, si , la curva de impedancia debe estar descentrada hacia el eje.