Línea desequilibrada

En telecomunicaciones e ingeniería eléctrica en general, una línea desequilibrada es un par de conductores destinados a transportar señales eléctricas, que presentan impedancias desiguales a lo largo de su longitud y con respecto a tierra y otros circuitos. Ejemplos de líneas desequilibradas son el cable coaxial o el sistema histórico de retorno a tierra inventado para el telégrafo, pero que rara vez se utiliza hoy en día. Las líneas desequilibradas se diferencian de las líneas equilibradas , como el cable bifilar o el par trenzado , que utilizan dos conductores idénticos para mantener el equilibrio de impedancia a lo largo de la línea. Las líneas equilibradas y desequilibradas se pueden interconectar mediante un dispositivo llamado balun .

La principal ventaja del formato de línea no balanceada es su rentabilidad. Se pueden proporcionar varias líneas no balanceadas en el mismo cable, con un conductor por línea más un conductor de retorno común, generalmente el blindaje del cable . Asimismo, varios circuitos de microcinta pueden usar el mismo plano de tierra para el retorno. Esto resulta muy ventajoso en comparación con el cableado balanceado, que requiere dos conductores por línea, casi el doble. Otra ventaja de las líneas no balanceadas es que no requieren circuitos de excitación y recepción balanceados, más costosos, para funcionar correctamente.

Las líneas desequilibradas a veces se confunden con la señalización de un solo extremo , pero son conceptos totalmente distintos. La primera es un esquema de cableado, mientras que la segunda es un esquema de señalización. Sin embargo, la señalización de un solo extremo se suele transmitir a través de líneas desequilibradas. Las líneas desequilibradas no deben confundirse con las líneas de transmisión de un solo hilo , que no utilizan ningún retorno.

Cualquier línea que tenga una impedancia diferente en el camino de retorno puede considerarse una línea desequilibrada. Sin embargo, las líneas desequilibradas generalmente constan de un conductor que se considera la línea de señal y otro conductor que está conectado a tierra , o que es la tierra misma. El conductor de tierra a menudo toma la forma de un plano de tierra o la pantalla de un cable . El conductor de tierra puede ser, y a menudo lo es, común a varios circuitos independientes. Por esta razón, el conductor de tierra puede denominarse común .

El primer uso de líneas de transmisión desequilibradas se dio en las comunicaciones telegráficas eléctricas . Estas consistían en cables individuales tendidos entre postes. El retorno de la corriente se realizaba originalmente mediante un conductor independiente. Algunos de los primeros sistemas telegráficos, como el telégrafo de aguja experimental de Schilling de 1832 y el telégrafo de cinco agujas de Cooke & Wheatstone de 1837, utilizado por los ferrocarriles británicos, requerían múltiples cables de codificación. En esencia, se trataba de codificación de bus paralelo . En estos sistemas, el coste del conductor de retorno no era tan significativo (un conductor de cada siete para el primer telégrafo de aguja de Schilling ^{[ 1 ]} y un conductor de cada seis para el telégrafo de Cooke y Wheatstone ^{[ 2 ]} ), pero el número de conductores de codificación se fue reduciendo progresivamente con la mejora de los sistemas. Pronto solo se requirió un cable de codificación, transmitiéndose los datos en serie . Ejemplos importantes de estos sistemas de un solo cable fueron el telégrafo Morse (1837) y el telégrafo de una sola aguja de Cooke & Wheatstone (1843). En estos sistemas, el costo del conductor de retorno representaba el 50 % del costo total del cable. Se descubrió que el conductor de retorno podía sustituirse por una conexión a tierra mediante picas . El uso de la conexión a tierra supuso un ahorro significativo y rápidamente se convirtió en la norma.

Los cables telegráficos subterráneos que llegaban a grandes edificios o conectaban estaciones a menudo necesitaban transportar varias líneas telegráficas independientes. Estos cables consistían en múltiples conductores aislados, protegidos por una rejilla metálica y una cubierta exterior. En estos cables, la rejilla podía funcionar como conductor de retorno. Los cables telegráficos submarinos solían ser de un solo conductor, protegido por una armadura de alambre de acero , similar a un cable coaxial. El primer cable transatlántico de este tipo se completó en 1866.

Las primeras líneas telefónicas (el teléfono se inventó en 1876) utilizaban el mismo esquema de transmisión que el telégrafo, con cables individuales desequilibrados. Sin embargo, la comunicación telefónica comenzó a sufrir problemas tras la introducción generalizada de las líneas eléctricas. Para solucionar este problema, se empezó a utilizar líneas equilibradas en la transmisión telefónica, y el estándar actual para la transmisión telefónica es el cable de par trenzado equilibrado .

Un cable coaxial (coax) tiene un conductor de señal central rodeado por un conductor de blindaje cilíndrico. El conductor de blindaje normalmente está conectado a tierra. El formato coaxial se desarrolló durante la Segunda Guerra Mundial para su uso en radares . Originalmente se construía con tubos rígidos de cobre, pero la forma habitual hoy en día es un cable flexible con un blindaje trenzado. Las ventajas del coaxial son un blindaje electrostático teóricamente perfecto y parámetros de transmisión altamente predecibles. Esto último es resultado de la geometría fija del formato, que proporciona una precisión que no se encuentra en los cables sueltos. Los sistemas de cable abierto también se ven afectados por objetos cercanos que alteran el patrón de campo alrededor del conductor. El coaxial no sufre este problema, ya que el campo está completamente contenido dentro del cable gracias al blindaje que lo rodea.

Los cables coaxiales son la norma para las conexiones entre transmisores de radio y sus antenas, para la interconexión de equipos electrónicos que utilizan alta frecuencia o superior, y antiguamente se utilizaban ampliamente para formar redes de área local antes de que el par trenzado se popularizara para este fin.

El cable triaxial (o triaxial) es una variante del cable coaxial que cuenta con un segundo conductor de blindaje que rodea al primero, con una capa de aislamiento entre ambos. Además de proporcionar blindaje adicional, los conductores exteriores pueden utilizarse para otros fines, como suministrar energía a equipos o transmitir señales de control . El cable triaxial se utiliza ampliamente para la conexión de cámaras en estudios de televisión .

Las líneas de transmisión de formato planar son conductores planos fabricados mediante diversas técnicas sobre un sustrato. Casi siempre presentan un formato desequilibrado. A las bajas velocidades de transmisión de los primeros telégrafos, solo era necesario considerar la teoría de líneas de transmisión para el diseño de circuitos cuando la transmisión abarcaba muchos kilómetros. De manera similar, las frecuencias de audio utilizadas por los teléfonos son relativamente bajas, y la teoría de líneas de transmisión solo cobra relevancia para distancias de al menos entre edificios. Sin embargo, a frecuencias de radio y microondas más altas , las consideraciones sobre líneas de transmisión pueden volverse importantes dentro de un dispositivo, incluso a escalas de centímetros. A las altísimas velocidades de datos que manejan los procesadores informáticos modernos, las consideraciones sobre líneas de transmisión pueden ser importantes incluso dentro de un circuito integrado individual . Las tecnologías planares se desarrollaron para este tipo de aplicaciones de pequeño tamaño y no son muy apropiadas para transmisiones de larga distancia.

Línea de producción

La línea de transmisión en tira (stripline) es un conductor plano con un plano de tierra tanto por encima como por debajo del conductor. La variante de línea de transmisión en tira donde el espacio entre los dos planos de tierra está completamente lleno de un material dieléctrico se conoce a veces como triplete . La línea de transmisión en tira se puede fabricar grabando el patrón de la línea de transmisión en una placa de circuito impreso . La parte inferior de esta placa se deja completamente cubierta de cobre y forma el plano de tierra inferior. Una segunda placa se sujeta encima de la primera. Esta segunda placa no tiene patrón en la parte inferior y tiene cobre liso en la parte superior para formar el plano de tierra superior. Se puede envolver una lámina de cobre alrededor de las dos placas para unir eléctricamente los dos planos de tierra firmemente. Por otro lado, la línea de transmisión en tira para aplicaciones de alta potencia, como el radar, probablemente se fabricará como tiras de metal sólido con soportes dieléctricos periódicos, esencialmente aire como dieléctrico.

Microtira

La microcinta es similar a la línea de transmisión sin plano de tierra, pero está abierta por encima del conductor. No hay dieléctrico ni plano de tierra por encima de la línea de transmisión; solo hay dieléctrico y un plano de tierra por debajo de la línea. La microcinta es un formato popular, especialmente en productos domésticos, porque los componentes de microcinta se pueden fabricar utilizando las técnicas de fabricación establecidas para las placas de circuito impreso. De esta manera, los diseñadores pueden combinar circuitos con componentes discretos con componentes de microcinta. Además, dado que la placa debe fabricarse de todos modos, los componentes de microcinta no tienen un costo de fabricación adicional. Para aplicaciones donde el rendimiento es más importante que el costo, se puede utilizar un sustrato cerámico en lugar de un circuito impreso. La microcinta tiene otra pequeña ventaja sobre la línea de transmisión sin plano de tierra: los anchos de línea son mayores en la microcinta para la misma impedancia , por lo que las tolerancias de fabricación y el ancho mínimo son menos críticos en líneas de alta impedancia. Una desventaja de la microcinta es que el modo de transmisión no es completamente transversal . Estrictamente hablando, el análisis estándar de líneas de transmisión no se aplica porque existen otros modos, pero puede ser una aproximación útil.

circuitos integrados

Las conexiones dentro de los circuitos integrados suelen ser planares, por lo que las líneas de transmisión planares son la opción natural cuando se requieren. La necesidad de líneas de transmisión se presenta con mayor frecuencia en los circuitos integrados de microondas (MIC). Existen numerosos materiales y técnicas para fabricar MIC, y las líneas de transmisión pueden formarse con cualquiera de estas tecnologías.

Las líneas de transmisión planares se utilizan para mucho más que simplemente conectar componentes o unidades. Pueden utilizarse como componentes y unidades en sí mismas. Cualquier formato de línea de transmisión puede emplearse de esta manera, pero para los formatos planares suele ser su propósito principal. Los bloques de circuitos típicos implementados con líneas de transmisión incluyen filtros , acopladores direccionales, divisores de potencia y adaptación de impedancias . A frecuencias de microondas, los componentes discretos deben ser extremadamente pequeños, por lo que una solución con líneas de transmisión es la única viable. Por otro lado, a bajas frecuencias, como en aplicaciones de audio, los dispositivos de línea de transmisión deben ser excesivamente grandes.

La distribución de energía eléctrica se realiza normalmente mediante transmisión trifásica balanceada. Sin embargo, en algunas zonas remotas donde se requiere una cantidad de energía relativamente pequeña, se puede utilizar un sistema monofásico con retorno a tierra .

• Huurdeman, Anton A., Historia mundial de las telecomunicaciones , John Wiley & Sons, 2003 ISBN 0471205052.
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